Реферат: Архитектура персональных компьютеров
Введение
Распространение персональных компьютеров к концу70-х годов привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и мини ЭВМ.Этостало предметом серьезного беспокойства фирмы IBM (International BussinesMachines Corporation) — ведущей компании по производству больших ЭВМ, и в 1979году фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров.
Однако руководство фирмы недооценило будущуюважность этого рынка и рассматривало создание компьютера всего лишь как мелкийэксперимент — что-то вроде одной из десятков проводившихся в фирме работ посозданию нового оборудования.Чтобы не тратить на этот эксперимент слишком многоденег, руководство фирмы предоставило подразделению, ответственному за данныйпроект, невиданную в фирме свободу.В частности, ему было разрешено неконструировать персональный компьютер «с нуля», а использоватьблоки, изготовленные другими фирмами.И это подразделение сполна использовалопредоставленный шанс.
Прежде всего, в качестве основного микропроцессоракомпьютера был выбран новейший тогда 16-разрядный микропроцессорIntel-8088.Его использование позволило значительно увеличить потенциальныевозможности компьютера, так как новый микропроцессор позволял работать с 1Мбайтом памяти, а все имевшиеся тогда компьютеры были ограничены 64 Кбайтами.Вкомпьютере были использованы и другие комплектующие различных фирм, а его программноеобеспечение было поручено разработать небольшой фирме Microsoft.
В августе 1981 года новый компьютер под названиемIBM PC был официально представлен публике и вскоре после этого он приобрелбольшую популярность у пользователей.Через один-два года компьютер IBM PC занялведущее место на рынке, вытеснив модели 8-битовых компьютеров.Фактически IBM PCстал стандартом персонального компьютера.Сейчас такие компьютеры(«совместимые с IBM PC») составляют около 90% всех производимых вмире персональных компьютеров.
ОСНОВНЫЕ БЛОКИ IBM PC
Обычно персональные компьютеры IBM PC состоят изтрех частей (блоков) :
# системногоблока;
#клавиатуры, позволяющей вводить символы в компьютер;
# монитора (или дисплея) — для изображения текстовой и
графической информации.
Компьютеры выпускаются и в портативном варианте — в«наколенном» (лэптор) или «блокнотом» (ноутбук)исполнении.Здесь системный блок, монитор и клавиатура заключены в один корпус: системныйблок спрятан под клавиатурой, а монитор сделан как крышка к клавиатуре.
Хотя из этих частей компьютера системный блоквыглядит наименее эффектно, именно он является в компьютере«главным».В нем располагаются все основные узлы компьютера:
# электронные схемы, управляющие работой компьютера(микропроцессор, оперативная память, контроллеры устройства и т.д.);
# блок питания, преобразующий электропитание сети впостоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;
# накопители (или дисководы) для гибких магнитных
дисков, используемые для чтения и записи на гибкие магнитные диски(дискеты);
# накопитель на жестом магнитном диске, предназначенныйдля чтения и записи на несъемный жесткий магнитный диск (винчестер).
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕУСТРОЙСТВА
К системному блоку компьютера IBM PC можноподключать различные устройства ввода-вывода информации, расширяя тем самым егофункциональные возможности.Многие устройства подсоединяются через специальныегнезда (разъемы), находящиеся обычно на задней стенке системного блокакомпьютера.Кроме монитора и клавиатуры, такими устройствами являются:
# принтер — для вывода на печать текстовой и графической
информации;
# мышь — устройство, облегчающее ввод информации вкомпьютер;
# джойстик - манипулятор в виде укрепленной на шарнире
ручки скнопкой, употребляется в основном
для компьютерных игр;
# а также другие устройства.
Некоторые устройства могут вставляться внутрьсистемного блока компьютера, например:
# модем — дляобмена информацией с другими компьютерами
черезтелефонную сеть;
# факс-модем- сочетает возможность модема и телефакса;
# стример — для хранения данныхна магнитной ленте.
Некоторые устройства, например, многие разновидности сканеров (приборовдля ввода рисунков и текстов в компьютер), используют смешанный способподключения: в системный блок компьютера вставляется только электронная плата(контроллер), управляющая работой устройства, а само устройство подсоединяетсяк этой плате кабелем.
ЛОГИЧЕСКОЕУСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРА
МИКРОПРОЦЕССОР.Самым главным элементом вкомпьютере, его «мозгом», является микропоцессор — небольшая (внесколько сантиметров) электронная схема, выполняющая все вычисления и обработкуинформации.Микропроцессор умеет производить сотни различных операций и делаетэто со скоростью в несколько десятков или даже сотен миллионов операций всекунду.В компьютерах типа IBM PC используются микропроцессоры фирмы Intel, атакже совместимые с ними микропроцессоры других фирм (AMD,Cyrix,IBM и др.).
СОПРОЦЕССОР.В тех случаях, когда на компьютереприходится выполнять много математических вычислений (например, в инженерныхрасчетах), к основному микропроцессору добавляют математический сопроцессор.Онпомогает основному микропроцессору выполнять математические операции надвещественными числами.Новейшие микропроцессоры фирмы Intel (80486 и Pentium)сами умеют выполнять операции над вещественными числами, так что для нихсопроцессоры не требуются.
ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ.Следующим очень важным элементомкомпьютера является оперативная память.Именно из нее процессор и сопроцессорберут программы и исходные данные для обработки, в нее они записываютполученные результаты.Название «оперативная» эта память получилапотому, что она работает очень быстро, так что процессору не приходится ждать причтении данных из памяти или записи в память.Однако содержащиеся в ней данныесохраняются только пока компьютер включен, при выключении компьютера содержимоеоперативной памяти стирается (за исключением, о которых говорится ниже).
КОНТРОЛЛЕРЫ И ШИНА.Чтобы компьютер могработать, необходимо, чтобы в его оперативной памяти находились программа и данные.Апопадают они туда из различных устройств компьютера — клавиатуры, дисководов длямагнитных дисков и т.д.Обычно эти устройства называют внешними, хотя некоторыеиз них могут находиться не снаружи компьютера, а встраиваться внутрь системногоблока, как это описывалось выше.Результаты выполнения программ выводятся навнешние устройства — монитор, диски, принтер и т.д.
Таким образом, для работы компьютера необходим обменинформацией между оперативной памятью и внешними устройствами.Такой обменназывается вводом-выводом.Но этот обмен не происходит непосредственно: междулюбым внешним устройством и оперативной памятью в компьютере имеются целых двапромежуточных звена :
1.Для каждого внешнего устройства в компьютереимеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называетсяконтроллером, или адаптером.Некоторые контроллеры (например, контроллер дисков)могут управлять сразу несколькими устройствами.
2.Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют смикропроцессором и оперативной памятью через системную магистраль передачиданных, которую в просторечии обычно называют шиной.
ЭЛЕКТРОННЫЕ ПЛАТЫ.Для упрощения подключенияустройств электронные схемы IBM PC состоят из нескольких модулей — электронныхплат.На основной плате компьютера — системной, или материнской, плате — обычнорасполагаются основной микропроцессор, сопроцессор, оперативная память ишина.Схемы, управляющие внешними устройствами компьютера (контроллеры или адаптеры), находятсяна отдельных платах, вставляющихся в унифицированные разъемы (слоты) наматеринской плате.Через эти разъемы контроллеры устройств подключаются непосредственнок системной магистрали передачи данных в компьютере — шине.Таким образом, наличиесвободных разъемов шины обеспечивает возможность добавления к компьютеру новыхустройств.Чтобы заменить одно устройство другим (например, устаревший адаптермонитора на новый), надо просто вынуть соответствующую плату из разъема ивставить вместо нее другую.Несколько сложнее осуществляется замена самойматеринской платы.
