Дополнительные интегральные микросхемы

Микропроцессор

Микропроцессор (МП) — центральный блок ПК, предназначен­ный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

В состав микропроцессора входят следующие устройства.

Устройство управления (УУ) формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой И символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ часто подключается дополнительный математический сопроцессор).

Микропроцессорная память (МПП) предназначена для кратковре­менного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно в ближайшие такты работы машины используемой в вычислениях; МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечи­вает скорость записи, поиска и считывания информации, необходи­мую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Регистры — быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие).

Интерфейсная система микропроцессора предназначена для сопря­жения и связи с другими устройствами ПК; включает в себя внутрен­ний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управ­ления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной.

Интерфейс (interface) — совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодей­ствие.

Порт ввода-вывода (I/O port) — аппаратура сопряжения, позволяю­щая подключить к микропроцессору другое устройство.

Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность элек­трических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет так­товую частоту машины.

Промежуток времени между соседними импульсами определяет вре­мя одного такта работы машины, или просто, такт работы машины.

Частота генератора тактовых импульсов является одной из основ­ных характеристик персонального компьютера и во многом определя­ет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

 

Системная шина

Системная шина — основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Системная шина включает в себя:

кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопря­жения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (ма­шинного слова) операнда;

кодовую шину адреса (КША), содержащую провода и схемы сопря­жения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;

кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, им­пульсов) во все блоки машины;

шину питания, содержащую провода и схемы сопряжения для под­ключения блоков ПК к системе энергопитания.

Системная шина обеспечивает три направления передачи инфор­мации:

1. Между микропроцессором и основной памятью;

2. Между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних уст­ройств;

3. Между основной памятью и портами ввода-вывода внешних уст­ройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единооб­разно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управле­ние системной шиной осуществляется микропроцессором либо непо­средственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему контроллер шины, формирующий основные сигналы управления. Обмен инфор­мацией между внешними устройствами и системной шиной выполня­ется с использованием ASCII-кодов.

 

Основная память

Основная память (ОП) предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

ПЗУ (ROM — Read Only Memory) предназначено для хранения не­изменяемой (постоянной) программной и справочной информации; позволяет оперативно только считывать информацию, хранящуюся в нем (изменить информацию в ПЗУ нельзя).

ОЗУ (RAM — Random Access Memory) предназначено для опера­тивной записи, хранения и считывания информации (программ и дан­ных), непосредственно участвующей в информационно-вычислитель­ном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени.

Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти от­дельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка опе­ративной памяти следует отметить невозможность сохранения инфор­мации в ней после выключения питания машины (энергозависимость).

Кроме основной памяти на системной плате ПК имеется и энерго­независимая память CMOS RAM (Complementary Metall-Oxide Semi­conductor RAM), постоянно питающаяся от своего аккумулятора; в ней хранится информация об аппаратной конфигурации ПК (о всей аппа­ратуре, имеющейся в компьютере), которая проверяется при каждом включении системы.

 

Внешняя память

Внешняя память относится к внешним устройствам ПК и исполь­зуется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьюте­ра. Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, но наиболее распространенными из них, имеющимися практически на любом компьютере, являются показанные на струк­турной схеме накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД)маг­нитных дисках.

Назначение этих накопителей: хранение больших объемов инфор­мации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оператив­ное запоминающее устройство. Различаются НЖМД и НГМД лишь конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации.

В качестве устройств внешней памяти часто используются также накопители на оптических дисках (CD-ROM — Compact Disk Read Only Memory) и реже — запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (стримеры).

Источник питания — блок, содержащий системы автономного и се­тевого энергопитания ПК.

Таймер — внутримашинные электронные часы реального времени, обеспечивающие, при необходимости, автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания — аккумуля­тору и при отключении машины от сети продолжает работать.

 

Внешние устройства

Внешние устройства (ВУ) — важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса, достаточно сказать, что по стоимости ВУ составляют до 80—85% стоимости всего ПК.

ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей сре­дой: пользователями, объектами управления и другими ЭВМ.

К внешним устройствам относятся:

· внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК;

· диалоговые средства пользователя;

· устройства ввода информации;

· устройства вывода информации;

· средства связи и телекоммуникации.

Диалоговые средства пользователя включают в свой состав видео­терминалы (дисплеи) и устройства речевого ввода-вывода информа­ции.

Видеомонитор (дисплей) — устройство для отображения вводимой и выводимой из ПК информации.

Устройства речевого ввода-вывода относятся к быстро развиваю­щимся средствам мультимедиа.

Устройства речевого ввода — это различные микрофонные акусти­ческие системы, «звуковые мыши», например, со сложным программ­ным обеспечением, позволяющим распознавать произносимые чело­веком буквы и слова, идентифицировать их и закодировать.

Устройства речевого вывода — это различные синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, вос­производимые через громкоговорители (динамики) или звуковые ко­лонки, подсоединенные к компьютеру.

