УСТРОЙСТВО ПЕРСОНАЛЬНЫХ ЭВМ Архитектура Структура ЭВМ ЛЕКЦИЯ 4 УСТРОЙСТВО ПЕРСОНАЛЬНЫХ ЭВМ Архитектура компьютера определяется совокупностью её свойств, существенных для пользователя. Основное внимание при этом уделяется структуре и функциональным возможностям ЭВМ, которые можно назвать как основные и дополнительные. Основные: обработка и хранение информации, об - мен информацией с внешними объектами. Дополнительные: обеспечивают эффективный ре- жим работы ЭВМ, диалог с пользователем, надёжность. Названные функции реализуются с помощью аппаратных и программных средств. Структура ЭВМ это модель, устанавливающая состав, порядок и принцип взаимодействия входящих в неё компонентов.

По мере развития технических средств ЭВМ изменили содержание и структуру отдельных бло- ков. Кроме того для расширения вычислительных и других возможностей были сильно развиты внешние или периферийные устройства. В современных ЭВМ арифметическое устройство и блок управления объединены и названы процессор. Основные функции процессора: 1. Управление процессом вычисления. 2. Выполнение операций над данными. 3. Хранение некоторых переменных, участвующих в процессе вычисления. 4. Обеспечение сопряжения с другими устройствами компьютера – интерфейс (interface). Это совокупность средств сопряжения и связи устройств ПК (апп. и программных), обеспечивающая их взаимодействие.

Процессор, выполненной по интегральной технологии в виде одного кристалла (БИС) называется микропроцессором. Возможно использование нескольких БИС в одном микропроцессоре в зависимости от потребностей конкретного устройства. ЭВМ с одним МП называются одно – кристальные микро- ЭВМ благодаря миниатюризации её основных компонент, выполненных на современной микроэлектронной элементной базе. Связь между компонентами осуществляется через общую магистраль. Учитывая, что в настоящее время используют толь- ко СБИС, в описаниях часто употребляют термин процессор вместо- микропроцессор.

Архитектура современных ПК основана на магистрально-модульном принципе организации обмена информации. В соответствии с этим принципом цен- тральные устройства компьютера взаимодействуют между собой (обмениваются информацией) и с периферийными устройствами через системную магистраль. Системная магистраль предназначена для передачи данных, адресов и команд управления. Централь- ные устройства подсоединены к шине непосредственно, а периферийные – через устройства сопряжения (контроллеры или адаптеры). Представим в начале упрощенно структурную схему ПК в соответствии с изложенным принципом.

Магистраль (общая шина ) процессор Оперативная память ДисплейУВВЦПУ ВНЕШНЯЯ ПАМЯТЬ структурная схема микро ЭВМ

Полная структурная схема микро ЭВМ будет выглядеть сложнее и рассмотрена несколько позднее, но все её компоненты соответствуют названным здесь. Такой принцип построения ЭВМ был предложен на фирме IBM США под названием принцип открытой архитектуры и явился революционным по сравнению со схемой Фон Неймана. Этот принцип позволяет неограниченно совершенствовать и развивать не зависимо от любой из компонентов общую компоновку ЭВМ. Это привлекло к активной деятельности по созданию различных внешних устройств и компонентов ЭВМ много других фирм и обеспечило победу фирме IBM в мировой гонке за обладание рынком сбыта компьютеров.

Первые ПК типа Altair-8800 появились в 1965 г. в США, были созданы Э. Робертсом на фирме IBM, на базе микропроцессора Intel Для этой ПЭВМ Билл Гейтс и Пол Аллен написали транслятор с популярного языка Basic, чем расширили его интеллектуальность; фирма IBM рассылала ПК по почте за 397 $, затем был создан цветной монитор и популярность ПК типа Z-2 c цветным монитором ещё более возрастает. В США три конкурирующие фирмы начинают выпускать ПК разных типов, но уже в 1981 г. Фирма IBM, выпускает и массово производит IBM PC/XT/AT и становится лидером. Билл Гейтс и Пол Аллен основали свою фирму Microsoft Inc, выпускающую программные продукты для ПК IBM.

