62044 (Архитектура персональных компьютеров)

Введение

Распространение персональных компьютеров к концу 70-х го­дов привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и мини ЭВМ.Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IBM (International Bussines Machines Corporation) - ведущей компа­нии по производству больших ЭВМ,и в 1979 году фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров.

Однако руководство фирмы недооценило будущую важность этого рынка и рассматривало создание компьютера всего лишь как мелкий эксперимент - что-то вроде одной из десятков проводив­шихся в фирме работ по созданию нового оборудования.Чтобы не тратить на этот эксперимент слишком много денег,руководство фирмы предоставило подразделению ,ответственному за данный проект,невиданную в фирме свободу.В частности,ему было разре­шено не конструировать персональный компьютер "с нуля",а использовать блоки,изготовленные другими фирмами.И это подраз­деление сполна использовало предоставленный шанс.

Прежде всего,в качестве основного микропроцессора компь­ютера был выбран новейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intel-8088.Его использование позволило значительно увеличить потенциальные возможности компьютера,так как новый микропро­цессор позволял работать с 1 Мбайтом памяти,а все имевшиеся тогда компьютеры были ограничены 64 Кбайтами.В компьютере были использованы и другие комплектующие различных фирм,а его прог­раммное обеспечение было поручено разработать небольшой фирме Microsoft.

В августе 1981 года новый компьютер под названием IBM PC был официально представлен публике и вскоре после этого он приобрел большую популярность у пользователей.Через один-два года компьютер IBM PC занял ведущее место на рынке,вытеснив модели 8-битовых компьютеров.Фактически IBM PC стал стандартом персонального компьютера.Сейчас такие компьютеры ("совместимые с IBM PC") составляют около 90% всех производимых в мире персональных компьютеров.

ОСНОВНЫЕ БЛОКИ IBM PC

Обычно персональные компьютеры IBM PC состоят из трех частей (блоков) :

# системного блока;

# клавиатуры,позволяющей вводить символы в компьютер;

# монитора (или дисплея) - для изображения текстовой и

графической информации.

Компьютеры выпускаются и в портативном варианте - в "на­коленном" (лэптор) или "блокнотом" (ноутбук) исполнении.Здесь системный блок,монитор и клавиатура заключены в один кор­пус:системный блок спрятан под клавиатурой,а монитор сделан как крышка к клавиатуре.

Хотя из этих частей компьютера системный блок выглядит наименее эффектно,именно он является в компьютере "главным".В нем располагаются все основные узлы компьютера:

# электронные схемы,управляющие работой компьютера (мик­ропроцессор,оперативная память,контроллеры устройства и т.д.);

# блок питания,преобразующий электропитание сети в посто­янный ток низкого напряжения,подаваемый на электронные схемы компьютера;

# накопители (или дисководы) для гибких магнитных

дисков,используемые для чтения и записи на гибкие маг­нитные диски (дискеты);

# накопитель на жестом магнитном диске,предназначенный для чтения и записи на несъемный жесткий магнитный диск (винчестер).

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

К системному блоку компьютера IBM PC можно подключать различные устройства ввода-вывода информации,расширяя тем са­мым его функциональные возможности.Многие устройства подсоеди­няются через специальные гнезда (разъемы),находящиеся обычно на задней стенке системного блока компьютера.Кроме монитора и клавиатуры,такими устройствами являются:

# принтер - для вывода на печать текстовой и графической

информации;

# мышь - устройство,облегчающее ввод информации в компь­ютер;

# джойстик - манипулятор в виде укрепленной на шарнире

ручки с кнопкой,употребляется в основном

для компьютерных игр;

# а также другие устройства.

Некоторые устройства могут вставляться внутрь системного блока компьютера,например:

# модем - для обмена информацией с другими компьютерами

через телефонную сеть;

# факс-модем - сочетает возможность модема и телефакса;

# стример - для хранения данных на магнитной ленте.

Некоторые устройства,например,многие разновидности скане­ров (приборов для ввода рисунков и текстов в компь­ютер),используют смешанный способ подключения:в системный блок компьютера вставляется только электронная плата (контрол­лер),управляющая работой устройства,а само устройство подсое­диняется к этой плате кабелем.

ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРА

МИКРОПРОЦЕССОР.Самым главным элементом в компьютере,его "мозгом",является микропоцессор - небольшая (в несколько сан­тиметров) электронная схема,выполняющая все вычисления и обра­ботку информации.Микропроцессор умеет производить сотни раз­личных операций и делает это со скоростью в несколько десятков или даже сотен миллионов операций в секунду.В компьютерах типа IBM PC используются микропроцессоры фирмы Intel,а также сов­местимые с ними микропроцессоры других фирм (AMD,Cyrix,IBM и др.).

СОПРОЦЕССОР.В тех случаях,когда на компьютере приходится выполнять много математических вычислений (например,в инженер­ных расчетах),к основному микропроцессору добавляют математи­ческий сопроцессор.Он помогает основному микропроцессору вы­полнять математические операции над вещественными числами.Но­вейшие микропроцессоры фирмы Intel (80486 и Pentium) сами уме­ют выполнять операции над вещественными числами,так что для них сопроцессоры не требуются.

ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ.Следующим очень важным элементом компьютера является оперативная память.Именно из нее процессор и сопроцессор берут программы и исходные данные для обработ­ки,в нее они записывают полученные результаты.Название "опера­тивная" эта память получила потому,что она работает очень быстро,так что процессору не приходится ждать при чтении дан­ных из памяти или записи в память.Однако содержащиеся в ней данные сохраняются только пока компьютер включен,при выключе­нии компьютера содержимое оперативной памяти стирается (за исключением,о которых говорится ниже).

КОНТРОЛЛЕРЫ И ШИНА.Чтобы компьютер мог работать,необходи­мо,чтобы в его оперативной памяти находились программа и дан­ные.А попадают они туда из различных устройств компьютера - клавиатуры,дисководов для магнитных дисков и т.д.Обычно эти устройства называют внешними,хотя некоторые из них могут нахо­диться не снаружи компьютера,а встраиваться внутрь системного блока,как это описывалось выше.Результаты выполнения программ выводятся на внешние устройства - монитор,диски,принтер и т.д.

Таким образом,для работы компьютера необходим обмен ин­формацией между оперативной памятью и внешними устройства­ми.Такой обмен называется вводом-выводом.Но этот обмен не про­исходит непосредственно:между любым внешним устройством и опе­ративной памятью в компьютере имеются целых два промежуточных звена :

1.Для каждого внешнего устройства в компьютере имеется электронная схема,которая им управляет. Эта схема называется контроллером,или адаптером.Некоторые контроллеры (напри­мер,контроллер дисков) могут управлять сразу несколькими уст­ройствами.

2.Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с микропро­цессором и оперативной памятью через системную магистраль пе­редачи данных,которую в просторечии обычно называют шиной.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПЛАТЫ.Для упрощения подключения устройств электронные схемы IBM PC состоят из нескольких модулей - электронных плат.На основной плате компьютера - системной,или материнской,плате - обычно располагаются основной микропро­цессор,сопроцессор,оперативная память и шина.Схемы,управляющие внешними устройствами компьютера (контроллеры или адапте­ры),находятся на отдельных платах,вставляющихся в унифициро­ванные разъемы (слоты) на материнской плате.Через эти разъемы контроллеры устройств подключаются непосредственно к системной магистрали передачи данных в компьютере - шине.Таким обра­зом,наличие свободных разъемов шины обеспечивает возможность добавления к компьютеру новых устройств.Чтобы заменить одно устройство другим (например,устаревший адаптер монитора на но­вый),надо просто вынуть соответствующую плату из разъема и вставить вместо нее другую.Несколько сложнее осуществляется замена самой материнской платы.

БЛОК - СХЕМА._{На блок-схеме контроллер клавиатуры обы}ч_{но находится на системной плате,поскольку это упрощает изготовление компьютера.Иногда на системной плате размещаются и контроллеры других устройств.}

_{КОНТРОЛЛЕРЫ ПОРТОВ ВВОДА - ВЫВОДА.Одним из контроллеров , которые присутствуют почти в каждом компьютере,является контроллер портов ввода-вывода.Эти порты бывают следующих типов:}

