Архитектура персонального компьютера - Архитектура и процессоры персональных компьютеров
Персональный компьютер типа IBM PC имеет довольно традиционную архитектуру микропроцессорной системы и содержит все обычные функциональные узлы: процессор, постоянную и оперативную память, устройства ввода/вывода, системную шину, источник питания (рис.7.1). Основные особенности архитектуры персональных компьютеров сводятся к принципам компоновки аппаратуры, а также к выбранному набору системных аппаратных средств.
Рис. 7.1. Архитектура персонального компьютера типа IBM PC.
Функции основных узлов компьютера следующие:
- * Центральный процессор -- это микропроцессор со всеми необходимыми вспомогательными микросхемами, включая внешнюю кэш-память и контроллер системной шины. (О кэш-памяти подробнее будет рассказано в следующих разделах). В большинстве случаев именно центральный процессор осуществляет обмен по системной шине. * Оперативная память может занимать почти все адресуемое пространство памяти процессора. Однако чаще всего ее объем гораздо меньше. В современных персональных компьютерах стандартный объем системной памяти составляет, как правило, от 64 до 512 Мбайт. Оперативная память компьютера выполняется на микросхемах динамической памяти и поэтому требует регенерации. * Постоянная память (ROM BIOS -- Base Input/Output System) имеет небольшой объем (до 64 Кбайт), содержит программу начального запуска, описание конфигурации системы, а также драйверы (программы нижнего уровня) для взаимодействия с системными устройствами. * Контроллер прерываний преобразует аппаратные прерывания системной магистрали в аппаратные прерывания процессора и задает адреса векторов прерывания. Все режимы функционирования контроллера прерываний задаются программно процессором перед началом работы. * Контроллер прямого доступа к памяти принимает запрос на ПДП из системной магистрали, передает его процессору, а после предоставления процессором магистрали производит пересылку данных между памятью и устройством ввода/вывода. Все режимы функционирования контроллера ПДП задаются программно процессором перед началом работы. Использование встроенных в компьютер контроллеров прерываний и ПДП позволяет существенно упростить аппаратуру применяемых плат расширения. * Контроллер регенерации осуществляет периодическое обновление информации в динамической оперативной памяти путем проведения по шине специальных циклов регенерации. На время циклов регенерации он становится хозяином (задатчиком) шины. * Перестановщик байтов данных помогает производить обмен данными между 16-разрядным и 8-разрядным устройствами, пересылать целые слова или отдельные байты. * Часы реального времени и таймер-счетчик -- это устройства для внутреннего контроля времени и даты, а также для программной выдержки временных интервалов, программного задания частоты и т. д. * Системные устройства ввода/вывода -- это те устройства, которые необходимы для работы компьютера и взаимодействия со стандартными внешними устройствами по параллельному и последовательному интерфейсам. Они могут быть выполнены на материнской плате, а могут располагаться на платах расширения. * Платы расширения устанавливаются в слоты (разъемы) системной магистрали и могут содержать оперативную память и устройства ввода/вывода. Они могут обмениваться данными с другими устройствами на шине в режиме программного обмена, в режиме прерываний и в режиме ПДП. Предусмотрена также возможность захвата шины, то есть полного отключения от шины всех системных устройств на некоторое время.
Важная особенность подобной архитектуры -- ее открытость, то есть возможность включения в компьютер дополнительных устройств, причем как системных устройств, так и разнообразных плат расширения. Открытость предполагает также возможность простого встраивания программ пользователя на любом уровне программного обеспечения компьютера.
Первый компьютер семейства, получивший широкое распространение, IBM PC XT, был выполнен на базе оригинальной системной магистрали PC XT-Bus. В дальнейшем (начиная с IBM PC AT) она была доработана до магистрали, ставшей стандартной и получившей название ISA (Industry Standard Architecture). До недавнего времени ISA оставалась основой компьютера. Однако, начиная с появления процессоров i486 (в 1989 году), она перестала удовлетворять требованиям производительности, и ее стали дублировать более быстрыми шинами: VLB (VESA Local Bus) и PCI (Peripheral Component Interconnect bus) или заменять совместимой с ISA магистралью EISA (Enhanced ISA). Постепенно шина PCI вытеснила конкурентов и стала фактическим стандартом, а начиная с 1999 года в новых компьютерах рекомендуется полностью отказываться от магистрали ISA, оставляя только PCI. Правда, при этом приходится отказываться от применения плат расширения, разработанных за долгие годы для подключения к магистрали ISA.