Устройство IBM PC (персонального компьютера ) Основные блоки: 1. системный блок, 2. клавиатура, 3. монитор (дисплей). В системном блоке расположены все основные компоненты компьютера: 1.1. Электронные схемы, управляющие работой компьютера (процессор, оперативная память (ОП), контроллеры ВУ подключаемых к общей шине, блок питания, генератор тактовых импульсов, таймер и др. Все электронные схемы размещены на материнской плате. Кроме того в системном блоке размещены и некоторые ВУ.

1.2. Блок питания, преобразующий напряжение сети ~ 220В в уровни напряжения и род тока, необходимые для работы соответствующих устройств, тактовый генератор управляющих импульсов, таймер Накопитель на гибких магнитных дисках (ГМД или FDD - floppi disc drive) или диск А,(иногда и В) Накопитель на жёстком магнитном диске (винчестер или HDD-hard disc drive) или диск С Накопитель на оптических компакт-дисках (CD- ROM, Compact Disc ROM) или диск D Видеокарта. Звуковая карта. Модем Порты для подключения ВУ Другие устройства, обеспечивающие работу ПК (будут рассмотрены на отдельной лекции).

2. Клавиатура Предназначена для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК. Она содержит 101 или 104 клавиши, на которых нанесены буквы латинского и русского алфавита, математические, графические и специальные служебные знаки, знаки препинания, наименования некоторых команд и функций. Все клавиши можно разбить на группы: верхний ряд - функциональные клавиши, центральная часть - буквенно-цифровые клавиши, левая и правая сторона от буквенно-цифровых - командные клавиши, правая сторона – малая цифровая клавиатура, центральная часть – управление курсором, страницей, регистрами. Комбинации клавишь c Ctrl,Alt– «быстрые клавиши».

Характеристики наиболее распространённых клавиатур Тип клавиатуры Наработка на отказ (нажатий для каждой клавиши) Преимущества, применение мембранная 20 млн.практически бесшумная - для обычного пользователя Полумеха- нические 50 млн.интенсивный ввод текстовой информации - (ВЦ) Механиче- ские 100 млн.ввод информации осуществляется длительное время

3. монитор (дисплей) Это устройство, предназначенное для отображения на экране электронно-лучевой труб- ки или жидкокристаллическом, светодиодном и др. текстовой и графической информации. Размер экрана по диагонали: 14,17, 19 и более дюймов, частота смены кадров Гц, частота строчной развёртки Гц. Мониторы как правило цветные. Они могут работать в одном из режимов: текстовый и графичешский. В текстовом режиме экран разбивается на отдельные участки - знакоместа, всего 25 строк, по 80 символов. В каждое знакоместо может быть выведен один из 256 заранее заданных символов.

Символы формируются знакогенератором в коде ASCII. В их числе: большие и маленькие, латинские буквы, арабские цифры, символы математических операций, а также псевдографические символы, используемые для вывода на экран таблиц, диаграмм, построения рамок и т.д. В число символов входят и символы кириллицы. Каждому знакоместу может соответствовать свой цвет символа и экрана. Символ формируется из точек. Величина точки соответствует величине зерна (dot pitch) люминофора экрана монитора. Чем меньше зерно, тем выше чёт- кость и меньше устаёт глаз. Величине зерна находится в пределах 0,41..0,18 мм. У последних моделей мониторов VGAзерно не превышает 0,22 мм. Это особенно важно при работе в графическом режиме.

Графичешский режим предназначен для вывода на экран графиков и рисунков в сочетании с текстовой информацией. В графическом режиме экран мони- тора состоит из отдельных мозаичных элементов – пикселей (pixsel – picture element), количество которых в разных типах мониторов разное, например, в первом типе CD их 640 х 200, т.е. 640 пикселей (то- чек) по горизонтали и 200 по вертикали, а в послед- нем типе VGA их 1024 х 768. Количество пикселей характеризует разрешающую способность монитора. Например, у 14 дюймового экрана ширина 265 мм, тогда для получения разрешающей способности 1024 точки по горизонтали размер зерна не должен превышать 265/1024=0,22 мм, иначе пиксели сливаются и ничего не будет видно.

