В. П. Дьяконов, А. Н. Черничин Новые информационные технологии Часть Основы и аппаратное обеспечение Под общей редакцией проф. В. П. Дьяконова Смоленск 2003
| Вид материала | Документы |
- Высшее образование новые педагогические и информационные технологии в системе образования, 4841.75kb.
- Перевод с норвежского М. П. Дьяконовой Под редакцией М. А. Дьяконова Предисловие проф., 5465.89kb.
- Литература: Калугина Т. А. Новые информационные технологии в сфере образования: методологические, 14.35kb.
- Юрия Михайловича Лахтина, прочитанной на 3-х Лахтинских чтениях 21 сентября 2003 года, 1244.48kb.
- Под общей редакцией проф. Малого В. П., проф. Кратенко И. С. Харьков 2008, 8344.22kb.
- Информационные технологии и управление в технических системах всех форм обучения Под, 793.84kb.
- Леонид Владимирович Дьяконов указатель, 8647.04kb.
- Международный общественный благотворительный, 2426.77kb.
- 2. технические основы информационных технологий в экономике, 988.43kb.
- Учебник под редакцией, 9200.03kb.
3.3. Архитектура персональных компьютеров
3.3.1. Что такое архитектура компьютера
ПК можно уподобить целому городу, живущему своей жизнью. О любом городе очень многое говорит его архитектура. Знакомясь с ней, можно понять историческую судьбу города и узнать о новых достижениях в его строительстве. Так обстоит дело и с ПК. У современных ПК используется шинная архитектура (рис. 3.6).
Р
ис. 3.6. Упрощенная функциональная схема ПКРассмотрим ее узлы более детально.
3.3.2. Корпус и системная (материнская) плата ПК
С
овременный ПК выполнен в корпусе из металла или пластмассы. Металлический корпус служит экраном, уменьшающим излучение узлов ПК, поэтому он более предпочтителен. Различают корпуса настольных ПК с горизонтальным расположением (desktop – рис. 3.4) и с вертикальным типа башенки (tower - рис. 3.7).Рис. 3.7. Расположение основных узлов системного блока
О
сновные узлы ПК сосредоточены на его системной (материнской) плате (рис. 3.8). Это многослойная печатная плата из диэлектрика (чаще всего стеклотекстолита) с несколькими слоями соединительных проводников. Рис. 3.8. Материнская плата ПК формата ATX для ПК с процессорами Pentium III или Celeron
В настоящее время корпуса и системные платы выпускаются в основном формата ATX. Вентилятор источника электропитания такого корпуса загоняет воздух внутрь корпуса. Модуль микропроцессора с радиатором располагается прямо у выходного отверстия вентилятора источника питания, что усиливает охлаждение микропроцессора. У плат формата ATX удобно расположены многочисленные разъемы, что уменьшает длину плоских кабелей.
Разумеется, помимо стандартных корпусов есть масса и нестандартных. Некоторые разработчики вернулись к идее «досок», объединив клавиатуру с системным блоком. Другие объединяют системный блок с дисплеем. В архитектуре ПК от этого ничего не меняется - она остается шинной архитектурой.
3.3.3. Шины ПК и разъемы расширения
На материнской плате ПК шина - это внешне незаметная группа печатных проводов. Применяются следующие типы шин:
ISA (Industry Standard Architecture) – устаревшая шина ПК IBM PC XT, имеющая разрядность данных 8 бит и адресов 20 бит (у ПК AT она была увеличена до 16 и 24 бит соответственно). Разъемы расширения шины имели 62 контакта (плюс 36 для AT). Вариант EISA (Extended ISA) имел уже 32-разрядную шину данных (рис. 3.7);
MCA (MicroChanel Architecture) – шина компьютеров IBM PS/2 с закрытой архитектурой. Эта шина также уже не применяется;
PCI (Peripheral Computer Interconnect) – основная в наши дни шина для подключения периферийных устройств к ПК (рис. 3.7). Это надежная синхронная 32/64-разрядная шина. Частота ее работы была увеличена с 33 до 150 МГц и выше. Поддерживает подключение до четырех устройств, но с помощью мостов (PCI Bridges) их число можно увеличить. Слоты шины уменьшенного (по сравнению с ISA) размера имеют 94 контакта.
