Структура персонального компьютера типа IBM PC

С 1981 года основная масса персональных компьютеров выпускается по стандарту IBM PC. Причина успеха компьютеров c архитектурой типа IBM PC заключается в том, что в их основе лежит принцип открытой архитектуры, состоящий в следующем:

- Компьютер это устройство, у которого обеспечена возможность сборки из независимо изготовленных частей.

- Методы сопряжения устройств с компьютером IBM PC доступны всем пользователям.

Структурная схема персонального компьютера (персонального компьютера) типа IBM PC представлена на рисунке.

Обычно ПК типа IBM PC состоит из:

- системного блока;

- монитора;

- клавиатуры;

- манипулятора - мыши.

В системном блоке располагаются все основные узлы компьютера (рис):

- электронные схемы, управляющие работой компьютера (материнская плата, видеоадаптер, сетевая и звуковая платы и др.) ;

- блок питания, преобразующий электропитание в сети в постоянный ток низкого напряжения, который подается на электронные схемы и устройства;

- накопитель (-и) на жестких магнитных дисках (HDD – Hard Disk Drive);

- CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory – устройство для чтения информации с лазерных компакт-дисков).

К системному блоку подключаются различные устройства ввода-вывода: принтер, сканер, плоттер и др.

В случае конструктивного исполнения персонального компьютера в виде моноблока – монитор и системный блок объединены в единое устройство.

Системный блок

Системная (материнская) плата

Системная шина

ГТИИ

МП

Интерфейс клавиатуры

Основная память

Таймер

Видеоадаптер

Сетевой адаптер

Контроллер портов

Контроллер дисков

CD-ROM

HDD

Монитор

Сетевой кабель

Внешние устройства

К Л А В И А Т У Р А

Структурная схема персонального компьютера типа IBM PC

На основной электронной плате (материнской плате) компьютера размещены только те блоки, которые осуществляют обработку информации. Схемы, управляющие всеми остальными устройствами компьютера, реализованы на отдельных платах, называемые контроллерами или адаптерами, и вставляются в стандартные разъёмы на материнской плате – слоты. Через слоты контроллеры подключены непосредственно к системной шине, с помощью которой контроллеры взаимодействуют с микропроцессором и основной памятью компьютера.

На некоторые модели материнских плат фирмы-производители устанавливают микросхемы, выполняющие функции видеоадаптера, звуковой карты, сетевой карты и т.д. Таким образом, все контроллеры ввода-вывода интегрированы на одной материнской плате – это реализовано в ноутбуках и моноблоках.

Системная шина обеспечивает передачу информации:

- между микропроцессором и основной памятью;

- между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

- между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Системная шина включает в себя:

- шину адреса (address bus), выполняющую параллельную передачу всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;

- шину данных (data bus), предназначенную для параллельной передачи всех разрядов числового кода операндов.

- шину управления (control bus), предназначенную для передачи управляющих сигналов во все блоки компьютера.

Генератор тактовых импульсов (ГТИ) генерирует последовательность электрических импульсов, частота которых определяет тактовую частоту компьютера.

Основная память включает в себя:

- Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), которое используется для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации. ПЗУ позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию.

- Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), предназначенное для оперативной записи, хранения и считывания информации, непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, который выполняется компьютером в текущий момент времени. Достоинства ОЗУ: высокое быстродействие, возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой доступ к памяти). Недостаток ОЗУ: невозможность сохранения информации в ячейках ОЗУ после выключения питания компьютера (энергозависимость).

Микропроцессоры ЭВМ

Процессор – устройство, которое определяет назначение и внутреннюю организацию ЭВМ. В современных вычислительных системах имеется несколько процессоров, каждый из которых специализирован на решении конкретных задач, при этом всегда имеется центральный процессор (Central Processing Unit – CPU).

Микропроцессор – функционально законченное, программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной сверхбольшой интегральной схемы.

Структура микропроцессора

Микропроцессор выполняет следующие функции:

- чтение и дешифрацию команд из основной памяти;

- чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств;

- прием и обработка запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств;

- обработка данных и их запись в основную память и в регистры адаптеров внешних устройств;

- выработка управляющих сигналов для всех других блоков и устройств.