К устройствам ввода информации относятся:

клавиатура — устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК;

графические планшеты (дигитайзеры) — для ручного ввода графи­ческой информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняется считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК;

сканеры (читающие автоматы) — для автоматического считыва­ния с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, гра­фиков, рисунков, чертежей;

устройства указания (графические манипуляторы) — для ввода гра­фической информации на экран дисплея путем управления движени­ем курсора по экрану с последующим кодированием координат курсо­ра и вводом их в ПК (джойстик — рычаг, «мышь», трекбол — шар в оправе, световое перо и др.);

сенсорные экраны — для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК.

К устройствам вывода информации относятся:

принтеры — печатающие устройства для регистрации информации на бумажный носитель;

графопостроители (плоттеры) — для вывода графической инфор­мации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель.

Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации (согласователи ин­терфейсов, адаптеры, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преоб­разователи и т.п.) и для подключения ПК к каналам связи, к другим ЭВМ и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы, «сты­ки», мультиплексоры передачи данных, модемы).

В частности, показанный на рисунке сетевой адаптер является внеш­ним интерфейсом ПК и служит для подключения ее к каналу связи для обмена информацией с другими ЭВМ, для работы в составе вы­числительной сети. В качестве сетевого адаптера чаще всего использу­ется модулятор-демодулятор (модем, см. главу 2).

Многие из названных выше устройств относятся к условно выде­ленной группе — средствам мультимедиа.

Мультимедиа (multimedia — многосредовость) средства — это ком­плекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку об­щаться с компьютером, используя самые разные, естественные для се­бя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и др.

К средствам мультимедиа относятся устройства речевого ввода и вывода информации; микрофоны и видеокамеры, акустические и ви-деовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами; звуковые и видеоплаты, платы видеоза-х-вата, снимающие изображение с видеомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в ПК; широко распространенные уже сейчас сканеры (поскольку они позволяют автоматически вводить в компьютер печат­ные тексты и рисунки). Наконец, внешние запоминающие устройства большой емкости на оптических дисках, часто используемые для запи­си звуковой и видеоинформации.

 

Дополнительные интегральные микросхемы

К системной шине и к МП ПК наряду с типовыми внешними уст­ройствами могут быть подключены и некоторые дополнительные инте­гральные микросхемы, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора: математический сопроцессор, контрол­лер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.

Математический сопроцессор широко используется для ускоренно­го выполнения операций над двоичными числами с фиксированной и плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными чис­лами, для вычисления некоторых трансцендентных, в том числе три­гонометрических функций. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно (совмещенно во времени) с основным МП, но под управлением последнего. Ускорение операций происходит в десятки раз. Последние модели МП, начиная с МП 80486 DX, включают сопроцессор в свою структуру.

Контроллер прямого доступа к памяти освобождает МП от прямого управления накопителями на магнитных дисках, что существенно по­вышает эффективное быстродействие ПК. Без этого контроллера об­мен данными между ВЗУ и ОЗУ осуществляется через регистр МП за два шага, а при его наличии за один шаг — данные непосредственно передаются между ВЗУ и ОЗУ, минуя МП.

Сопроцессор ввода-вывода — за счет параллельной работы с МП существенно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслу­живании нескольких внешних устройств (дисплея, принтера, НЖМД, НГМД и др.); освобождает МП от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует и режим прямого доступа к памяти.

Важнейшую роль играет в ПК контроллер прерываний.

Прерывание — временный приостанов выполнения одной програм­мы с целью оперативного выполнения другой, в данный момент более важной (приоритетной) программы.

Прерывания возникают при работе компьютера постоянно, доста­точно сказать, что все процедуры ввода-вывода информации выполня­ются по прерываниям, например, прерывания от таймера возникают и обслуживаются контроллером прерываний 18 раз в секунду (естест­венно, пользователь их не замечает).

Прерывания делятся на:

· прерывания от базовой системы ввода-вывода или прерывания
нижнего уровня;

· прерывания от операционной системы или прерывания верхнего
уровня.

Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, при­нимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уро­вень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в МП. МП, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей про­граммы и переходит к выполнению специальной программы обслужи­вания того прерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы. Контроллер прерываний является програм­мируемым.

 

Элементы конструкции ПК

Конструктивно ПК выполнены в виде центрального системного блока, к которому через разъемы — стыки подключаются внешние устройства: дополнительные блоки памяти, клавиатура, дисплей, прин­тер и др.

Системный блок обычно включает в себя системную плату, блок питания, накопители на дисках, разъемы для дополнительных устройств и платы расширения с контроллерами — адаптерами внешних устройств.

На системной плате (часто ее называют материнской платой — motherboard), в свою очередь, размещаются:

· микропроцессор;

· математический сопроцессор;

· генератор тактовых импульсов;

· модули (микросхемы) ОЗУ и ПЗУ;

· микросхема CMOS-памяти;

· адаптеры клавиатуры, НМД и НГМД;

· контроллер прерываний;

· таймер и др.

Все они подсоединяются к материнской плате с помощью разъемов (слотов).