На следующем слайде представлен вариант одной из последних моделей ПК в минимальном наборе. Взаимосвязь размера экрана, размера зерна и разрешения экрана Размер Экрана, дюймов Разрешение, pic (пикселей) 640 х х х х х

Жидкокристалли- чешский дисплей Системный блок клавиатура

Отдельные компоненты (контроллеры, память) для ПК IBM и процессоры по микроэлектронным техно - логиям выпускает фирма INTEL. Эти три кита двигают вперёд всё компьютерное производство в мире с огромной скоростью, вовлекая в этот процесс другие фирмы Японии, Южной Кореи, Тайваня и Китая, про- изводящие в основном различные внешние (периферийные) устройства: дисководы,мониторы, принтеры, сканеры, графопостроители, модемы, мульти-медиа, домашний кинотеатр и т.п. В России после многих лет упадка в г. Зеленограде (под Москвой, бывший закрытый городок – ныне открытая экономическая зона –ТЕХНОЦЕНТР) начато производство жидко- кристаллических дисплеев. На презентации сообща- лось, что они будут в 2 раза дешевле импортных, что весьма приятно.

Теперь представим более подробно структурную схему ПК IBM и несколько подробнее рассмотрим характеристики выше названных компонентов (внутренних и внешних). Устройства компьютера целесообразно характеризовать по следующим признакам: класс устройств (название), назначение, принципы работы, основные технические характеристики (потребительские свойства), особенности, программная поддержка.

Структурная схема IBM PC Системный блок компьютера Системная (материнская) плата Процессор Оперативная память Сопроцессор Контроллер Принтер Монитор Клавиатура Другие внешние устройства контроллер A,C,D внешней памяти Дисководы A,C,D внешней памяти (FDD, HDD, CD - ROM) Контроллеры дисков Системная шина: до 800МГц контроллер Другие устр-ва: видео, звуковая карты, модем.... порты БП ГТИ,Таймер

ЛЕКЦИЯ 5 Продолжение темы устройство ПК Устройство микропроцессора

ПРОЦЕССОР (МП) - предназначен для выполнения арифметических и логических операций над инфор- мацией, а так же для управления последовательно- стью выполнения команд и работой всех блоков компьютера. В состав МП входят: устройство управления (УУ) – формирует и подаёт во все блоки ЭВМ в нужные моменты времени управ- ляющие сигналы, обусловленные спецификой выпо- лняемой операции и предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией и передаёт эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; устройство управления (УУ) – формирует и подаёт во все блоки ЭВМ в нужные моменты времени управ- ляющие сигналы, обусловленные спецификой выпо- лняемой операции и предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией и передаёт эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов УУ получает от генератора тактовых импульсов (ГТИ).

арифметическо - логическое устройство (АЛУ) арифметическо - логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций над операндами: сложение, вычитание, умножение, деление, сдвиг информации, порядковые, логические, операции и т.д. АЛУ может выполнять операции над числами, представленными в форме с фиксированной запятой (точкой) - 4,65 или в форме с плавающей запятой.465 Е-2 или (0.465·10 -2 ), а так же оперировать с буквенно-цифро - выми данными переменной длины (имена констант и переменных, STUD 2, IVANOV, ЭМ-56). Для ускорения выполнения операций подключается математичешский сопроцессор.

Микропроцессорная память (МПП)Микропроцессорная память (МПП) – служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в ближайшие такты работы ЭВМ. МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высоко- го быстродействия ЭВМ. Регистры- быстродейству- ющие ячейки памяти различной длины. Они отли- чаются от ОП, имеющей стандартную длину ячейки в 1 байт и меньшее быстродействие. Интерфейсная система МП Интерфейсная система МП - реализует сопряже- ние и связь с другими устройствами ЭВМ; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода/вывода (ВВ) и системной шиной.