Со временем для ускорения работы видеоадаптера и жесткого диска были введены так называемые локальные шины (local bus):
- VLB (VESA Local Bus) – локальная ускоренная 32-разрядная шина, введенная после создания процессоров Intel 486. В настоящее время устарела и в новых ПК не применяется;
- AGP (Accelerated Graphic Port) – новая ускоренная шина (графический порт) для подключения видеоадаптера, имеющая 66 контактов. Тактовая частота порта 66,66 МГц. Появились порты с ускорением в два раза AGP2 и даже в четыре раза – AGP4.
Широкое применение получила высокоскоростная универсальная последовательная шина – USB. Она хорошо дополняет традиционные порты ПК – последовательный порт RS-232 (COM) и параллельный (LPT).
3.3.4. Виды памяти ПК
Для хранения данных и программ ПК оснащены подсистемой памяти. Особо надо отметить два важных вида памяти - постоянную ПЗУ и оперативную ОЗУ (см. рис. 3.8). Имеется также быстрая кэш-память разных уровней.
Остальные виды памяти на дисковых накопителях, CD-ROM, жестких дисках и т.д. относят к устройствам долговременного хранения информации. Они будут рассмотрены позднее.
3.3.5. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)
Постоянное запоминающее устройство ПК (ПЗУ) именуют также ROM (Read Only Memory - память только для чтения). Сейчас в ПЗУ применяются микросхемы, которые легко перепрограммируются прямо на системной плате электрическими импульсами. Их называют Flash EDROM или флэш-памятью.
Еще один вид ПЗУ выполняется на особых комплементарных полевых транзисторах (с каналами разного типа проводимости) и реализован в CMOS микросхемах. Эта память теряет информацию при выключении питания. Но она потребляет настолько ничтожную мощность по цепи питания, что ее годами можно питать от миниатюрной батареи, что обычно и делается в современных ПК. Заодно от этой батареи питают и системные часы ПК – таймер.
ПЗУ хранит комплекс небольших программ начальной загрузки и тестирования компьютера. Одна из таких программ Setup обеспечивает начальную настройку ПК. Обычно для доступа к ее окну достаточно нажать и придержать клавишу Del в начале загрузки. Для перехода к начальной загрузке можно нажать клавишу Reset на передней панели центрального блока или нажать разом клавиши Ctrl+Alt и Del.
В ПЗУ находится также базовая система ввода/вывода BIOS (Basic Input/Output System). Она представляет собой набор небольших программ, осуществляющих стандартные операции ввода и вывода – например, ввода знаков с клавиатуры и их вывод на экран дисплея. Все это программное обеспечение относится к категории Hardware (входящее в аппаратную часть).
BIOS современных ПК реализует особый метод самонастройки ПК на подключаемое к нему оборудование. Этот метод называется Plug and Play – в буквальном переводе «Включил и Работай». Этот метод реализуется сразу после включения ПК.
3.3.6. Оперативное запоминающее устройство - ОЗУ
Для реальной работы с ПК, помимо прикладных программ, нужны еще программы, задающие выполнение компьютером хотя бы минимально необходимых рабочих операций общего характера. У современных ПК набор таких программ образует так называемую операционную систему – ОС (или OS). Если она хранится на магнитных дисках, то ее называют дисковой операционной системой – ДОС (или DOS).
После загрузки операционной системы прикладные программы и данные нужно хранить в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) ПК. Программы, загружаемые в ОЗУ извне, принято называть Software (мягкое программное обеспечение).
ОЗУ выполнено на микросхемах. Информацию в произвольные их ячейки памяти можно многократно записывать и затем считывать. При отключении напряжения питания от микросхем ОЗУ эта информация теряется. На английском языке память произвольного доступа называется Random Access Memory (RAM). Данные в такой памяти в любой момент времени можно стереть и заменить новыми данными.
Микросхемы ОЗУ (RAM) бывают двух типов - статические и динамические. Статическое ОЗУ – SRAM – это просто набор триггеров с двумя устойчивыми состояниями. Объем памяти у такого устройства равен 2M, где M - число двоичных ячеек памяти. Статическое ОЗУ хранит информацию сколь угодно долго - пока включено напряжение питания. Но при его выключении ОЗУ теряет информацию.