_{# параллельные (обозначаемые LPT1-LPT4),к ним обыкновенно}

_{подключаются принтеры;}

_{# асинхронные последовательные (обозначаемые СОМ1-СОМ3).}

_{Через них обычно подсоединяются мышь,модем и т.д.}

_{# игровой порт - для подключения джойстика.}

_{Некоторые устройства могут подключаться и к}

_{параллельным,и к последовательным портам.Параллельные порты}

_{выполняют ввод и вывод с большей скоростью,чем}

_{последовательные (за счет использования большего числа}

_{проводов в кабеле).}

_{МИКРОПРОЦЕССОР}

_{Микропроцессор является "мозгом" компьютера. Он}

_{осуществляет выполнение программ,работающих на компьютере,и}

_{управляет работой остальных устройств компьютера.Скорость его}

_{работы во многом определяет быстродействие компьютера.В IBM PC}

_{используются микропроцессоры,разработанные фирмой Intel,а}

_{иногда - совместимые с ними микропроцессоры других фирм.}

_{ХАРАКТЕРИСТИКИ МИКРОПРОЦЕССОРОВ.Микропроцессоры отлича­ются друг от друга двумя характеристиками:типом (моделью) и тактовой частотой.Наиболее распространены модели Intel - 8088, 80286,80386SX,80386,80486 и Pentium, они приведены в порядке возрастания производительности и цены.Одинаковые модели мик­ропроцессоров могут иметь разную тактовую частоту- чем выше тактовая частота,тем выше производительность и цена микропро­цессора.}

ТАКТОВАЯ ЧАСТОТА указывает,сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет в одну секунду.Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц).Следует заметить,что разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции (например,сложение или умножение) за разное число тактов.Чем выше модель микропроцессора,тем,как правило,меньше тактов тре­буется для выполнения одних и тех же операций.Поэтому,напри­мер,микропроцессор Intel-80386 работает раза в два быстрее Intel-80286 с такой же тактовой частотой.

МОДЕЛИ МИКРОПРОЦЕССОРОВ.Исходный вариант компьютера IBM PC и модель IBM PC ХТ использовали микропроцессор Intel-8088.В начале 80-х годов эти микропроцессоры выпускались с тактовой частотой 4,77 МГц,затем были созданы модели с тактовой часто­той 12 МГц (т.е. новые модели работают в 1,7-2,1 раза быст­рее).Модели с увеличенной производительностью (тактовой часто­той) иногда называются Turbo-ХТ.Сейчас микропроцессоры типа Intel-8088 производятся в небольших количества,и для использо­вания не в компьютерах,а в различных специализированных уст­ройствах.

Модель IBM PC АТ использует более мощный микропроцессор Intel-80286,и ее производительность приблизительно в 4-5 раз больше,чем у IBM PC ХТ.Исходные варианты IBM PC АТ работали на микропроцессорах с тактовой частотой 6 МГц,затем были созданы модели этого микропроцессора с тактовой частотой от 12 до 25 МГц,т.е. работающие в 2-3 раза быстрее.Микропроцессор Intel-80286 имеет несколько больше возможностей по сравнению с Intel-8088,но эти дополнительные возможности используются с Intel-8088,но эти дополнительные возможности используются очень редко,так что большинство программ,работающих на АТ,бу­дет работать и на ХТ.Сейчас микропроцессоры типа Intel-80286 также считаются устаревшими и для применения в компьютерах не производятся.

ВЫБОР ТИПА МИКРОПРОЦЕССОРА.Быстродействие основного мик­ропроцессора во многом определяет скорость работы всего компь­ютера и,тем самым,диапозон применения компьютера:

# компьютеры на основе микропроцессоров Intel-8088 (или

Intel-8086) работают очень медленно, они уже полностью устарели и почти полностью вышли из употребления;

# компьютеры на основе микропроцессора Intel-80286 обеспечивают необходимое быстродействие для набора тек­стов,ввода исходных данных для бухгалтерских и аналоги­чных задач,многих компьютерных игр и т.д. Однако новые компьютеры такого класса уже не выпускаются (поскольку считаются морально устаревшими) , а покупать их вряд ли целесообразно даже по бросовым ценам,так как для работы с большинством современных программ с графическим интер-

фейсом ( например , с программами,выполняемыми в среде

Windows) они практически не пригодны;

# компьютеры на основе микропроцессоров Intel - 80386SX и

DX,Intel-80486SX обеспечивают приемлемую вычислительную мощность для большинства рабочих мест под управлением как DOS,так и Windows:для программирования,работы с не очень большими базами данных , макетирования (верстки) несложных изданий и т.д. Однако для комфортной работы в среде Windows лучше приобрести более мощный компьютер;