шд Буфер адреса ша АЛУ Устройство Управления Буфер данных буфер СТРУКТУРНАЯ СХЕМА МИКРОПРОЦЕССОРА МПП и интерфейсная система Входы команд Регистры (микропро- цессорная память на регистрах) от ГТИ от клавиат. сопроцессор от др. уст-в

Основные характеристики некоторых процессоров Тип процес- сора Дата появле -ния на рынке Разряд- ность, бит Тактовая частота, МГц Техноло- гия изго- товления, мкм Кол-во транзи- сторов, млн. шт ,00,029 P ,83,1 Pentium Pro ,65,5 Celeron ,257,5 Pentium ,259,5 Pentium4 АМД до 3000 до ,215-18

Интерфейс Интерфейс (iterface)- совокупность средств сопря - жения и связи, устройств ЭВМ (аппаратная и программная), обеспечивающая их эффективное функционирование. Генератор тактовых импульсов (ГТИ) генерирует последовательность электрических импульсов прямоугольной формы и малой длины, частота их определяет тактовую частоту работы ЭВМ в МГц. Промежуток времени между двумя соседними импульсами называют тактом работы ЭВМ. Таймер это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматиче- ский съём текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, сек.). Таймер подключается к автономному источнику питания (аккумулятору) и работает непрерывно.

Системная шина (СШ). Системная шина (СШ). Это основная интерфейсная система компьтера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. СШ включа- ет в себя: Кодовую шину данных (ШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машин. слова) операнда, Кодовую шину адреса (ША), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода адреса ячейки ОП или порта ввода/вывода внешнего устройства, Кодовую шину инструкций (ШИ), содержащую прово- да и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов) во все блоки ЭВМ, Шину питания содержащую провода и схемы сопря- жения для подключения блоков ПК к блоку питания.

СШ обеспечивает три направления передачи инфо- рмации внутри ПК со скоростью до 800 МГц: 1. Между микропроцессором и основной памятью, 2. Между микропроцессором (МП) и портами ВВ ВУ, 3. Между ОП и портами ВВ ВУ (в режиме прямого доступа к памяти, который организуется програм- мным путём). Все внешние устройства подключаются к общей ши - не через адаптеры (контроллеры) и унифицирован- ные разъёмы для каждого типа устройства. Управ- ление СШ осуществляется МП через контроллер шины. Контроллер это специальная микросхема, выполняющая функции приёма и преобразования кодов. Обмен информацией между СШ и ВУ осуще- ствляется в кодах ASCII, таблицы которых приве- дены в учебниках.

Основная (оперативная) память (ОП)- ОП Основная (оперативная) память (ОП)- предназна- чена для хранения и обмена информацией с другими блоками ЭВМ. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). ПЗУ служит для хранения постоянной програ- ммной и справочной информации, позволяет опера- тивно только считывать хранящуюся в нём информа- цию. ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информа- ционно-вычислительном процессе, выполняемом ЭВМ в текущий период времени. ОП обладает высо- ким быстродействием с возможностью доступа к любой ячейке памяти, но информация в ней теряется при исчезновении электропитания ЭВМ.

Ёмкость оперативной памяти измеряется в мегабайтах (Мбайт), реже в килобайтах (Кбайт). 1 Мбайт = 1024 Кбайта = байт. Многие современные прикладные программы при оперативной памяти ёмкостью меньше 8 Мбайт просто не работают либо работают, но очень медленно. Поэтому надо иметь ОП не менее 128 Мбайт. Увеличение ёмкости ОП в 2 раза, помимо всего проче- го, дает повышение эффективной производительности ЭВМ при решении сложных задач примерно в 1,7 раза. Наиболее распространённые типы ОП в настоящее время: SDRAM, DIMM 128 и 256 Мb, DDR SDRAM, DIMM от Мb и 1 Гb, SO-DIMM DDR 256 Mb, DDR2 SDRAM, DIMM от 256 Мb и 512 Мb. КЭШ-память это буферная, не доступная для пользо- вателя быстродействующая память,

автоматически используемая компьютером для уско- рения операций с инфор мацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устрой- ствах. Например, для ускорения операций с основной памя- тью организуется регистровая КЭШ-память внутри микропроцессора (КЭШ-память первого уровня) или вне микропроцессора на материнской плате (КЭШ- память второго уровня); для ускорения операций с дисковой памятью организуется КЭШ-память на ячейках электронной памяти (более современно.) Следует иметь в виду, что наличие КЭШ-памяти ёмкостью 256 Кбайт увеличивает производитель - ность ПК примерно на 20%. В МП Pentium Pro КЭШ- память ёмкостью Кбайт находится в самом микропроцессоре, что значительно снижает время обращения и повышает производительность.

Hewlett Packard DC890B Оперативная память Пример конструктивного выполнения ОП Слот памяти (печатная плата)