Конспект лекций МТ11

26

МГТУ имени Н.Э.Баумана

Кафедра "Электронные технологии в машиностроении"

Беликов А.И.

Расширенный конспект лекций по курсу "Введение в специальность"

"УСТРОЙСТВО ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА", редакция 2004/1

1. Структурная схема персонального компьютера. Концепция "открытой архитектуры"

Базовые составляющие персонального компьютера

Персональный компьютер (
ПК) является совокупностью взаимосвязанных программно-аппаратных средств, служащих достижению основной цели – решению задач пользователя путем выполнения рабочих (пользовательских) программ. Структурная схема ПК представлена на рис.1. Сердцем и основным элементом, выполняющим обработку информации и задающим ритм работы для всех компонент системы, является микропроцессор (1), умом – программное обеспечение (5), которое разрабатывают как коллективы программистов (операционные системы (ОС), прикладные программы и т.п.), так и отдельные профессионалы (узкоспециализированные программы). Для того чтобы значительно ускорить выполнение определенных математических операций и разгрузить от них микропроцессор был создан математический сопроцессор (2), который с некоторых пор перестал существовать как отдельное устройство и стал неотъемлемой частью основного микропроцессора. Память (3) используется как для хранения программ и данных в процессе их выполнения, так и для размещения служебной информации, необходимой для работы микропроцессора при выполнении команд. Устройства ввода-вывода (4) своего рода "глаза" и "уши" компьютера, обращенные к пользователю и чутко прислушивающиеся к его командам, представляют собой устройства, необходимые как для ввода и постоянного хранения информации и данных, так и для вывода результатов в понятной пользователю форме. Диски, или дисковая подсистема – это устройства, предназначенные для длительного хранения и перемещения информации, и выделены они особо потому, что играют важную роль в процессе функционирования компьютера. Без всех названных компонент (кроме, наверное, поз.2) ПК не может существовать как система, предназначенная для решения задач пользователя.

История вычислительной техники ведет отсчет с начала ХIХ века. Первая вычислительная машина содержала арифметико-логическое устройство, память и систему ввода и вывода информации. Но это «чудо техники» не было опробовано в действии. И только в 30-е годы ХХ века появились первые машины на основе релейных компонентов, отличающиеся сложностью соединений контактных групп реле и минимумом возможностей.

Первая электронная вычислительная машина (ЭВМ) на основе таких электронных компонентов, как вакуумная электронная лампа, появилась в 1945 году. Ее создателем считается Джон фон Нейман. Именно он предложил использовать двоичную систему исчисления и сформулировал определение "памяти" машины, хранящей как данные, так и информацию для их переработки. Первая ЭВМ имела несколько регистров, каждый из которых имел около тридцати двух разрядов, память на триста чисел и состояла из шестнадцати тысяч ламп.

Когда в 60-х годах на смену лампам пришли более компактные элементы – полупроводники, появилась возможность использовать их в качестве низкоэнергоемкой основы электронных схем ЭВМ, что привело к более экономному потреблению электроэнергии вычислительной машиной.

70-е годы стали эпохой интегральных схем (малой и средней степени интеграции), что привело к появлению малых вычислительных машин. А в 1974 году была выпущена машина LSI-11 – первый персональный компьютер (LSI-11 включала в себя дисковод и дисплей).

Начало 80-х ознаменовалось серийным выпуском машин типа IBM PC (IВМ Реrsonal Соmputer – по названию фирмы IBM), архитектуры PC/XT (eXtended Technology) и PC/AT (Advanced Technology).

Концепция открытой архитектуры

До появления IBM PC все модели микрокомпьютеров имели закрытую архитектуру. Это означало, что аппаратные средства компьютера оставались для конечного пользователя "вещью в себе": любая их модификация с целью улучшения требовала достаточно высокой специальной квалификации в области электроники. Совершенствование микрокомпьютера оставалось уделом профессионалов-разработчиков, а пользователям приходилось довольствоваться тем, что они приобретали. С того момента, когда на корпусе микрокомпьютера при его сборке был завернут последний винт, электронная система была обречена на необратимое старение. Безусловно, это не означало кризисного положения в производстве ПК, но спрос на них (и, соответственно, объем производства и сбыта) был весьма невелик, а производительность не могла быть даже сравнима с профессиональными мини-ЭВМ. Именно поэтому первоначально их чаще называли "домашними", а не "персональными". Фирма IВМ произвела в этой области настоящий переворот. Так как еще до появления ее первого ПК фирма IВМ была производителем больших вычислительных систем и мини-ЭВМ, она просто перенесла модульный принцип их построения в структуру ПК. Именно в этом варианте открытая архитектура ПК допускает замену устаревших устройств на более современные, при их старении. Это качество поддерживается строго соблюдаемым правилом, выработанным производителями аппаратных и программных средств: все новые устройства и программы должны быть совместимыми по принципу "сверху – вниз", то есть последующие версии должны обслуживать все ранее существовавшее.