Есть еще одно совсем простое устройство, которое тоже имеет два состояния, - это конденсатор. Если он разряжен - имеем логический 0, заряжен - логическую 1. Конденсатор с довольно простой схемой определения его заряда образует элементарную ячейку динамического ОЗУ - DRAM.
Конденсаторные ячейки памяти хранят информацию временно, и ее время от времени (т.е. в динамике) надо регенерировать. На это уходит 5-10 % времени работы ПК. Тем не менее такие ячейки получаются простыми, поэтому ОЗУ большой емкости в ПК обычно динамического типа.
У старых ПК класса IBM PC XT и AT объем памяти ОЗУ не превышал 1 Мбайта и микросхемы памяти устанавливались прямо на материнской плате, занимая порой до трети ее поверхности. Затем стали применяться небольшие платки, называемые модулями SIMM (Single In-Line Memory Module – модуль памяти с односторонним расположением выводов).
У
современных ПК применяются сдвоенные модули DIMM (Double In-Line Memmory Module), подобные показанным на рис. 3.9. Это позволяет еще больше повысить компактность расположения микросхем памяти, уменьшить длину проводов и повысить скорость доступа к ячейкам памяти. Модули памяти объединены в банки. Желательно применение в банках однотипных модулей.Рис. 3.9. Модуль памяти DIMM современного ПК
Микросхемы ОЗУ имеют страничную организацию ячеек. Это значит, что место ячейки (ее адрес) раскладывается на два компонента - адрес строки (row) и адрес столбца (column). Последние задаются двумя сигналами выборки - RAS (Row Address Strobe) и CAS (Column Address Strobe). Обычно вначале подается сигнал RAS, а затем с задержкой - сигнал CAS.
3.3.7. Современные модули оперативной памяти
С 1997 г. произошел массовый переход на память, реализуемую микросхемами SDRAM в модулях DIMM. Они давали время доступа 50 нс при использовании чипсета 440BX. Затем появилась модули SDRAM PC100 (частота 100 МГц) с временем выборки 8 нс. Они широко используются с процессорами Celeron.
Совершенствование этих модулей привело к созданию DDR SDRAM (SDRAM II) и ESDRAM со стандартным разъемом на 168 контактов (рис. 3.9) и частотой до 125 и позже 133 МГц. Пропускная способность ESDRAM достигла 1.6-3,2 Гбайта/c. Эти модули памяти используются в ПК с Pentium II, Pentium III и Pentium 4.
Новый процессор Pentium 4 оказался подлинным «полиглотом» в части применения памяти самого разного вида. Он поддерживает работу даже с модулями PC133, обеспечивая если и не рекордное, то вполне приемлемое ускорение скорости работы офисных программ. Это открыло возможность применения Pentium 4 с такой памятью для построения дешевых ПК.
Еще лучше результаты получаются при использовании DDR266/333, что дает выигрыш по скорости работы до 2-2,3 раз. Однако в целом применение этих модулей оказалось не очень оправданным – в ПК низшей категории можно применять старую и хорошо отработанную память на модулях PC133. Но новые модули вполне разумно применять для компьютеров на процессорах Athlon XP фирмы AMD. Перспективным видом памяти для ПК с Pentium 4 становится сверхскоростная память RDRAM фирмы Rambus, реализованная в модулях PC800 с рабочей частотой 800 МГц с разъемом RIMM (Rambus In-Line Memory Module).
Если для вполне удовлетворительной работы операционной системы Windows 98 хватало 64 Мбайт памяти, то новая Windows XP требует хотя бы 128 Мбайт. А для хорошей работы ее работы потребуется 256 Мбайт.
3.3.8. Адресное пространство памяти ПК
Для адресного обращения к ячейкам памяти используется их адресация (как и у домов на улицах города). Адреса - нередко большие числа, и поэтому для адресации обычно применяют шестнадцатиричные числа. Совокупность адресов памяти образует адресное пространство. Обсудим его структуру – рис. 3.10.
Адреса ячеек памяти у ПК выражаются просто их порядковыми номерами. Первые 640 Кбайт памяти ОЗУ называют основной или стандартной памятью (conventional memory). С обращением к ним нет никаких проблем. В том числе со стороны MS-DOS любых версий. Эта память была определена еще в ПК IBM PC XT, имевших 20-разрядную шину адресов.