БЛОК — СХЕМА.На блок-схеме контроллерклавиатуры обычно находится на системной плате, поскольку этоупрощает изготовление компьютера.Иногда на системной плате размещаются иконтроллеры других устройств.
КОНТРОЛЛЕРЫ ПОРТОВ ВВОДА — ВЫВОДА.Одним изконтроллеров, которые присутствуют почти в каждом компьютере, являетсяконтроллер портов ввода-вывода.Эти порты бывают следующих типов:
#параллельные (обозначаемые LPT1-LPT4), к ним обыкновенно
подключаютсяпринтеры;
#асинхронные последовательные (обозначаемые СОМ1-СОМ3).
Черезних обычно подсоединяются мышь, модем и т.д.
# игровой порт — дляподключения джойстика.
Некоторыеустройства могут подключаться и к
параллельным, ик последовательным портам.Параллельные порты
выполняютввод и вывод с большей скоростью, чем
последовательные(за счет использования большего числа
проводов в кабеле).
МИКРОПРОЦЕССОР
Микропроцессорявляется «мозгом» компьютера. Он
осуществляет выполнение программ, работающих на компьютере, и
управляетработой остальных устройств компьютера.Скорость его
работыво многом определяет быстродействие компьютера.В IBM PC
используются микропроцессоры, разработанные фирмой Intel, а
иногда - совместимые с ними микропроцессоры других фирм.
ХАРАКТЕРИСТИКИ МИКРОПРОЦЕССОРОВ.Микропроцессоры отличаются друг от друга двумя характеристиками: типом (моделью) и тактовой частотой.Наиболеераспространены модели Intel — 8088, 80286,80386SX,80386,80486 и Pentium, ониприведены в порядке возрастания производительности и цены.Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую частоту- чем выше тактоваячастота, тем выше производительность и цена микропроцессора.
ТАКТОВАЯ ЧАСТОТА указывает, сколько элементарныхопераций (тактов) микропроцессор выполняет в одну секунду.Тактовая частотаизмеряется в мегагерцах (МГц).Следует заметить, что разные моделимикропроцессоров выполняют одни и те же операции (например, сложение илиумножение) за разное число тактов.Чем выше модель микропроцессора, тем, какправило, меньше тактов требуется для выполнения одних и тех жеопераций.Поэтому, например, микропроцессор Intel-80386 работает раза в два быстрееIntel-80286 с такой же тактовой частотой.
МОДЕЛИ МИКРОПРОЦЕССОРОВ.Исходный вариант компьютераIBM PC и модель IBM PC ХТ использовали микропроцессор Intel-8088.В начале 80-хгодов эти микропроцессоры выпускались с тактовой частотой 4,77 МГц, затем были созданымодели с тактовой частотой 12 МГц (т.е. новые модели работают в 1,7-2,1 разабыстрее).Модели с увеличенной производительностью (тактовой частотой) иногданазываются Turbo-ХТ.Сейчас микропроцессоры типа Intel-8088 производятся внебольших количества, и для использования не в компьютерах, а в различныхспециализированных устройствах.
Модель IBM PC АТ использует более мощныймикропроцессор Intel-80286, и ее производительность приблизительно в 4-5 разбольше, чем у IBM PC ХТ.Исходные варианты IBM PC АТ работали на микропроцессорахс тактовой частотой 6 МГц, затем были созданы модели этого микропроцессора стактовой частотой от 12 до 25 МГц, т.е. работающие в 2-3 разабыстрее.Микропроцессор Intel-80286 имеет несколько больше возможностей посравнению с Intel-8088, но эти дополнительные возможности используются сIntel-8088, но эти дополнительные возможности используются очень редко, так чтобольшинство программ, работающих на АТ, будет работать и на ХТ.Сейчасмикропроцессоры типа Intel-80286 также считаются устаревшими и для применения вкомпьютерах не производятся.
