Архитектура современного персонального компьютера
Любая вычислительная система состоит из двух главных компонент – аппаратных и программных средств. К аппаратным средствам относятся схемы, соединения и др., а программные средства представляют собой программы, управляющие компьютером при выполнении им различных задач.
Основными блоками ПК являются системный блок, клавиатура, монитор и мышь. Все основные узлы ПК располагаются в системном блоке.
Под архитектурой компьютера понимается общая конфигурация основных компонент, их главные возможности и характеристики, а также взаимосвязь. Общая архитектура типичной микросистемы представлена на рисунке 2.1.
Рис. 2.1. Архитектура типичной микросистемы[1]
Характеристика основных блоков персонального компьютера
Поясним назначение каждого блока на рис. 2.1.
Центральный процессор (ЦП, CPU) – выбирает из основной (оперативной) памяти и дешифрирует команды, представленные в двоичном коде; управляет всеми действиями в системе – принимает и передает информацию от других устройств; выполняет все арифметические и логические операции. Основные характеристики: тактовая частота, определяет быстродействие (МГц, MHz); скорости работы, миллион команд (инструкций) в секунду (million instructions per second - MIPS); степень интеграции, количество элементов на единицу площади кристалла; разрядность обрабатываемых данных (4 – первые ЦП, 64 - современные); объем оперативной памяти, к которой может адресоваться ЦП (например, 256 Мб, 512 Мб, 1 Гб и т. д.).
Генератор синхронизации (ГС) – необходим для синхронизации действий в ЦП и логике управления шиной.
Оперативная память (оперативное запоминающее устройство - ОЗУ, Random Access Memory - RAM) предназначена для хранения данных и команд, которые выполняет ЦП. Состоит из набора модулей, каждый из которых содержит несколько тысяч ячеек. Каждая ячейка хранит данные или команду и имеет адрес. Микросхемы памяти расположены на материнской плате (карте), объем памяти можно наращивать за счет добавления дополнительных модулей в соответствующие разъемы на плате.
Системную шину (или магистраль) образует совокупность проводников, соединяющих ЦП с памятью и устройствами ввода-вывода. По этим проводникам, оформленным в виде кабеля или соединений на печатной плате, передается любая информация. Обычно проводники шины объединяются в три группы: линии данных для передачи информации; линии адреса, показывающие, откуда или куда передается информация; линии управления, регулирующие действия на шине.
Сигналы на шине должны быть скоординированы с сигналами, генерируемыми подключенными к шине разнообразными компонентами. Схемы для подключения шины к устройству называются интерфейсом, а логика управления шиной (ЛУШ) образует интерфейс ЦП. Проектирование интерфейсов и ЛУШ упрощают разнообразные интерфейсные микросхемы. В зависимости от сложности микропроцессорной системы ЛУШ частично или полностью размещается на кристалле ЦП.
Подсистема ввода-вывода – набор устройств, предназначенный для взаимодействия с пользователем и хранения больших объемов информации.
Компоненты ПК, осуществляющие постоянное хранение программ и данных, называются внешней памятью (например, накопители несъемные и съемные, стримеры, флэш-карты). Для выполнения программы ее необходимо передать из внешней памяти в основную (запустить).
Интерфейсы (контроллеры) ввода-вывода – буферируют данные системной шины, принимают команды ЦП и передают в ЦП информацию о состоянии подключенного устройства. Например: контроллер клавиатуры; контроллер портов ввода-вывода; видеоконтроллер (видеоадаптер); контроллер дисков и дискет и т. д.
Взаимодействие между интерфейсами ввода-вывода и шиной данных осуществляется через регистры (разъемы), называемые портами ввода-вывода. Например: Com - последовательные порты, для подключения мыши, модема и др.; Lpt - параллельные порты (принтер, модем, сканер и др.); USB – универсальный последовательный порт (любые устройства); SCSI – порт для устройств со SCSI интерфейсом (контроллером), например, для сканера.
Базовая система ввода-вывода (Basic Input-Output System – BIOS) – микросхема, находящаяся на материнской плате. Является постоянной энергонезависимой памятью (постоянное запоминающее устройство - ПЗУ, Read Only Memory - ROM) компьютера. Содержит тест и программу установки (SetUp) параметров аппаратуры, загрузочную программу (загрузчик) для операционной системы. Данные занесены в нее при ее изготовлении. Перепрограммируемый (Flash) BIOS – с помощью специальной программы от производителя BIOS дает возможность инженеру-системотехнику обновить версию BIOS.
CMOS – complementary metal-oxide semiconductor - полупостоянная память. Небольшой участок памяти для хранения параметров конфигурации компьютера. При выключении ПК для ее питания используется специальный аккумулятор. Содержание может быть изменено пользователем перед загрузкой ОС с помощью специальной оболочки Setup, предоставляемой BIOS.
Cash – высокоскоростная память для ускорения доступа к основной и дисковой памяти путем буферизации часто используемых участков.
[1] Лю Ю-Чжен, Гибсон Г. Микропроцеессоры семейства 8086/8088. Архитектура, программирование и проектирование микрокомпьютерных систем: Пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1987. – 512 с.; ил. – Стр. 11.