Р
ис. 3.10. Диаграмма распределения памяти ПКНо уже в ПК IBM PC AT основная память была наращена до 1 Мбайта. Аппендикс - память от 640 Кбайт до 1 Мбайта - получил название скрытая память (shadow memory). Иногда ее называют также UMA областью памяти (Upper Memory Area) или верхней областью памяти. Напрямую она для программ под MS-DOS недоступна. Но драйвер himem.sys позволяет получать к ней доступ.
Снизу этой области зарезервирована область памяти для обслуживания видеоадаптеров. Она содержит память под текстовые и графические страницы, а также память под BIOS видеоадаптера, жесткого диска и обычную BIOS.
В старых ПК (до 386-х) в UMA размещено окно размером в 64 Кбайта, ячейки которого обеспечивают адресацию к 32 Мбайтам памяти. В ПК с процессорами 386 и выше этот вид памяти создается из расширенной памяти и сам по себе не применяется. Этот вид памяти называют дополнительной памятью - EMS (Expanded Memory Specification). Драйвер emm386 обеспечивает программную поддержку этой памяти. В верхней области UMA располагается системная BIOS.
Начиная с ПК класса 386 выше потолка памяти в 1 Мбайт расположена область памяти HMA (High Memory Arrea). Она используется также для адресации к обычно недоступной расширенной памяти с помощью перекрывающихся сегментов, содержащих по 64 Кбайта памяти. HMA память доступна в реальном режиме работы микропроцессоров. Драйвер himem.sys обеспечивает программную поддержку этой памяти.
Вообще говоря, вся память свыше 1 Мбайта называется наращенной или расширенной памятью XMS (eXtended Memory Specification), так что в нее входит и память HMA и так называемая дополнительная память.
Разобраться с распределением памяти конкретного ПК помогает утилита mem (от memory - память), входящая в состав MS-DOS, а также системные программы, входящие в Windows.
3.3.9. Прямой доступ к памяти (DMA)
Прямой доступ к памяти (DMA - Direct Memory Access) позволяет некоторым периферийным устройствам быстро обращаться к памяти напрямую. Для этого используется специальный контроллер DMA в виде микросхемы. В настольных ПК используют 4 канала DMA с номерами 0, 1, 2 и 3.
3.3.10. Архитектура UMA с общей памятью
У некоторых простых ПК используется архитектура компьютеров с общей памятью UMA (Untified Memory Arhitecture). Она применяется, в частности, в домашних ПК Aptiva фирмы IBM. Объединение ОЗУ с видеопамятью на одной материнской плате упрощает ее конструкцию и уменьшает число проводников на плате.
3.3.11. Понятие о прерываниях
Адресное пространство ПК начинается с таблицы векторов прерываний IRQ (InteRrupt reQuest). Прерывания - это особый механизм выявления событий, происходящих при работе компьютера и реакции его на них. Аппаратно он реализован специальной микросхемой - контроллером прерываний.
При работе ПК происходит периодический опрос клавиатуры и других узлов компьютера на предмет выявления событий в среднем 50 раз в секунду. Если событий не происходит, компьютер спокойно продолжает свою работу - считает все, что нужно, по введенной в него прикладной программе. Если событие произошло, то компьютер приостанавливает работу и обращается к таблице векторов прерываний. При этом выполняется программа обработки соответствующего прерывания.
Таблица прерываний состоит из сдвоенных двухбайтовых ячеек, в которых содержатся сегменты и смещения 16-разрядных адресов подпрограмм BIOS, ведущих обработку прерываний. Эти подпрограммы выполняют действия, адекватные событиям, - например, если не хватило памяти, то работа ПК прекращается и на экран дисплея выводится сообщение об ошибке - нехватке памяти.
Каждое прерывание характеризуется своим номером и адресом подпрограммы обработки прерывания. На таблицу прерываний отведен первый килобайт памяти, так что всего может быть около 250 прерываний. Однако реально пользователю доступны установки лишь 16 прерываний. Номер прерывания определяется порядковым номером пары двухбайтовых ячеек в ОЗУ.
Вряд ли детальное знакомство с прерываниями нужно рядовому пользователю - за него обработкой прерываний управляют прикладные программы. Обычно с их начальным распределением, зависящим от числа и типа подключаемых к ПК периферийных устройств, успешно справляются и средства Plug and Play.