Например: пользователь приобрел ПК с монохромным (одноцветным) монитором и таким же видеоконтроллером (устройством, которое управляет монитором). Через 1-2 года на рынке появился цветной контроллер. Даже неспециалист в состоянии извлечь из системы устаревшее устройство и заменить его новым. Еще через 2 года появился улучшенный цветной графический контроллер. Пользователь вновь заменяет лишь один из компонентов ПК и так далее. Преимущества подобного подхода очевидны: во-первых, нет необходимости в замене системы в целом, если возможно ее обновление "по частям". Во вторых, совершенствование ПК становится уделом самого пользователя, который вследствие своей близости к конкретному применению ПК лучше представляет себе, что требуется от системы, а в-третьих, процесс модернизации сводится к замене не отдельного элемента, а устройства в целом, что можно делать намного быстрее.

Именно вследствие удачного конструктивного решения через короткий срок после рождения IВМ РС началось лавинообразное нарастание производства ПК, совместимых с оригинальной моделью. Достаточно сказать, что производитель прежде весьма популярных микрокомпьютеров TRS-80 – фирма Таndу Corporation – достаточно быстро освоила производство IВМ-совместимых ПК, эффективно переориентировав свое производство. Модели ПК выпускаются и другими фирмами. Как правило, они полностью совместимы с соответствующими моделями IВМ, но стоят дешевле (иногда весьма значительно). Это семейство микрокомпьютеров получило название "клона" IВМ. Так как сам по себе принцип открытой архитектуры не был запатентован, то вследствие "клонирования" ПК сторонними производителями фирма IВМ начала быстро утрачивать монополию на контроль рынка ПК и терять доходы. Только тогда специалисты IВМ поняли, насколько замечательное решение они предложили. Можно сказать, что в этом отношении фирма сработала частично против себя, но от этого выиграли потребители. Любая из моделей "клона" оказывалась в конечном счете лучше своего прототипа (по быстродействию, дизайну и т.д.), то есть IВМ как бы инициировала процесс разработки очередного ПК, а затем другие производители всесторонне совершенствовали каждую из моделей. Неудивительно, что к настоящему моменту IВМ, имея в руках весь арсенал сверхсовременных технологий, является хоть и самым крупным, но не самым популярным производителем ПК своей собственной архитектуры; и совсем не ее модели занимают первые места в рейтинге ПК.

Основные компоненты ПК типа IBM PC

Составляющие элементы базовой конфигурации ПК, как самодостаточной электронной системы размещаются в следующих основных блоках.

1. Системный блок представляет собой корпус, содержащий центральную (системную) плату (называемую в обиходе "материнской"), на которой и размещаются основные устройства. В их числе – микропроцессор, память, устройства сопряжения (контроллеры) с дисками, клавиатурой и другими. На системную плату также устанавливаются: устройство вывода видеоданных на монитор (видеоадаптер или "видеокарта"), средства подключения компьютера к сети (сетевая карта) и другие. В системном блоке размещаются и подключаются к соответствующим контроллерам центральной платы дисковые накопители.

2. Клавиатура (устройство ввода символьной информации и команд), подключаемая к контроллеру клавиатуры системной платы.

3. Монитор (устройство для вывода видеоизображения на экран), подключаемый к видеоконтроллеру специальным кабелем.

4. Мышь (устройство-манипулятор, служащий для указания и ориентации на графическом поле экрана), присоединяемую к универсальному последовательному (COM) или специальному (PS/2) порту (на центральной плате), передача информации, по которому осуществляется последовательными электрическими импульсами.

5. Принтер (независимое устройство для вывода информации путем печати на бумажные носители) подключается к специальному принтерному порту (LPT) центральной платы, но возможно и через другие информационные тракты.

