2.3 Архитектура современного персонального компьютера
2.3.1 Архитектура компьютера - это его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.
Различают внешнюю архитектуру ЭВМ – это то, что видит пользователь, и внутреннюю – это то, из чего состоит машина и на чем основано накопление, обработка и передача информации внутри ЭВМ и между компьютерами.
Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.
2.3.2 Описание архитектуры ЭВМ выполняется в терминах вычислительных систем.
Вычислительная система (ВС) — это программно-аппаратный комплекс, который предоставляет услуги пользователю.
Структуру вычислительной системы можно представить в виде пирамиды:
Прикладные программы Системы программирования Управление логическими устройствами Управление физическими устройствами
Аппаратные средства
Аппаратные средства ВС, то есть, характеристики микросхем, разделяются на два типа:
не участвующие в управлении программой (например, объем жесткого диска компьютера);
участвующие в управлении программой (например, размер ячейки памяти, объем оперативной памяти, скорость выполнения команд).
Ресурсы второго типа называются физическими ресурсами аппаратуры.
Управление физическими устройствами осуществляют программы, ориентированные на аппаратуру, взаимодействующие с аппаратными структурами, знающие "язык" аппаратуры.
Уровень управления логическими устройствами ориентирован на пользователя. Команды данного уровня не зависят от физических устройств, они обращены к предыдущему уровню. На базе этого уровня могут создаваться новые логические ресурсы (например, на одном физическом жестком диске может быть несколько логических дисков – но с точки зрения пользователя, работа с ними ничем не отличается от работы с несколькими физическими устройствами).
Система программирования — это комплекс программ для поддержки всего технологического цикла разработки программного обеспечения.
Прикладное программное обеспечение необходимо для решения задач из конкретных предметных областей.
2.3.3 Внешняя архитектура IPM PC-совместимого компьютера обычно складывается из следующих элементов:
системный блок;
монитор (дисплей);
внешние устройства ввода - клавиатура, манипулятор «мышь» и др.
К компьютеру могут подключаться и другие устройства: модемы, принтеры, сканеры и т.п. Ниже мы рассмотрим устройство персонального компьютера более подробно.
Системный блок — это центральная часть компьютера. Он не является единым целым, но в нем находится целый ряд взаимосвязанных устройств. Те из них, которые необходимы для функционирования компьютера и составляют его ядро, называются комплектующими. Классическая схема устройства системного блока приведена на рис. 2.1
╔═══════════════════════════════════════════════════════════════════╗
║ С И С Т Е М Н Ы Й Б Л О К К О М П Ь Ю Т Е Р А ║
║╔═══════════════════════════════════════════════════╗ ║
║║ Системная (материнская) плата ║ ║
║║ ┌───────────╖ ┌────────────╖ ┌───────────╖ ║ ║
║║ │Сопроцессор╟─┤ ║ │Контроллер ╟───────╫──────────────╫─┐
║║ ╘════╤══════╝ │Оперативная ║ │клавиатуры ║ ║ ║ │
║║ ┌────┴──────╖ │ память ║ ╘════╤══════╝ ║ ║ │
║║ │ Процессор ╟─┤ ║ │ ║ ┌───────────╖║ │
║║ ╘════╤══════╝ ╘════╤═══════╝ │ ║ │ Жесткий ║║ │
║║ ┌────┴─────────────┴───────────────┴──────╖ ┌─────╫─┤ диск ║║ │
║║ │ Системная магистраль данных (шина) ║ │ ║ │(винчестер)║║ │
║║ ╘═╤══════════╤═════════════╤═════════╤════╝ │ ║ ╘═══════════╝║ │
║║ │ │ │ │ │ ║ ║ │
║║ │ │ │ │ │ ║ ┌───────────╖║ │
║║ ┌─┴──────╖ ┌─┴─────────╖ ┌─┴─────╖ ┌─┴──────┴─╖ ║ │ Дисководы ║║ │
║║ │Адаптер ║ │Контроллеры║ │Адаптер║ │Контроллер║───╫─┤для гибких ║║ │
║║ │монитора║ │ устройств ║ │портов ║ │ дисков ║ ║ │ дисков ║║ │
║║ ╘═╤══════╝ ╘═╤═════════╝ ╘═════╤═╝ ╘══════════╝ ║ ╘═══════════╝║ │
