Глава 2. УСТРОЙСТВО ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

Персональный компьютер общего назначения имеет как минимум три составные части – системный блок, клавиатуру и дисплей. Клавиатуру с дисплеем можно назвать одним словом – консоль («выступающая» часть компьютера, обращенная к оператору-пользователю). Этот минимум может расширяться дополнительными устройствами, в том числе манипуляторами (мышь, трекбол, джойстик), устройствами вывода (принтер, плоттер), устройствами ввода (сканер, считыватели штрих-кодов и магнитных карт), мультимедийными устройствами (аудио и видео), дополнительными устройствами хранения данных (стример, дисковые устройства), коммуникационными устройствами (модем, адаптер локальной сети, телефон) и рядом других. Эти дополнительные устройства либо встраиваются в системный блок, либо являются отдельными «коробками», подключаемыми к системному блоку.

Системный блок

Системный блок является центральным блоком компьютера, определяющим его основные характеристики – производительность (тип и тактовую частоту) процессора, объем оперативной и дисковой памяти, графическую систему, аудиосистему и ряд других. Системный блок включает ряд обязательных компонентов:

- блок питания, систему охлаждения или просто вентиляции, особо актуальную для высокочастотных процессоров, высокооборотных винчестеров и графических адаптеров с мощными акселераторами;

- системную плату (system board), или материнскую плату(motherboard), т.е. платас установленными на ней центральными компонентами компьютера – процессором, оперативной памятью, вспомогательными схемами и щелевыми разъемами-слотами, в которые можно устанавливать платы расширения.

- дисплейный адаптер (display adapter) или видеоадаптер (видеокарта), т.е. это адаптеры, позволяющие подключать монитор к шине компьютера;

Рис.2.1. Схема системного блока

- устройства дисковой памяти (накопитель на жестких магнитных дисках – винчестер, накопитель на мягких магнитных дисках, дисководы CD, DVD, BD);

- набор разъемов для подключения внешних устройств.

Дисплейный адаптер и дисковая память в некоторых случаях могут и отсутствовать.

Системная плата.

Системная (материнская) плата персонального компьютера является основой системного блока, определяющей архитектуру и производительность компьютера. На ней устанавливаются следующие обязательные компоненты:

- процессор(ы), а для процессоров 8086-80386 и сопроцессор;

- память: постоянная (ROM или Flash BIOS), оперативная (DRAM), а для не самых новых процессоров и кэш (SRAM);

- обязательные системные средства ввода-вывода: контроллеры клавиатуры, прерываний, DMA, таймеры, CMOS RTC, средства управления динамиком;

- интерфейсные схемы и разъемы шин расширения;

- кварцевый генератор синхронизации;

- схема формирования сброса системы по сигналу PowerGood от блока питания или кнопки Reset;

- схема управления блоком питания (отсутствует в платах конструктива AT);

- регуляторы напряжения (Voltage Regulation Module, VRM);

- средства мониторинга состояния системного блока: измерители скорости вращения вентиляторов и температуры процессора и других «горячих» компонентов; измерители питающих напряжений; сигнализаторы несанкционированного доступа и т. п. Эти средства позволяют программно (через загружаемое ПО или меню CMOS Setup) снимать показания измерителей и датчиков, а также при должной настройке вырабатывать прерывание, сигнализирующее о критических событиях, и даже принимать экстренные меры (вплоть до выключения питания при перегреве). Средства мониторинга присутствуют практически на всех современных системных платах.

Помимо этих сугубо обязательных средств на большинстве современных системных плат устанавливают и контроллеры НГМД, интерфейсы СОМ- и LPT-портов, 4-6 портов USB, пару каналов АТА и/или 2-4 порта SAT А. Этот набор по нынешним меркам является обязательным для «голых» системных плат, часто к нему добавляют и контроллер Fire Wire (1394), а также адаптер локальной сети (Ethernet 100/1000 Мбит/с).