ВЫБОР ТИПА МИКРОПРОЦЕССОРА.Быстродействие основногомикропроцессора во многом определяет скорость работы всего компьютера и, темсамым, диапозон применения компьютера:
# компьютеры на основе микропроцессоров Intel-8088 (или
Intel-8086) работают очень медленно, они уже полностью устарели и почтиполностью вышли из употребления;
# компьютеры на основе микропроцессора Intel-80286обеспечивают необходимое быстродействие для набора текстов, ввода исходныхданных для бухгалтерских и аналогичных задач, многих компьютерных игр и т.д.Однако новые компьютеры такого класса уже не выпускаются (поскольку считаютсяморально устаревшими), а покупать их вряд ли целесообразно даже по бросовымценам, так как для работы с большинством современных программ с графическиминтер-
фейсом (например, с программами, выполняемыми в среде
Windows) онипрактически не пригодны;
# компьютерына основе микропроцессоров Intel — 80386SX и
DX,Intel-80486SX обеспечивают приемлемую вычислительную мощность длябольшинства рабочих мест под управлением как DOS, так и Windows: дляпрограммирования, работы с не очень большими базами данных, макетирования(верстки) несложных изданий и т.д. Однако для комфортной работы в среде Windowsлучше приобрести более мощный компьютер;
# микропроцессоры Intel-80486DX и DX2 применяютсядля тех задач, где требуется высокое быстродействие компьютера: дляфайл-серверов больших локальных сетей, для профессиональных издательских,графических или анимационных программ, для решения серьезных вычислительныхзадач и т.
д. А для пользователей, постоянно работающих с компьютером, может бытьцелесообразно приобретение компьютера на основе Intel-80486DX или DX2 даже и втом случае, если они используют самые обычные программы типа Word for Windows6.0,Excel 5.0 и т.д., поскольку эти микропроцессоры сейчас стоят не намногодороже Intel-80386 и 80486SX, а обеспечивают заметно большую производительность;
# микропроцессоры Pentium и рассчитанные на егоиспользование системные платы пока что стоят весьма дорого, поэтому ихцелесообразно применять для таких приложений, как воспроизведениевидеоизображений в реальном времени,
большие задачи трехмерного проектирования и моделирования, созданиямощных файл-серверов и многопроцессорных систем.
МАТЕМАТИЧЕСКИЙСОПРОЦЕССОР
Микропроцессоры Intel-80286 и Intel-80386 несодержат специальных команд для работы с числами с плавающей точкой.Припроведении расчетов с такими числами каждая операция над ними моделируется спомощью нескольких десятков операций микропроцессора.Это сильно снижаетэффективность применения компьютера для научных вычислений, при использованиимашинной графики и для других применений с интенсивным использованием чисел сплавающей точкой.Поэтому в этих случаях следует использовать компьютеры IBM PCс установленным математическим сопроцессором Intel-8087,Intel-80287 илиIntel-80387.Наличие сопроцессора может увеличить скорость выполнения операций сплавающей точкой в 5-15 раз.Микропроцессоры Intel-80486DX и DX2 и Pentium самиподдерживают операции с плавающей точкой, поэтому при их использованииматематический сопроцессор не требуется.
ОПЕРАТИВНАЯПАМЯТЬ
Оперативная память компьютера IBM PC с процессоромIntel-8088 или Intel-8086 (например,IBM PC XT) может иметь размер не более 1Мбайта, поскольку эти микропроцессоры могут обращаться не более чем к 1 Мбайтупамяти.Эта память состоит из двух частей.Первые 640 Кбайт памяти могутиспользоваться прикладными программами и операционной системой.Остальные адресапамяти («верхняя память») зарезервированы для служебных целей:
# для хранения части операционной системы DOS, которая
обеспечиваеттестирование компьютера, начальную загрузку
операционнойсистемы, а также выполнение основных низкоуровневых услуг ввода-вывода;
# дляпередачи изображения на экран;
# для хранения различных расширений операционнойсистемы, которые поставляются вместе с дополнительными устройствамикомпьютера.