║╚═══╪══════════╪═════════════════╪══════════════════╝ ║ │
╚════╪══════════╪═════════════════╪═════════════════════════════════╝ │
┌─┴──────╖ ┌─┴────────────╖┌───┴───────────────────╖ ┌──────────╖ │
│Монитор ║ │Доп.устройства║│Устройства,подключаемые║ │Клавиатура╟──┘
│ ║ │ (сканер, ║│ через порты (мышь, ║ ╘══════════╝
╘════════╝ │ модем и т.п.)║│ принтер,джойстик) ║
╘══════════════╝╘═══════════════════════╝
Рис. 2.2 Системный блок компьютера
Основным элементом системного блока является системная (материнская) плата, на которой смонтированы все важнейшие микросхемы. На нее устанавливаются процессор, оперативная память, а также платы (карты) расширения, служащие для подключения всех остальных устройств. Материнские платы различаются по типу процессоров, которые могут на них устанавливаться, и по имени фирмы, их выпускающей. Обычно материнские платы рассчитаны на большое разнообразие процессоров. Они содержат на себе специальные перемычки — джамперы, позволяющие подстроить материнскую плату под тип процессора и других устанавливаемых на ней устройств.
Важнейшая часть материнской платы — это центральный процессор — микросхема, в которой происходит собственно исполнение программ компьютером. Процессор находится внутри системного блока и установлен на материнской плате.
До появления процессоров Pentium поколения процессоров назывались просто: 8088, 80286, 80386, 80486. Сейчас эти «цифровые» варианты уже отходят. Используемые в современных ПК процессоры выпускаются, в основном, тремя фирмами: Intel, AMD и Cyrix (процессоры под маркой IBM по основным показателям аналогичны Cyrix). Ряд процессоров обладает расширением ММХ (MultiMedia eXtention: расширение мультимедиа). Данное расширение существенно ускоряет работу с мультимедийными средствами при наличии достаточно нового программного обеспечения.
В 1995 году фирмой Intel был создан процессор Pentium Pro, положивший начало новому семейству процессоров — Р6. Кроме Pentium Pro Intel выпускает процессор Pentium II (также называемый Klamath), в котором имеется ММХ.
В старых процессорах (до 386) для выполнения операций с вещественными числами устанавливалась дополнительная микросхема – сопроцессор. В современные процессоры возможности сопроцессора встроены.
Операции, производимые процессором, не являются непрерывными. Они разделены на элементы — такты. Количество тактов, производимых процессором за секунду, определяет тактовую частоту процессора, которая измеряется в мегагерцах (МГц) Таким образом, основной характеристикой процессора является его тактовая частота
Кроме процессора, на материнской плате устанавливаются гнезда для дополнительных устройств. Они называются слотами расширения или просто слотами. Виды слотов различаются по типу шины — схемы, обеспечивающей передачу данных между процессором и картами расширения. Данные могут передаваться между внешними устройствами и процессором, оперативной памятью и процессором, внешними устройствами и оперативной памятью или между устройствами ввода-вывода. Максимальное количество одновременно передаваемых бит информации определяет разрядность шины. На сегодняшний день существуют 16-, 32- и 64-разрядные шины. Естественно, чем выше разрядность шины, тем больше информации она может передавать в единицу времени. Информация передается по шине в виде импульсов электрического тока. Шина работает не непрерывно, а циклами. Количество циклов срабатывания шины в единицу времени называется ее частотой. Частота шины измеряется в герцах (Гц). При обслуживании оперативной памяти перед шиной встает две задачи: поиск нужного участка памяти и обмен информацией с найденным участком. Эти задачи решают две части системной шины: адресная шина и шина данных.
