Архитектура персонального компьютера

Устройства речевого вывода — это различные синтезаторы  звука, выполняющие преобразования цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через 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 (диджитайзеры) для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняются считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК;
• сканеры — для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей; в устройстве кодирования сканера в текстовом режиме считанные символы после сравнения с эталонными контурами специальными программами преобразуются в коды ASCII, а в графическом режиме считанные графики и чертежи преобразуются в последовательности двухмерных координат;
• манипуляторы (устройства указания): джойстик-рычаг, мышь, трекбол-шар в оправе, световое перо и др. — для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК;
• 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; плоттеры бывают векторные с вычерчиванием изображения с помощью пера и растровые: термографические, электростатические, струйные и лазерные. По конструкции плоттеры подразделяются на планшетные и барабанные. Основные характеристики всех плоттеров примерно одинаковые: скорость вычерчивания — 100 – 1000 мм/с (у лучших моделей возможны цветное изображение и передача полутонов); наибольшая разрешающая способность и четкость изображения — у лазерных плоттеров, но они самые дорогие.

Устройства связи и  телекоммуникации для связи с  приборами и другими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, цифроаналоговые 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 сетевой  адаптер является внешним интерфейсом ПК и служит для подключения его к каналу связи для обмена информацией с другими ЭВМ, для работы в составе вычислительной сети. В глобальных сетях функции сетевого адаптера выполняет модулятор- демодулятор.

Многие из названных  выше устройств относятся к условно выделенной группе — средствам мультимедиа. Средства мультимедиа (multimedia — многосредовость) — это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и так далее.

К средствам мультимедиа  относятся: устройства речевого ввода  и вывода информации; широко распространенные уже сейчас сканеры (поскольку они  позволяют автоматически вводить  в компьютер печатные тексты и  рисунки); высококачественные видео- (video-) и звуковые (sound-) платы, платы видеозахвата (videograbber), снимающие изображение с видеомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в ПК; высококачественные акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами. Но, пожалуй, еще с большим основанием к средствам мультимедиа относят внешние запоминающие устройства большой емкости на оптических дисках, часто используемые для записи звуковой и видеоинформации

Стоимость компакт-дисков (CD) при их массовом тиражировании невысока, а, учитывая их большую емкость (650 – 700 Мбайт, а новых типов 8 Гбайт и выше), высокие надежность и долговечность, стоимость хранения информации на CD для пользователя оказывается несравнимо меньшей, нежели на магнитных дисках. На компакт-дисках организуются обширные базы данных, целые библиотеки; на CD представлены словари, справочники, энциклопедии; обучающие и развивающие программы по общеобразовательным и общим предметам.

CD широко используется, например, при изучении иностранных языков, правил дорожного движения, бухгалтерского учета, законодательства вообще и налогового законодательства в частности. И все это сопровождается текстами и рисунками, речевой информацией и мультипликацией, музыкой и видео. В чисто бытовом аспекте CD можно использовать для хранения аудио- и видеозаписей, т. е. использовать вместо магнитных аудиокассет и видеокассет. Следует упомянуть, конечно, и о большом количестве программ компьютерных игр, хранимых на CD.

Таким образом, CD-ROM открывает доступ к огромным объемам разнообразной и по функциональному назначению, и по среде воспроизведения информации, записанной на компакт-дисках.

Прерывание — временный  останов выполнения одной программы  в целях оперативного выполнения другой, а в данный момент более важной (приоритетной) программы. Прерывания возникают при работе компьютеры 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).

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.

Внутримашинный системный  интерфейс — система связи  и сопряжения узлов и блоков ЭВМ  между собой — представляет собой  совокупность электрических линий  связи (проводов), схем сопряжения с  компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов.

Существует два варианта организации внутримашинного интерфейса:

1. Многосвязный интерфейс: каждый блок ПК связан с прочими блоками своими локальными проводами; интерфейс применяется, как правило, только в простейших бытовых устройствах.
2. Односвязный интерфейс: все блоки ПК связаны друг с другом через общую или системную шину.

В подавляющем большинстве  современных ПК в качестве системного интерфейса используется системная  шина. Структура и состав системной шины были рассмотрены ранее. Важнейшими функциональными характеристиками системной шины являются: количество обслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность, т. е. максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит от ее разрядности (есть шины 8-, 16-, 32- и 64- разрядные) и тактовой частоты, на которой шина работает.

В качестве системной  шины в разных ПК использовались и  могут использоваться:

• шины расширений — шины общего назначения, позволяющие подключать большое число самых разнообразных устройств;
• локальные шины, специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса.

