Компоненты персонального компьютера

Компоненты персонального компьютера.

 

Не смотря на разнообразие типов, форм и архитектур персональных компьютеров, в составе большинства ПК можно выделить следующее: системный блок, дисплей, клавиатура, мышь и периферийные устройства. В зависимости от потребностей и возможностей пользователей состав периферии может быть расширен аудиосистемой с синтезатором, модемом, принтером или сканером.

Системный блок включает все основные составляющие персонального компьютера. Важнейшим его компонентом является материнская, или системная, плата (motherboard). Расположенные на ней электронные модули, или чипсеты, а также центральный процессор (ЦП), оперативная память (называемая также оперативным запоминающим устройством — ОЗУ, или памятью RAM-Random Access Memory память с произвольным доступом) составляют базовый комплект электроники компьютера. В системном блоке также размещаются: источник питания, устройства внешней памяти — накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД), или винчестеры, и накопители на гибких магнитных дисках (НГМД). К этой, обязательной в недалеком прошлом группе устройств, в последние годы присоединились дисководы компакт-дисков, или CD-ROM, и накопители на сменных магнитных дисках.

 

К системному блоку подсоединены все внешние устройства: монитор, клавиатура, мышь, принтер, модем, звуковые колонки (динамики), сканер и т.д.

 

· Монитор (дисплей) отображаете на экране текстовую и графическую информацию, вводимые с клавиатуры или выводимые из компьютера данные, сообщения компьютерной системы, копии всевозможных документов и прочую важную для пользователя информацию.

· Клавиатура предназначена для ввода в компьютер команд и данных.

 

· Мышь позволяет указывать на элементы экрана с помощью указателя и путем щелчка на кнопках выполнять определенные операции.

· Принтер выводит в качестве твердой копии текстовую и графическую черно-белую или цветную информацию. Вывод информации осуществляется на бумагу или на пленку.

· Модем предназначен для подключения компьютера к телефонной линии.

· Сканер обеспечивает ввод в ПК текстовой или графической, черно-белой или цветной информации для ее дальнейшей обработки.

 

· Звуковая система состоит из звуковой карты и звуковых колонок, вынесенных или встроенных в дисплей. Колонки имеют свои усилители и органы регулировки уровня звука.

 

Архитектура ПК

 

Архитектура ПК — это структурная схема внутренней организации и взаимодействия основных  функциональных модулей компьютера (центральный процессор, чипсеты, устройства системы памяти персонального компьютера, контроллеры периферийных устройств и сами периферийные устройства).

На рис. 1 изображена упрощенная блок-схема, которая дает общее представление об архитектуре и основных компонентах компьютера.

Компоненты, представленные на блок-схеме, имеют следующие назначения. Центральный процессор (ЦП) — это электронный модуль, выполняющий в компьютерной системе основную вычислительную работу. Он управляет взаимодействием между всеми блоками и системами компьютера. Именно к ЦП стягиваются все магистрали компьютерной системы. Центральный процессор находится в функциональном центре компьютерной системы, окруженном аппаратными функциональными блоками и подсистемами.

 

Рис.1 Упрощенная блок-схема компьютера.

 

Современные процессоры выполняют сотни миллионов операций в секунду, позволяя компьютеру решать очень сложные задачи за короткие промежутки времени. Технология изготовления процессора — это сгусток всех самых значительных технических усовершенствований, достигнутых специалистами в радиоэлектронной области. Внедрение в микроэлектронику новейших разработок позволило только за последних три года многократно повысить производительность компьютерной системы. Все скоростные характеристики ЦП были бы немыслимы без совершенной технологии производства. Благодаря современным технологиям удалось увеличить степень интеграции (т.е. количество полупроводниковых элементов на поверхности кристалла, составляющего основу микросхемы процессора). В результате этого увеличилась скорость выполнения операций процессора и уменьшилась потребляемая мощность. Вообще говоря, процессор это отдельный модуль компьютерной системы, реализующий определенные вычислительные и обменные процессы. В компьютере может быть несколько процессоров. Одни из них управляют вводом-выводом данных и называются процессорами ввода-вывода. Другие процессоры выполняют вычисления с вещественными числами и называются математическими сопроцессорами. Третьи генерируют изображения на экран дисплея, и называются графическими процессорами. Но в любом персональном компьютере есть процессор, который управляет всей  компыотерной системой, — это центральный процессор.                      Чипсет — так называется комплект микросхем, предназначенный для поддержки в компьютерной системе функциональных возможностей, предоставляемых процессором, оперативной памятью, кэш-памятью, дисковой и видеопамятью и прочими компонентами системы. Чипсет призван объединить различные составные части компьютерной системы. Микросхемы чипсета генерируют большинство сигналов для системных и периферийных компонентов, преобразуют сигналы между шинами, позволяют процессору и оперативной памяти работать с постоянной производительностью. В состав нескольких микросхем, из которых состоят чипсеты, входят узлы, называемые “обрамлением центрального процессора”. Это таймеры, контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти, контроллеры графической шины АGР, последовательного и параллельного портов и прочие устройства, поддерживающие системные процессы в ПК.