Как правило, когда говорят об объеме оперативнойпамяти компьютера, то имеют в виду именно первую ее часть, которая можетиспользоваться прикладными программами и операционной системой.Мы тоже будем вдальнейшем поступать таким образом.
КЭШ- ПАМЯТЬ
Для достаточно быстрых компьютеров (например, наоснове Intel-80386 с тактовой частотой более 25 МГц или Intel-80486) необходимообеспечить быстрый доступ к оперативной памяти, иначе микропроцессор будетпростаивать и быстродействие компьютера уменьшится.Для этого такие компьютерымогут оснащаться кэш-памятью, т.е. «сверхоперативной» памятьюотносительно небольшого объема (обычно от 64 до 256 Кбайт), в которой хранятсянаиболее часто используемые участки оперативной памяти.Кэш-памятьрасполагается «между» микропроцессором и оперативной памятью, и приобращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных данных вкэш-памяти.Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем кобычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данныесодержаться в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается.Длякомпьютеров на основе Intel-80386DX или 80486SX размер кэш-памяти в 64 Кбайтявляется удовлетворительным,128 Кбайт — вполне достаточным.Компьютеры наоснове Intel-80486DX и DX2 обычно оснащаются кэш-памятью емкостью 256 Кбайт.
МОНИТОРЫ
Монитор (дисплей) компьютера IBM PC предназначендля вывода на экран текстовой и графической информации.Мониторы бываютцветными и монохромными.Они могут работать в одном из двух режимов: текстовом играфическом.
ТЕКСТОВЫЙ РЕЖИМ.В текстовом режиме экран монитораусловно разбивается на отдельные участки — знакоместа, чаще всего на 25 строк по80 символов (знакомест).В каждое знакоместо может быть выведен один из 256заранее заданных символов.В число этих символов входят большие и малыелатинские буквы, цифры, символы, а также псевдографические символы, используемыедля вывода на экран таблиц и диаграмм, построения рамок вокруг участков экрана ит.д.
ГРАФИЧЕСКИЙ РЕЖИМ.Графический режим мониторапредназначен для вывода на экран графиков, рисунков и т.д.Разумеется, в этомрежиме можно также выводить и текстовую информацию в виде различныхнадписей, причем эти надписи могут иметь произвольный шрифт, размер букв и т.д.
В графическом режиме экран монитора состоит източек, каждая из которых может быть темной или светлой на монохромных мониторахили одного из нескольких цветов — на цветном.Количество точек по горизонтали ивертикали называется разрешающей способностью монитора в данном режиме.Следуетзаметить, что разрешающая способность не зависит от размера экрана монитора, подобнотому как и большой, и маленький телевизоры имеют на экране 625 строк разверткиизображения.
ЧАСТО ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МОНИТОРЫ.Наиболее широкоераспространение в компьютере IBM PC получили мониторы типовMDA,CGA,Hercules,EGA и VGA.
В настоящее время мониторы MDA и CGA используютсяуже очень редко, так как они не обладают надлежащей разрешающей способностью, чтоприводит к быстрому утомлению глаз.Кроме того, не имеют возможности программнойзагрузки шрифтов символов, поэтому для изображения букв кириллицы в текстовомрежиме приходится заменять электронные схемы, хранящие шрифты (знакогенераторы).Иногда, впрочем, можноне заменять знакогенератор, а записать в него с помощью специальных приборовнужные шрифты символов.
Большинство компьютеров, выпущенных в конце 80-х годов, оснащалисьмониторами типа VGA.Они обеспечивают достаточное количество изображения втекстовом и графическом режиме экрана при работе с DOS-программами.Несколькохуже мониторы EGA, они считаются еще более устаревшими.Но для современныхпрограмм, использующих графический интерфейс взаимодействия спользователем, разрешение VGA (640*480 точек) уже явно недостаточно.Поэтомупрактически все современные компьютеры оснащаются мониторами типаSuper-VGA, обеспечивающими разрешающую способность 1024*768 и 800*600.