Шины расширений:

• шина Multibus 1 имеет две модификации: PC/XT bus (personal Computer eXtended Technology) — ПК с расширенной технологией и PC/AT bus (PC Advachnology — ПК с усовершенствованной технологией);
• шина PC/XT bus — 8-разрядная шина данных и 20-разрядная шина адреса, рассчитанная на тактовую частоту 4,77 МГц; имеет 3 линии для адаптерных прерываний и 3 канала для прямого доступа в память (каналы DMA — Direct Memory Access). Шина адреса ограничивала адресное пространство микропроцессора величиной 1 Мбайт. Используется с МП 8086, 8088;
• шина PC/At bus — 16 разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота до 8 МГц, но может использоваться и МП с тактовой частотой 16 МГц, так как контроллер шины может делить частоту пополам; имеет 7 линий для адаптерных прерываний и 4 канала DMA. Используется с МП 80286;
• шина ISA (Industry Standard Architecture — архитектура промышленного стандарта) — 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота 16 МГц, но может использоваться и МП с тактовой частотой 50 МГц (коэффициент деления увеличен); по сравнению с шинами PC/XT и PC/AT увеличено количество линий аппаратных прерываний с 7 до 15 и каналов прямого доступа к памяти DMA с 7 до 11. Благодаря 24-разрядной шине адреса адресное пространство увеличилось с 1 до 16 Мбайт. Теоретическая пропускная способность шины данных равна 16 Мбайт/с, но реально она ниже, около 3 – 5 Мбайт/с, ввиду ряда особенностей ее использования. С появлением 32-разрядных высокоскоростных МП шина ISA стала существенным препятствием увеличения быстродействия ПК;
• шина EISA (Extended ISA) — 32-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, создана в 1989г. Адресное пространство шины 4 Гбайта, пропускная способность 33 Мбайт/с, причем скорость обмена по каналу МП - КЭШ - ОП определяется параметрами микросхем памяти, увеличено число разъемов расширений, (теоретически может подключаться до 15 устройств, практически до — 10). Улучшена система прерываний,  шина EISA обеспечивает автоматическое конфигурирование системы и управление DMA; полностью совместима с шиной ISA(есть разъемы для подключения ISA),шина поддерживает многопроцессорную архитектуру вычислительных систем. Шина EISA весьма дорогая и применяется в скоростных ПК, сетевых серверах и рабочих станциях;
• шина MCA (Micro Channel Architecture) — 32-разрядная шина, созданная фирмой IBM в 1987г. для машин PC/2, пропускная способность 76 Мбайт/с, рабочая частота 10-20Мгц. По своим прочим характеристикам близка к шине EISA, но не совместима ни с ISA, ни с EISA. Поскольку ЭВМ PS/2 не получили широкого распространения, в первую очередь ввиду отсутствия наработанного обилия прикладных программ, шина MCA также используется не очень широко.

Современные вычислительные системы характеризуются:

• стремительным ростом быстродействия микропроцессоров (например, МП Pentium может выдавать данные со скоростью 528 Мбайт/с по 64-разрядной шине данных) и некоторых внешних устройств (так, для отображения цифрового полноэкранного видео с высоким качеством необходима пропускная способность 22 Мбайт/с);
• появлением программ, требующих выполнения большого количества интерфейсных операций (например, программы обработки графики в Windows, работа в среде Multimedia).

В этих условиях пропускной способности шин расширения, обслуживающих  одновременно несколько устройств, оказалось недостаточно для комфортной работы пользователей, ибо компьютеры стали подолгу "задумываться".

Разработчики интерфейсов  пошли по пути создания локальных  шин, подключаемых непосредственно  к шине МП, работающих на тактовой частоте  МП, (но не на внутренней рабочей его  частоте) и обеспечивающих связь  с некоторыми скоростными внешними по отношению к МП, устройствами: основной и внешней памятью, видеосистемами.

Сейчас существуют два  основных стандарта универсальных  локальных шин — VLB и PCI:

• Шина VLB (VESA Local Bus — локальная шина VESA) — разработана в 1992г. Ассоциацией стандартов видео оборудования (VESA — Video Electronics Standards Association), поэтому часто ее называют шиной VESA.
• Шина VLB, по существу, является расширением внутренней шины МП для связи с видеоадаптером и реже с винчестером, на подходе 64-разрядный вариант шины. Реальная скорость передачи данных по VLB-80 Мбайт/с (теоретически достижимая — 132 Мбайт/с).

Недостатки шины:

• рассчитана на работу МП 80386,80486, не адаптирована для процессоров Pentium, Pentium Pro, Power PC;
• жесткая зависимость от тактовой частоты МП (каждая шина VLB рассчитана только на конкретную частоту);
• малое количество подключаемых устройств — к шине VLB могут подключаться только четыре устройства;
• отсутствует арбитраж шины — могут быть конфликты между подключаемыми устройствами.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect — соединение внешних устройств) разработана в 1993 г. фирмой Intel. Шина PCI является на много более универсальной, чем VLB. Имеет свой адаптер, позволяющий ей настраиваться на работу с любым МП: 80486, Pentium, Pentium Pro, Power PC и др.; она позволяет подключать 10 устройств самой разной конфигурации с возможностью автоконфигурирования, имеет свой "арбитраж", средства управления передачей данных. Шина PCI пока еще весьма дорогая.