Другое направление совершенствования архитектуры персонального компьютера связано с максимальным ускорением обмена информацией с системной памятью. Именно из системной памяти компьютер читает все исполняемые команды, и в системной же памяти он хранит данные. То есть больше всего обращений процессор совершает именно к памяти. Ускорение обмена с памятью приводит к существенному ускорению работы всей системы в целом. Но при использовании для обмена с памятью системной магистрали приходится учитывать скоростные ограничения магистрали. Системная магистраль должна обеспечивать сопряжение с большим числом устройств, поэтому она должна имен, довольно большую протяженность; она требует применения входных и выходных буферов для согласования с линиями магистрали. Циклы обмена по системной магистрали сложны, и ускорять их нельзя. В результате существенного ускорения обмена процессора с памятью по магистрали добиться невозможно.
Разработчиками был предложен следующий подход. Системная память подключается не к системной магистрали, а к специальной высокоскоростной шине, находящейся "ближе" к процессору, не требующей сложных буферов и больших расстояний. В таком случае обмен с памятью идет с максимально возможной для данного процессора скоростью, и системная магистраль не замедляет его. Особенно актуальным это становится с ростом быстродействия процессора (сейчас тактовые частоты процессоров персональных компьютеров достигают 1--3 ГГц).
Таким образом, структура персонального компьютера из одношинной, применявшейся только в первых компьютерах, становится трехшинной (рис. 7.2).
Рис. 7.2. Организация связей в случае трехшинной структуры.
Назначение шин следующее:
- * к локальной шине подключаются центральный процессор и кэш-память (быстрая буферная память); * к шине памяти подключается оперативная и постоянная память компьютера, а также контроллер системной шины; * к системной шине (магистрали) подключаются все остальные устройства компьютера.
Все три шины имеют адресные линии, линии данных и управляющие сигналы. Но состав и назначение линий этих шин не совпадают между собой, хотя они и выполняют одинаковые функции. С точки зрения процессора, системная шина (магистраль) в системе всего одна, по ней он получает данные и команды и передает данные как в память, так и в устройства ввода/вывода.
Временные задержки между системной памятью и процессором в данном случае минимальны, так как локальная шина и шина памяти соединены только простейшими быстродействующими буферами. Еще меньше задержки между процессором и кэш-памятью, подключаемой непосредственно к локальной шине процессора и служащей для ускорения обмена процессора с системной памятью.
Если в компьютере применяются две системные шины, например, ISA и PCI, то каждая из них имеет свой собственный контроллер шины, и работают они параллельно, не влияя друг на друга. Тогда получается уже четырехшинная, а иногда и пятишинная структура. Пример такой структуры компьютера приведен на рис. 7.3.
Рис. 7.3. Пример многошинной структуры.
В наиболее распространенных настольных компьютерах класса Desktop в качестве конструктивной основы используется системная или материнская плата (motherboard), на которой располагаются все основные системные узлы компьютера, а также несколько разъемов (слотов) системной шины для подключения дочерних плат -- плат расширения (интерфейсных модулей, контроллеров, адаптеров). Как правило, современные системные платы допускают замену процессора, выбор его тактовой частоты, замену и наращивание оперативной памяти, выбор режимов работы других узлов.
На системной плате сейчас обычно располагаются также основные средства внешнего интерфейса, служащие для присоединения как встроенных устройств (например, дисковых носителей), так и внешних устройств компьютера (например, клавиатуры, мыши, принтера, сканера, модема). Для подключения видеомонитора, как правило, используется специальная плата расширения (контроллер дисплея), вставляемая в один из слотов. Это позволяет заменять ее более мощной при необходимости установки нового монитора.
Отметим, что для получающих все более широкое распространение портативных персональных компьютеров класса ноутбуков (notebook) применяются несколько иные конструктивные решения. В частности, в них отсутствуют слоты расширения системной шины, а практически все узлы компьютера выполняются на одной плате. Но мы в основном будем говорить о компьютерах типа desktop (настольных), так как именно они наиболее приспособлены для построения сложных систем, допускают довольно простую модернизацию (upgrade) и настройку на конкретные нужды пользователя.
