Магистрально-модульный принцип построения

В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип.

Теперь, когда мы знаем основные устройства компьютера и их функции, осталось выяснить, как они взаимодействуют между собой. Для этого обратимся к функциональной схеме современного компьютера, приведенной на рисунке.

Для связи основных устройств компьютера между собой используется специальная информационная магистраль, обычно называемая инженерами шиной. Магистраль (иначе называемая системная шина, или общая шина) - совокупность проводников, по которым происходит передача данных и управляющих сигналов между устройствами компьютера.

Шина состоит из трех частей шин (многопроводным линиям связи), соединяющим все модули:

• шинаадреса, на которой устанавливается (передается) адрес требуемой ячейки памяти или устройства, с которым будет происходить обмен информацией;

• шина данных,по которой собственно и будет передана необходимая информация;

• шина управления служит для передачи управляющих сигналов,регулирующая этот процесс передачи информации (например, один из сигналов на этой шине позволяет компьютеру различать между собой адреса памяти и устройств ввода/вывода).

Вся информация, передаваемая по магистрали (данные, адреса, управляющие сигналы) представлена в двоичном алфавите в виде последовательностей нулей и единиц. Им соответствуют последовательности электрических импульсов (сигналов). Используются сигналы с напряжением до 5 В (Вольт) – таким сигналом кодируется единица, и сигналы с напряжением 0,5 В (напряжение практически равно нулю, сигнал отсутствует) – таким сигналом кодируется нуль. Таким образом, последовательность электрических сигналов нулевого и ненулевого напряжения несут информацию, представленную в двоичном коде.

Разрядность шины определяется количеством битов информации, передаваемых по шине параллельно.

Данные по шине данных могут передаваться от процессора к какому-либо устройству, или наоборот, от устройства к процессору, то есть шина данных является двунаправленной. К основным режимам работы процессора с использованием шины передачи данных можно отнести:

•запись/чтение данных из оперативной памяти (оперативное запоминающее устройство — ОЗУ);

•запись/чтение данных из внешних запоминающих устройств (ВЗУ);

•чтение данных с устройств ввода,

•пересылка данных на устройства вывода

Выбор абонента по обмену данными производит процессор, формируя код адреса данного устройства, а для ОЗУ — код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении — от процессора к устройствам (однонаправленная шина).

По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией (ввод/вывод), и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией.

Рассмотрим в качестве примера, как процессор читает содержимое ячейки памяти. Убедившись, что шина в данный момент свободна, процессор помещает на шину адреса требуемый адрес и устанавливает необходимую служебную информацию (операция — чтение, устройство — ОЗУ и т.п.) на шину управления. Теперь ему остается только ожидать ответа от ОЗУ. Последнее, "увидев" на шине обращенный к нему запрос на чтение информации, извлекает содержимое необходимой ячейки и помещает его на шину данных. Разумеется, реальный процесс, значительно подробнее, но нас сейчас не интересуют технические детали. Особо отметим, что обмен по шине при определенных условиях и при наличии определенного вспомогательного оборудования может происходить и без непосредственного участия процессора, например, между устройством ввода и внутренней памятью.

Подчеркнем также, что описанная нами функциональная схема на практике может быть значительно сложнее. Современный компьютер может содержать несколько согласованно работающих процессоров, прямые информационные каналы между отдельными устройствами, несколько взаимодействующих магистралей и т.д. Тем не менее если понимать наиболее общую схему, то разобраться в конкретной компьютерной системе будет уже легче.

Магистральная структура позволяет легко подсоединять к компьютеру именно те внешние устройства, которые нужны для данного пользователя. Благодаря ей удается скомпоновать из стандартных блоков любую индивидуальную конфигурацию компьютера.

Устройстваввода и вывода вместе с устройствами внешней памяти называют внешними устройствами.

Компоненты архитектуры компьютера конструктивно объединяются в определенные единицы оборудования - блоки. Рассмотрим базовый состав персонального компьютера. Он включает системный блок, монитор, мышь, клавиатуру.. Могут быть подключены и другие внешние устройства.

Системный блок - это основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Основным устройством системного блока является материнская плата. Она представляет собой пластмассовую пластину, на которой размещаются микросхемы, соединенные с помощью пайки или пружинных контактов. На материнской плате размещаются процессор, микросхемы оперативной и постоянной памяти, шины магистрали, разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты), видео- и звуковые карты - дочерние платы, поддерживающие работу видеомонитора и звуковоспроизводящих устройств, некоторые другие блоки.

В системный блок встраивается жесткий диск (винчестер), дисководы гибких дисков и компакт-дисков (CD-ROM), некоторые вспомогательные устройства (например, вентиляторы).

Устройства, которые подключаются к системному блоку извне, называются периферийными устройствами.

Что позволяет говорить о модульном принципе построения компьютера? Конструктивно составные части системного блока и магистраль располагаются на системной плате. На ней иногда бывают сосредоточены все необходимые для работы компьютера элементы. Такие платы называются All-In-One. Однако большая часть компьютеров имеет системные платы, которые содержат лишь основные узлы, а элементы связи, например, с приводами накопителей, дисплеем и другими периферийными устройствами на ней отсутствуют. В таком случае эти отсутствующие элементы располагаются на отдельных печатных платах, которые вставляются в специальные разъемы расширения, предусмотренные для этого на системной плате. Эти дополнительные платы называют дочерними (daughterboard), а системную плату — материнской (motherboard).

Функциональные устройства, выполненные на дочерних платах, часто называют контроллерами или адаптерами, а сами дочерние платы — платами расширения. Таким образом, подключение отдельных модулей компьютера к магистрали, находящейся непосредственно на материнской плате, на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, а на программном обеспечивается драйверами. Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответствующее устройство смогло принять этот сигнал и правильно отреагировать на него. За его выполнение процессор не отвечает, отвечает лишь соответствующий контроллер, поэтому периферийные устройства компьютера заменяемы и набор таких модулей произволен. Большая часть периферийных устройств подсоединяется очень просто — снаружи, через разъемы на корпусе системного блока к выходам соответствующих контроллеров — портам (периферийные устройства еще называются внешними, так как осуществляют связь ЭВМ с внешним миром).

Благодаря модульному принципу построения потребитель сам может комплектовать компьютер нужной ему конфигурации и производить при необходимости ее модернизацию.