Разрядность PCI — 32 бита с возможностью расширения до 64 бит, теоретическая пропускная способность 132 Мбайта/с (реальная вдвое ниже). Шина PCI хотя и является локальной, выполняет и многие функции шины расширения, в частности, шины расширения ISA, EISA, MCA (а она совместима с ними) при наличии шины PCI подключаются не посредственно к МП (как это имеет место при использовании шины VLB), а к самой шине PCI (через интерфейс расширения).

Следует иметь в виду, что использование  в ПК шин VLB и PCI возможно только при  наличии соответствующей VLB — или PCI-материнской платы. Выпускаются материнские платы с мультишинной структурой, позволяющей использовать ISA/EISA, VLB и PCI, так называемые материнские платы с шиной VIP (по начальным буквам VLB, ISA и PCI).

Но в настоящее время платы  с шинами VLB не производится и отмирает шина ISA, появились новые шины, такие как AGP, предназначенные для видеоадаптеров с высокой пропускной способностью или так называемые 3D ускорители.

Функциональные  устройства ПК

Основными характеристиками ПК являются:

1. Быстродействие.
2. Производительность.
3. Тактовая частота.

Единицами измерения  быстродействия служат:

• МИПС (MIPC — Vega Instruction Per Second) — миллион операций над числами с фиксированной запятой (точкой);
• МФЛОПС (MFLOPS — Mega Floating Operations Second) — миллион операций над числами с плавающей запятой (точкой);
• КОПС (KOPS — Kilo Operations Per Second) для низко производительных ЭВМ — тысяча неких усредненных операций над числами;
• ГФЛОПС (GFLOPS — Giga Floating Operations Per Second) — миллиард операций в секунду над числами с плавающей запятой (точкой).

Оценка производительности ЭВМ всегда приблизительная, ибо  при этом ориентируются на некоторые  усредненные или, наоборот, на конкретные виды операций. Реально при решении  различных задач используются и  различные наборы операций. Поэтому для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины. И так как каждая операция требует для своего выполнения вполне определенного количество тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции.

1. Разрядность машины и кодовых шин интерфейса. Разрядность — это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК.
2. Типы системного и локальных интерфейсов. Разные типы интерфейсов обеспечивают разные сроки передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды.
3. Емкость оперативной памяти. Емкость оперативной памяти измеряется чаще всего в мегабайтах (Мбайт). Напоминаем: 1 Мбайт = 1024 Кбайта = 1024 байт. Многие современные прикладные программы при оперативной памяти емкостью меньше 32 Мбайт просто не работают, либо работают, но очень медленно. Следует иметь в виду, что увеличение емкости основной памяти в два раза, помимо всего прочего, дает повышение эффективной производительности ЭВМ при решении сложных задач примерно в 1,7 раза.
4. Емкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестер). Емкость винчестера измеряется обычно в мегабайтах или гигабайтах (1 Гбайт = 1024 Мбайта).
5. Тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках и лазерных компакт дисков. Сейчас применяются накопители на гибких магнитных дисках, использующие дискеты размером 3,5 и 5,25 дюйма (практически уже не применяются) (1 дюйм = 25,4 мм). Первые имеют стандартную емкость 1,44 Мбайта, вторые 1,2 Мбайта. Также применяются накопители на компакт дисках в связи с их низкой стоимостью и большой емкостью, размером 650 и 700 Мb, применяются лазерные перезаписываемые диски CD-RW емкостью 650 – 700 Mb. Применяются и такой тип накопителя как DVD. Высокие технологии и высокая стоимость, но и большая емкость до 24 Gb.
6. Виды и емкость КЭШ-памяти. КЭШ-память — это буферная, недоступная для пользователей быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Например, для ускорения операций с основной памятью 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 ячейка электронной памяти. Следует иметь в виду, что наличие КЭШ-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность ПК примерно на 20 %. Встречается емкость КЭШ-памяти и 512 Кбайт
7. Тип видеомонитора (дисплея) и видеоадаптера.
8. Тип принтера.
9. Наличие математического сопроцессора. Математический сопроцессор позволяет в десятки раз ускорить выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами.
10. Имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы.
11. Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ. Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ означает возможность использования на компьютере соответственно тех же технических элементов и программного обеспечения, что и на других типах машин.
12. Возможность работы в вычислительной сети
13. Возможность работы в многозадачном режиме. Многозадачный режим позволяет выполнять вычисления одновременно по нескольким программам (многопрограммный режим) или для нескольких пользователей (многопользовательский режим). Совмещение во времени работы нескольких устройств машины, возможное в таком режиме, позволяет значительно увеличить эффективное быстродействие ЭВМ.
14. Надежность. Надежность — это способность системы выполнять полностью и правильно все заданные ей функции. Надежность ПК измеряется обычно средним временем наработки на отказ
15. Стоимость.
16. Габариты и масса.