Вариантность конфигураций ПК.

Аппаратная конфигурация ПК есть набор необходимых и достаточных электронных компонентов, составляющих систему для решения определенных задач пользователя. Различные конфигурации могут сопоставляться по следующим критериям:

1. Типу микропроцессора (тактовая частота, выражаемая в мега- или гигагерцах – МГц (ГГц), особенности конструкции – набор команд, разрядность и т.п.).

2. Объему оперативной памяти (в мегабайтах – Мб).

3. Размеру жесткого диска (ЖД), в мега- или гигабайтах – Мб (Гб).

4. Типу видеоадаптера (объем видеопамяти в Мб, особенности конструкции – вариант видеопроцессора, рабочие частоты, разрядность видеопамяти и т.п.).

5. Набору дополнительных устройств – сетевой адаптер (для объединения ПК в сетевую систему), дополнительные дисковые накопители (CD-накопители (ROM, RW – Read/Write), DVD-накопители и т.п.), сканер (для преобразования визуальной информации в цифровой код), модем (для работы через телефонные линии) и др.

С
остав конфигурации зависит от назначения ПК и особенностей задач, которые должна решать такая система. Например, ПК, используемый в качестве офисного компьютера и служащий, в основном, для работы с документами (текстовые редакторы, средства коммуникации и др.) может иметь конфигурацию, представленную на рис.2а. А ПК, предназначенный для применения в качестве рабочего места конструктора или дизайнера, когда рабочими средствами являются мощные графические пакеты и требуются высокие быстродействие и мощность, показан на рис.2б.

Ниже кратко рассмотрим устройство и принцип работы основных компонентов ПК: микропроцессор, память, подсистему формирования видеоизображения, периферийные устройства.

2. Устройство и принцип работы микропроцессора

Устройство микропроцессора

Микропроцессор (МП) – большая интегральная схема, которая функционально является устройством, управляемым тактовыми импульсами и способным в бесконечной последовательности выполнять посылаемые ему команды.

Основные характеристики микропроцессора:

• тактовая частота, измеряемая в мегагерцах (МГц);

• набор команд, которые МП "понимает" и может выполнять;

• разрядность шины данных;

• ширина адресного пространства.

Шина данных (ШД) характеризуется шириной (или разрядностью) - числом бит, которые микропроцессор может обрабатывать единовременно. Типовой микропроцессор (Intel 286) содержит 16 линий шины данных. Современные микропроцессоры имеют 32- и 64- разрядные линии данных. По шине данных микропроцессор получает информацию для обработки, и затем, посредством шины выдает полученный результат.

Ширина адресного пространства – разрядность шины адреса (ША), выраженная в Мбайтах, по которой осуществляется обращение микропроцессора к области памяти, хранящей данные и служебную информацию. Для типового микропроцессора с 24-разрядной ША ширина адресного пространства памяти составляет 16 Мбайт (т.е. 2²⁴ бит) и определяет количество формируемых МП адресов для доступа к информации. Каждый единичный элемент из общего массива информации (так называемое "машинное слово"), с которым работает микропроцессор, имеет строго определенный адрес из диапазона адресов адресного пространства микропроцессора. Размер машинного слова обычно определяется размерностью шины данных и соответствует разрядности ШД.

Все функции устройства МП созданы на поверхности кремниевого кристалла. Исходным элементом является транзистор. Несколько транзисторов объединенных в блок обработки двоичной информации называют логическим вентилем. Каждый вентиль способен выполнять определенное элементарное логическое действие (например, вентиль "Y=X1*X2" при подаче на свои входы сигналов логических уровней "Х1" и "Х2" выставляет на выходе ("Y") уровень, соответствующий логическому произведению входных сигналов).

На поверхности большой интегральной схемы может находиться до нескольких миллионов транзисторов. Например, для микропроцессора PENTIUM – 3,1 миллиона транзисторов. Микропроцессоры изготавливают по МОП-технологии (металл-окисел-полупроводник).

Основным назначением МП является выполнение последовательности действий по командам программы, результатом которых может быть: новое состояние системы, новый результат или новое свойство обрабатываемых данных.

Реализация таких действий требует с одной стороны наличия определенного окружения для МП, а с другой – гибкой логики его работы.