КЛАВИАТУРА
Клавиатура IBM PC предназначена для ввода в компьютер информации отпользователя.
Расположение латинских букв на клавиатуре IBM PC, как правило, такоеже, как на английской пишущей машинке, а букв кириллицы — как на русской пишущеймашинке.
ВВОД ПРОПИСНЫХ И СТРОЧНЫХ БУКВ.Для ввода прописныхбукв и других символов, располагающихся на верхнем регистре клавиатуры, имеетсяклавиша Shift.Например, чтобы ввести строчную букву «d», надо нажатьклавишу, на которой изображено «D», а чтобы ввести прописную букву«D», надо нажать клавишу Shift и, не отпуская ее, нажать на клавишу D.
Клавиша Caps Lock служит для фиксации режимапрописных букв.Это удобно при вводе текста, состоящего из таких букв.Повторноенажатие клавиши Caps Lock отменяет режим прописных букв.В режиме Caps Lockнажатие клавиши Shift дает возможность ввода строчных букв.Иногда клавиша CapsLock используется для других целей, например для переключения на русскийалфавит.
СПЕЦИАЛЬНЫЕ КЛАВИШИ КЛАВИАТУРЫ.Кромеалфавитно-цифровых клавиш и клавиш со знаками пунктуации, на клавиатуре имеетсябольшое число специальных клавиш.
Клавиша Enter предназначена для окончания вводастроки.Например, при вводе команд DOS ввод каждой команды должен оканчиватьсянажатием клавиши Enter.
Клавиша BackSpace удаляет символ, находящийся слеваот курсора (курсор обычно изображается мигающим символом, похожим на знакподчеркивания).
Клавиша Del (Delete-удаление) используется дляудаления символа, находящегося под курсором.
Клавиша Inc (Insert-вставка) предназначена дляпереключения между двумя режимами ввода символов: ввода с раздвижкой символов(вставка) и ввода с замещением
ранеенабранных сивмолов (замена).
Клавиша Esc (escape-убегать, спасаться), как прави-
ло, используется для отмены какого-либо действия, выходя из режимапрограммы и т.д.
Клавиша Tab (табуляция) при редактировании текстовобычно используется для перехода к следующей позиции табуляции.В другихпрограммах ее значение может быть иным: переключение между «окошками»на экране, полями запроса и т.д.
Функциональные клавиши F1-F12 (на некоторыхклавиатурах F1-F10) предназначены для различных специальных действий.Ихдействие определяется выполняемой программой.
КЛАВИШИ CTRL и ALT.На клавиатуре имеютсяспециальные клавиши Ctrl и Alt.Как клавиша Shift, они предназначены для изменениязначений других клавиш.Клавиши Ctrl и Alt вводятся в комбинации с другимиклавишами, и выполняющаяся программа может особым образом реагировать на такиекомбинации клавиш.
З АК Л Ю Ч Е Н И Е
Конечно, в пределах 1-й контрольной работы оченьтрудно охватить полностью такую обширную тему как предложенная — АРХИТЕКТУРАПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ. Развитие электронной промышленности икомпьютеростроения осуществляется такими быстрыми темпами, что буквально через1-2 года, сегодняшнее " чудо техники" становится морально устаревшим.Однако принципы устройства компьютера остаются неизменными еще с того моментакак знаменитый математик Джон фон Нейман в 1945 году подготовил доклад обустройстве и функционировании универсальных вычислительных устройств, т.е.компьютеров.
К тому же, каждый пользователь, эксплуатирующийперсональный компьютер, знает круг задач для решения которых он используеткомпьютер, а следовательно и 10 лет назад приобретнная «286-я машина»исправно работающая, удовлетворяющая запросы того или иного специалистаявляется незаменимым его помощником в повседневном труде.
Поэтому рассмотренная выше тема дает наглядное представление о том, какоеведущее место в жизни общества занимают в настоящее время персональныекомпьютеры, сфера применения которых безгранична.