Процессор

Процессор является, основным «мозговым» узлом, в функции которого входит исполнение находящегося в памяти программного кода. Программный код – это последовательность команд, или инструкций, каждая из которых определенным образом закодирована и расположена в целом числе смежных байтов памяти. Каждая инструкция обязательно имеет операционную часть, несущую процессору информацию о требуемых действиях. Операндная часть, указывающая процессору, где находится его «предмет труда» – операнды, – может присутствовать в явном или неявном виде и даже отсутствовать.

Центральный процессор в общем случае содержит в себе: арифметико-логическое устройство; шины данных и шины адресов; регистры; счетчики команд; кэш–память; математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

В настоящее время под словом «процессор» подразумевают микропроцессор. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему (микросхему) – тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

В IBM-совместимых ПК применяются процессоры семейства х86. В оригинальной машине IBM PC использовался процессор 8088 с 16-разрядными регистрами. Все следующие модели процессоров, в том числе 32-разрядные (386, 486, Pentium, Pentium Pro, Pentium II/III, Celeron, Pentium 4 от Intel, K5, Кб и K7 (Athlon и Duron) от AMD, MI, МП и Mill от Cyrix/VIA), с расширениями MMX, SSE, SSE2, SSE3 и 3DNow! включают в себя системы команд и архитектуры предыдущих моделей, обеспечивая совместимость с ранее написанным ПО. Новые процессоры с 64-битными расширениями также поддерживают все команды и режимы своих предшественников.

Электронная память

Электронная память применяется практически во всех подсистемах PC. Различают два основных вида памяти – внутреннюю и внешнюю. В состав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-память и постоянная память.

Основная, или оперативная, память (main memory) компьютера используется для оперативного обмена информацией (командами и данными) между процессором, внешней памятью (например, дисковой) и периферийными подсистемами (графика, ввод-вывод, коммуникации и т. п.). Ее другое название – ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) – примерно соответствует английскому термину RAM (Random Access Memory – память с произвольным доступом). Произвольность доступа подразумевает возможность операций записи в любую ячейку ОЗУ или чтения любой ячейки ОЗУ в произвольном порядке. Требования, предъявляемые к основной памяти:

- большой (для электронной памяти) объем, исчисляемый уже десятками – сотнями мегабайт и даже гигабайтами;

- быстродействие и производительность, позволяющие реализовать вычисли­тельную мощность современных процессоров;

- высокая надежность хранения данных – ошибка даже в одном бите, в принципе, может привести к ошибкам вычислений, к искажению и потере данных, причем иногда и на внешних носителях.

Постоянная память используется для энергонезависимого хранения системной информации – BIOS, таблиц знакогенераторов и т. п. Эта память при обычной работе компьютера только считывается, а запись в нее (часто называемая программированием) осуществляется специальными устройствами – программаторами. Отсюда и ее название – ROM (Read Only Memory – память только для чтения), или ПЗУ (постоянное запоминающее устройство). Требуемый объем памяти этого типа невелик: например, объем BIOS PC/XT составлял 8 Кбайт, в современных компьютерах типовое значение от 128 Кбайт до 2 Мбайт. Быстродействие постоянной памяти обычно ниже, чем оперативной. В последние годы постоянную память вытесняют флэш-память, запись в которую возможна в самом компьютере в специальном режиме работы, и другие типы энергонезависимой памяти.

Кэш-память (cache memory) – сверхоперативная память (СОЗУ), является буфером между ОЗУ и ее «клиентами» – процессором (одним или несколькими) и другими абонентами системной шины. Кэш-память не является самостоятельным хранилищем; информация в ней не адресуема клиентами подсистемы памяти, присутствие кэша для них «прозрачно». Кэш хранит копии блоков данных тех областей ОЗУ, к которым происходили последние обращения, и весьма вероятное последующее обращение к тем же данным будет обслужено кэш-памятью существенно быстрее, чем оперативной памятью. От эффективности алгоритма кэширования зависит вероятность нахождения затребованных данных в кэш-памяти и, следовательно, выигрыш в производительности памяти и компьютера в целом. Современные процессоры располагают встроенным кэшем.