Кратко опишем распространенные типы шинной архитектуры.
Шина ISA (8- и 16-разрядная) — стандарт со времен появления компьютеров PC AT — есть на всех материнских платах, но она устарела и для большинства современных целей недостаточна. Эта шина имеет частоту, близкую к 8 МГц. Такая частота не позволяет получить удовлетворительное качество графических изображений. Поэтому дополнительно к системной были созданы локальные шины, которые первоначально предназначались только для обслуживания монитора. В дальнейшем им поручили обслуживать и некоторые другие устройства. Наиболее популярной в настоящее время является локальная шина PCI. Она имеет 32- или 64-битовую разрядность и обеспечивает частоту до 66 МГц.
Разъемы, через которые компьютер обменивается данными с внешними устройствами (принтер, "мышь" и т.д.) называют портами. Порты находятся на задней панели системного блока. Порты общего назначения бывают двух видов: параллельные (обозначаемые LPT1, LPT2 и т.д.) и последовательные обозначаемые (COM1, COM2 и т.д.). Параллельные порты выполняют ввод и вывод с большей скоростью, чем последовательные. Через параллельный порт LPT1 к системе обычно подключен принтер, через последовательные порты COM1, COM2 – «мышь» и модем.
Карта расширения, обеспечивающая работу какого-либо устройства, называется контроллером (адаптером). Контроллер предназначен для независимого от процессора управления отдельными процессами в работе ПК. В современные материнские платы некоторые контроллеры, как правило, встроены (в частности, контроллеры дисководов и коммуникационных портов). Для IBM-совместимых персональных компьютеров важнейшим является DMА-контроллер (Direct Memory Access), обеспечивающий прямой доступ к оперативной памяти. Когда требуется переписать информацию с диска в память или наоборот, то это мог бы сделать процессор. Для этого он должен запустить шину, выбрать несколько байт информации, поместить в свою внутреннюю память, снова запустить шину, и затем эту информацию поместить в устройство, обслуживающее диск. За счет потери этого времени будет замедлен процесс исполнения программ. DMA-контроллер может выполнить все эти операции, не загружая процессор и системную шину. Выполнение программы и пересылка информации будут идти одновременно.
2.3.4 Память компьютера предназначена для хранения в ней данных и исполняемых программ. Основными характеристиками памяти являются объем и время доступа. Кроме того, важной характеристикой памяти служит плотность записи информации. Объем машинной памяти (в байтах) определяется максимальным количеством информации, которая может быть помещена в эту память. Время доступа к памяти (в секундах) представляет собой минимальное время, достаточное для размещения в памяти единицы информации. Плотность записи информации (бит/см2) представляет собой количество информации, записанной на единице поверхности носителя.
Оперативная память (RAM — random access memory, ОЗУ — оперативное запоминающее устройство) содержит команды и данные, с которыми в данный момент работает процессор. От размера оперативной памяти существенно зависит скорость компьютера, особенно если он работает под управлением современного программного обеспечения. Типичный современный компьютер имеет 32, 64, 128, 256 или 512 мегабайт оперативной памяти. От количества оперативной памяти напрямую зависит, с какими программами может работать данный ПК. При недостаточном количестве оперативной памяти многие программы либо совсем не будут работать, либо станут работать крайне медленно.
Оперативная память энергозависима. Это означает, что при выключении электропитания информация, помещенная в оперативную память, исчезает безвозвратно (за некоторыми исключениями, о которых говорится ниже).
Подробнее о структуре и распределении оперативной памяти будет рассказано в разделах 3 и 4.
Для ускорения доступа к оперативной памяти на быстродействующих компьютерах используется специальная сверхбыстродействующая кэш-память, которая располагается как бы «между» микропроцессором и оперативной памятью и хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. При обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Так как время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные уже содержатся в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается.