 

Контроллеры предназначены для управления доступом из системы к какому-либо из устройств, а также для выполнения соответствующих операций информационного обмена. Каждое внешнее устройство имеет свой контроллер. После получения соответствующих команд от центрального процессора контроллер выполняет операции по обслуживанию внешнего устройства. В ПК широко используются контроллеры, интегрированные (встроенные) на материнские платы. Встроенными, например, являются контроллеры клавиатуры, накопителей на жестких и гибких магнитных дисках, параллельного и последовательного портов, видеосистемы. Внешние контроллеры могут состоять из нескольких микросхем, расположенных на отдельной плате, которая устанавливается в разъем слота расширения. Как видно из схемы на рис. 1, все электронные элементы компьютера постоянно обмениваются информацией друг с другом и взаимосвязаны с помощью шин совокупности линий и микросхем, осуществляющих передачу электрических сигналов определенного функционального назначения между различными компонентами ПК. Совокупность всех шин информационно-вычислительной системы называется системной магистралью. По шинам передаются сигналы трех групп: адресные, управляющие и данные. Соответственно различают следующие шины.

 

· Шина данных. Предназначена для передачи данных между электронными модулями ПК; характеризуется разрядностью, т.е. количеством линий связи в шине.

· Шина адреса. Обеспечивает пересылку кодов адресной информации к ОЗУ или электронным модулям ПК для доступа к ячейкам памяти или к устройствам ввода-вывода. Как и шина данных, характеризуется разрядностью — количеством линий в шине. (Шины, по которым одновременно передаются и данные, и адреса, называются мультиплексируемыми.)

 

• Шина управления. Включает линии, по которым передаются сигналы управления: обмена, запросы на прерывания, передачи управления, синхронизации и т.д.

 

Как указывалось, шины характеризуются разрядностью, т.е. количеством линий, составляющих шину. Другое определение разрядности — количество одновременно передаваемых по линиям шины битов информации. В архитектуре персональных компьютеров чаще всего встречаются 8-, 16-, 32- и 64-разрядные шины.

 

Бывают шины последовательные и параллельные. Последовательная шина состоит из одной линии данных (данные передаются последовательно, бит за битом) и нескольких линий управления и адреса. Параллельная шина состоит из нескольких линий данных, адреса и управления.

 

Количество информации, которое может быть передано по каналу за единицу времени (секунду), называется пропускной способностью шины. Для параллельных шин она измеряется в Кбайт/с или Мбайт/с. Пропускная способность последовательной шины измеряется в Кбит/с. Наивысшую пропускную способность имеют шины центрального процессора и оперативной памяти.

 

Единицы информации

 

Ячейки памяти любого типа компьютера сохраняют информацию в виде двоичных кодов. Это означает, что каждая ячейка может хранить только лишь значения “0” либо “1”, понятные         компьютеру.

 

  В качестве элементарной  единицы информации принят бит-“единица”  или “нуль”, сохраняемые в одной  ячейке памяти. Для представления  обменных процессов, протекающих  между устройствами компьютера, удобно использовать группу из восьми битов — байт. На практике, однако, чаще всего можно встретить кратные единицы—Кбайт (килобайт), Мбайт (мегабайт) и Гбайт (гигабайт). Значения приставок “кило”, “мега” и “гига” здесь немного отличаются от традиционных обозначений тысячи, миллиона и миллиарда. В данном случае “кило” означает 2=  1024, “мега”-2 =1048576, а “гига” -2

=1073741824.   Для характеристики  устройств связи, например, модема, используются информационные единицы  измерения Кбит (килобит) и Мбит (мегабит).