Функционально микропроцессор состоит из двух частей:

1. Операционной части, содержащей устройство управления, арифметико-логическое устройство и микропроцессорную память (за исключением нескольких адресных регистров).

2. Интерфейсной части, содержащей адресные регистры, блок регистров команд, схему управления шиной и портами.

Обе части работают параллельно, причем интерфейсная часть опережает операционную так, что выборка очередной команды из памяти производится во время выполнения операционной части предыдущей команды.

Микропроцессоры характеризуются следующими техническими характеристиками, такими как:

- Тактовая частота – количество элементарных операций (тактов), которые выполняет микропроцессор за одну секунду.

- Разрядность шины данных и шины адреса.

- Адресное пространство – максимальное количество ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано микропроцессору.

- Набор команд.

- Степень интеграции – число элементов в интегральной схеме.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Функционально АЛУ обычно состоит из двух регистров, сумматора и схем управления

АЛУ выполняет арифметические операции (сложения, вычитания, умножения, деления) только над двоичной информацией с запятой, фиксированной после последнего разряда (целые двоичные числа). Выполнение операций над двоичными числами с плавающей точкой и над двоично-кодированными десятичными числами осуществляется:

- с привлечением математического сопроцессора;

- по специально составленным программам;

- с использованием специального вычислительного блока

внутри микропроцессора.

Микропроцессорная память предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно участвующей в вычислениях.

Интерфейсная часть микропроцессора предназначена для связи и согласования микропроцессора с системной шиной, а также для приёма и предварительного анализа команд выполнения программы и формирования полных адресов операндов и команд.

Интерфейсная часть содержит:

- адресные регистры микропроцессорной памяти;

- узел формирования адреса;

- схему управления шиной и портами ввода-вывода;

- блок регистров команд;

- внутреннюю интерфейсную шину микропроцессора.

Порты ввода-вывода – пункты системного интерфейса ПК, через которые микропроцессор обменивается информацией с другими устройствами.

Таким образом, в микропроцессоре обмен данными производится через внутреннюю шину.

Схема управления внутренней шиной и портами микропроцессора выполняет следующие функции:

- формирование адреса порта и управляющей информации для него (переключение порта на приём или передачу и др.);

- приём управляющей информации от порта (информации о готовности порта и его состоянии);

- организация канала в системном интерфейсе для передачи данных между портами устройств ввода/вывода и микропроцессором.

Новейшие модели микропроцессоров содержат также внутреннюю кэш-память. Кэш-память представляет собой быстродействующую буферную память ограниченного объёма, которая располагается между процессором и основной памятью. В процессе работы компьютера отдельные блоки информации копируются из основной памяти в кэш-память, и при обращении процессора за командой или данными сначала проверяется их наличие в кэш-памяти. Если необходимая информация находится там, то она быстро извлекается – это называется кэш-попаданием. Если необходимая информация в кэш-памяти отсутствует, то она выбирается из основной памяти и одновременно заносится в кэш-память – это называется кэш-промахом.

Прерывания

Прерывание – временное прекращение основного процесса вычислений для выполнения некоторых запланированных или незапланированных действий, вызываемых работой аппаратуры ЭВМ или программой. Эти действия могут:

- носить сервисный характер;

- быть запросами со стороны программы пользователя на выполнение обслуживания со стороны операционной системы (ОС);

- быть реакцией на нештатные ситуации.

Механизм прерываний поддерживается на аппаратном уровне и позволяет реализовать:

1) эффективное взаимодействие программ с ОС;

2) эффективное управление программой аппаратного обеспечения ЭВМ.

Прерывания классифицируются на:

1) Аппаратные, возникающие как реакция микропроцессора на физический сигнал от некоторого устройства ПЭВМ (клавиатура, жесткий диск и т. д.). По времени возникновения эти прерывания асинхронны (происходят в случайные моменты времени).

2) Программные, которые вызываются искусственно с помощью соответствующей команды из программы. Предназначены для выполнения некоторых действий операционной системы, являются синхронными.

3) Исключения – разновидность программных прерываний, являющихся реакцией микропроцессора на нестандартную ситуацию, возникшую во время выполнения некоторой команды программы.