В персональном компьютере имеется также и постоянная память, в которую данные занесены при ее изготовлении. Как правило, эти данные не могут быть изменены, выполняемые на компьютере программы могут только их считывать. Такой вид памяти обычно называется ROM (read only memory - память только для чтения), или ПЗУ (постоянное запоминающее устройство). В постоянной памяти хранятся программы для проверки оборудования компьютера, инициирования загрузки операционной системы и выполнения базовых функций по обслуживанию устройств компьютера. Поскольку большая часть этих программ связана с обслуживанием ввода-вывода, часто содержимое постоянной памяти называется BIOS (Basic Input-Output System, или базовая система ввода-вывода). В BIOS содержится также программа настройки конфигурации компьютера (Setup). Она позволяет установить некоторые характеристики устройств компьютера – например, подключенных к системе жестких дисков. Эту программу можно вызвать на начальном этапе загрузки непосредственно после включения питания (обычно нажатием клавиши Delete).
Кроме обычной оперативной памяти и постоянной памяти в компьютере имеется также небольшой участок полупостоянной памяти для хранения параметров конфигурации компьютера. Его часто называют CMOS-памятью, так эта память обычно выполняется по технологии, называемой CMOS (complementary metal-oxide semiconductor), обладающей низким энергопотреблением. Содержимое этой памяти не изменяется при выключении электропитания компьютера, так как для него используется специальный аккумулятор.
Еще один вид памяти ПК — это видеопамять, т.е. память, используемая для хранения изображения, выводимого на экран монитора. О ней будет рассказано ниже.
2.3.5 Дисковая подсистема. Устройства, используемые для поповседневного хранения и считывания данных, называют дисковой подсистемой компьютера. Традиционно к ним относят флоппи-дисководы и жесткие диски.
Флоппи-дисководы предназначены для работы с гибкими дисками - дискетами. Они являются «ветеранами» среди дисковых устройств, так как ими комплектовались первые модели IBM PC. С тех пор дисководы существенно изменились и, несмотря на увеличившуюся емкость, перестали быть основным средством хранения данных и программ. По сравнению с другими средствами хранения они обладают весьма малой емкостью и надежностью, поэтому используются в основном для переноса данных с жесткого диска одного компьютера на жесткий диск другого. Дискеты бывают трехдюймовые (5,25" или 131 мм) и пятидюймовые (3,5" или 89 мм), причем для каждого из этих типов необходим особый дисковод. Все современные дискеты и дисководы являются двусторонними, высокой плотности (маркировка - Double Sided High Density, DS/HD). Около 10 лет назад была распространена двойная плотность (Double Density, DD), но она уже устарела. Емкость современных пятидюймовых дискет — 1,2 мегабайта, трехдюймовых — 1,44 мегабайта. Пятидюймовые дискеты более надежны. Однако они уже практически не используются, так как трехдюймовые существенно удобнее в транспортировке — они компактнее и их труднее механически повредить из-за жесткого корпуса. Стандартом для современного компьютера является наличие одного трехдюймового дисковода.
Характеристики плотности записи для трехдюймовых дискет приведены в таблице 2.1
Таблица 2.1 Характеристики плотности записи
Характеристики плотности записи
|
одинарная
|
двойная
|
учетверенная
|
Дорожек на стороне
|
20
|
40
|
80
|
Дорожек на дюйм
|
24
|
48
|
96
|
Обозначение
|
SD
|
DD
|
HD
|
Основные форматы дискет приведены в таблице 2.2
Таблица 2.2 Основные форматы дискет
Емкость, Кб
|
Диаметр, дюймов
|
Плотность записи
|
Число сторон
|
Число дорожек
|
Число секторов
|
Код формата
|
360
|
5,25
|
DD
|
2
|
40
|
9
|
F0
|
1200
|
5,25
|
HD
|
2
|
80
|
15
|
F9
|
1440
|
3,5
|
HD
|
2
|
80
|
18
|
F0
|
|