Обмен данными и сообщениями

 

Для пересылки данных между устройствами существует несколько стандартных процедур.

Одним из возможных способов, позволяющих центральному процессору обработать требования устройства на обмен данными с другим устройством или с памятью, является процедура прерывания. Выполнение процедуры прерывания начинается с генерирования каким-либо из устройств, например клавиатурой или накопителем на гибких дисках, сигнала запроса на прерывание IRQ (Interrupt Request). Запрос может поступить также и в том случае, если системой выявлена аварийная ситуация.

 

Каждое из устройств, работающих по прерываниям, имеет собственную линию IRQ запроса на прерывание. Линии IRQ - это физические линии на материнской плате, позволяющие передавать запросы на прерывания от контроллера устройства контроллеру прерываний, которым эти прерывания обрабатываются. Контроллер прерываний при поступлении сигнала IRQ  прерывает работу центрального процессора. Для каждого устройства в контроллере прерываний программируется идентификатор — код, посылаемый после получения запроса на прерывание, в центральный процессор. В соответствии с этим кодом процессор формирует несколько адресов обращения в оперативную память, которые называются вектором прерывания. По адресам векторов прерываний расположены адреса обращений к программам-обработчикам прерываний. Программа-обработчик прерываний реализует ту функцию, потребность в которой вызвало данное прерывание.

 

Если устройство-источник прерываний расположено за пределами материнской платы, то прерывания от него называются внешними аппаратными прерываниями. Если устройство, генерирующее прерывания, находится в пределах материнской платы, то такие прерывания называются внутренними аппаратными. Если источником прерываний является одна из команд выполняемой программы, то такое прерывание обрабатывается непосредственно в центральном процессоре и называется программным прерыванием. Если прерывание является реакцией на ошибки процессора, например деление на нуль, то такие прерывания называются внутренними.

 

Другой способ (отличный от процедуры прерываний), позволяющий устройствам обмениваться данными с оперативной памятью, называется прямым доступом к памяти (Direct Memory Access или DMA). В этом процессе участвует специальный модуль на материнской плате, называемый контроллером DMA, к которому сходятся линии запросов (Direct Request-DRQ) на DMA от периферийных устройств. Этот контроллер блокирует линии управления от процессора, и сам генерирует сигналы, необходимые для обмена данными между оперативной памятью и устройством. Таким образом, между оперативной памятью и устройством происходит быстрое “перекачивание” данных. В силу целого ряда ограничений, присущих процедуре DMA, в “чистом” виде этот способ  обмена не используется.

 

Системные компоненты ПК

 

Персональный компьютер содержит множество электронных элементов, которые объединяются в более крупные компоненты, — модули, узлы, цепи, схемы, блоки и т.д. Если из всего этого разнообразия электронных компонентов изъять хотя бы один, то вся информационно-вычислительная компьютерная система перестанет работать.

Вместе с тем, важность выполняемой различными электронными узлами работы для ПК неравнозначна. Одни устройства, например центральный процессор или оперативная память, принимают участие практически во всех без исключения действиях выполняемых ПК. Другие устройства, например контроллеры периферийных устройств, менее активны.

 

 Центральный процессор (СРU, Central Processing Unit) — это основной электронный  модуль на материнской плате, который выполняет вычислительную работу, управляет обменом данными с оперативной памятью и устройствами ввода-вывода. Центральный процессор (ЦП), являясь аппаратным центром информационно-вычислительной системы, отвечает за характеристики производительности ПК.

 

Центральный процессор работает циклически и упрощенно  его работу можно описать следующим образом. В  начале очередного цикла процессор считывает из оперативной памяти команду, расшифровывает ее и реализует указанные в ней действия. Например, считывает из памяти два числа, расположенные в памяти по определенным адресам, указанным в выполняемой команде, суммирует их и результат записывает в заданную ячейку памяти. После этого цикл повторяется: считывается

очередная команда (или команда, адрес которой указан в предыдущей команде), выполняются указанные в ней действия и т.д.

 

Центральный процессор оперирует целочисленными данными. Если необходимо выполнить вычисления  с более высокой степенью точности, в работу включается встроенный в ЦП узел математического сопроцессора. Математический сопроцессор  (или блок обработки чисел с плавающей точкой) позволяет работать с очень большими или очень маленькими числами. Для удобства работы с такими числами они представлены