Полупостоянная память в основном используется для хранения информации о конфигурации компьютера. Традиционная память конфигурации вместе с часами-календарем (CMOS Memory и CMOS RTC) имеет объем несколько десятков байт, ESCD (Extended System Configuration Data) – область энергонезависимой памяти, используемая для конфигурирования устройств Plug and Play, – несколько килобайт. Сохранность данных CMOS-памяти при отключении питания компьютера обеспечивается маломощной внутренней батарейкой или аккумулятором. В качестве полупостоянной применяется и энергонезависимая память с произвольным доступом (Non-Volatile Random Access Memory, NVRAM), которая хранит информацию и при отсутствии питания.

Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти SRAM (Static RAM), более быстродействующих, дорогих и малоёмких, чем DRAM.

Буферная память различных адаптеров и контроллеров (коммуникационных, дисковых и пр.) обычно разделяется между процессором (точнее, абонентами системной шины) и контроллерами устройств. К этой памяти относятся и 16-байтные FIFO-буферы СОМ-портов, и несколько мегабайтные кэш-буферы высокопроизводительных устройств хранения. Специфическим типом буферной памяти является видеопамять дисплейного адаптера – к ней производятся интенсивные обращения со стороны центрального процессора и графического акселератора одновременно с непрерывным процессом регенерации изображения.

Электронная память применяется и в качестве внешней памяти — на флэш-картах с различными интерфейсами и конструктивами.

Порты

В корпусе системного блока имеются отсеки (bay) для установки дисковых накопителей и других периферийных устройств трех- и пятидюймового формата. На задней стенке корпуса имеются отверстия для разъемов клавиатуры и некоторых других, а также щелевые прорези, через которые из корпуса выходят внешние разъемы, установленные на платах расширения. Плата (карта) расширения имеет краевой печатный разъем, которым она соединяется со слотом шины ввода-вывода, и металлическую скобу, закрепляющую плату на корпусе. На этой скобе могут быть установлены внешние разъемы.

Габаритные и присоединительные размеры плат, способы их крепления и шины ввода-вывода унифицированы, что превращает персональный компьютер в увлекательный конструктор, в который «играют» миллионы пользователей.

Вопросы для самопроверки:

1.Что входит в понятие системный блок.

2. Функции материнской (системной) платы.

3. Функции процессора.

4. Функции, классификация электронной памяти.

5. Функции оперативной памяти.

6. Функции постоянной памяти.

7. Функции кэш-памяти.

8. Разновидность портов системного блока.

Внешняя память

Информация,хранимая в устройствах внешней памяти, организована в файловые структуры. Файл –это единица информации в виде массива байт произвольной длины, которому присвоен уникальный идентификатор (имя).

Каждый идентификатор может содержать трехсимвольное расширение, отделенное от имени точкой. Расширение может быть использовано для задания группового признака (типа файла), характеризующего хранимую информацию: текстовую, графическую и т.д. Например, запись vc.exe означает идентификатор vc с расширением exe (исполняемый файл).

Отдельные файлы объединяются вкаталоги (папки). Каждый каталог имеет свое имя и может быть зарегистрирован в другом каталоге. Тогда он называется подкаталогом. Так образуется древовидная файловая структура для каждогологического устройства. Корневой каталог является каталогом высшего уровня. Логическое внешнее устройство – это устройство, различимое программой. Физическое внешнее устройство может отображаться на одно логическое устройство или быть разделено на несколько логических устройств с непересекающимися областями носителя информации.

Поиск информации во внешней памяти на логическом уровне производится по идентификатору файла. Перед идентификатором файла указывается путь в виде имени логического устройства и перечня имен всех каталогов ветви файловой структуры до искомого файла – пути к файлу. Например, адрес с:\vc\nc.exe означает файл nc.exe, который находится в каталоге vc на логическом устройстве внешней памяти "с".

Преобразование логического адреса файла в физический и поиск информации на физическом уровне зависят от типа устройства внешней памяти. Наиболее распространенными устройствами внешней памяти до настоящего времени являлись накопители на основе записи на магнитную поверхность. Это магнитные ленты, а также магнитные, оптические и магнитооптические диски.

Рассмотрим наиболее распространенные из них.