Похожие статьи
-
Структура ПК - Устройство персонального компьютера
А) Основные устройства Из каких же основных элементов состоит современный ПК? Наиболее "весомой" частью любого компьютера является системный блок. Внутри...
-
Особенности процессоров 8086/8088 - Архитектура и процессоры персональных компьютеров
Описание микропроцессоров фирмы Intel мы начнем с процессоров i8086/8088. Именно заложенные в них архитектурные решения во многом определили архитектуру...
-
История развития персональных компьютеров - Устройство персонального компьютера
Как был изобретен компьютер. Слово "компьютер" означает "вычислитель", т. е. устройство для вычислений. Потребность в автоматизации обработки данных, в...
-
Архитектура фон Неймана - Микропроцессор как важнейший компонент персонального компьютера
Микропроцессор компьютер регистр нейман Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основаны на той или иной версии...
-
Введение. - Архитектура персонального компьютера. Характеристика основных устройств
Актуальность, цели и задачи настоящего реферата будут определены следующими реалиями и положениями. Появление в 1975 г. в США первого серийного...
-
Особенности процессоров Pentium - Архитектура и процессоры персональных компьютеров
Процессоры Pentium относятся к пятому поколению процессоров или к третьему поколению 32-разрядных процессоров. По своим основным архитектурным принципам...
-
Особенности процессора 486 - Архитектура и процессоры персональных компьютеров
Процессор 486 является представителем второго поколения 32-разрядных процессоров. Он сохраняет основные принципы архитектуры процессора 80386, а также...
-
Чистка персонального компьютера, Разбираем системный блок - Чистка персонального компьютера
Если у вашего компьютера еще не прошел гарантийный срок, после его открытия вы можете рассчитывать на то, что продавец, причем вполне обоснованно, снимет...
-
Оперативная память - Программное обеспечение персональных компьютеров
Обьем доступной оперативной памяти - один из важнейших параметров любого компьютера. Оперативная память или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или...
-
Платформа EPOC - Карманный персональный компьютер
К данной платформе относятся две операционные системы производства фирмы Psion Computing - SIBO и EPOC. SIBO (Sixteen Bit Organizer), 16-разрядная...
-
Анализ архитектуры и структуры компьютера Структура компьютера будет проанализирована, начиная с истории. В настоящее время известно пять поколений...
-
Оборудование для беспроводных коммуникаций - Карманный персональный компьютер
Такое оборудование может иметь различные формы, но, скорее всего, в его основе лежит либо модем, либо высокочастотный (RF) приемопередатчик. Такие...
-
Понятие шин - Внешние интерфейсы персонального компьютера (порты LPT, COM; шины SCSI, USB)
Общая характеристика Во время выполнения программы процессор постоянно обращается к оперативной памяти (ОП). Он выбирает из нее команды программы и...
-
Уже на первых персоналках Xerox двадцать лет назад применялся графический интерфейс, очень похожий на современную графическую среду Windows. С тех пор...
-
Особенности процессора 80386 - Архитектура и процессоры персональных компьютеров
32-разрядный процессор i80386 открыл новый этап в истории микропроцессоров Intel и персональных компьютеров типа IBM PC. Естественно, он сохранял полную...
-
Особенности процессора 80286 - Архитектура и процессоры персональных компьютеров
Несмотря на то, что процессор 80286 остался 16-разрядным, как и его предшественник 8086, он представлял собой новое поколение процессоров, что определило...
-
Шина - это кабель, состоящий из множества проводников. По одной группе проводников - шине данных передается обрабатываемая информация, по другой - шине...
-
Процессоры персональных компьютеров - Архитектура и процессоры персональных компьютеров
Несмотря на то, что первый персональный компьютер был выпущен фирмой Apple, сейчас персональными компьютерами называют в основном IBM PC-совместимые...
-
Лекция 13. Архитектура и процессоры персональных компьютеров В этой лекции рассказывается об особенностях архитектуры персональных компьютеров семейства...
-
Персональные компьютеры в медицинской практике - Программное обеспечение персональных компьютеров
За последние 20 лет уровень применения компьютеров в медицине чрезвычайно повысился. Практическая медицина становится все более и более...
-
Основные понятия - Микропроцессор как важнейший компонент персонального компьютера
Любое внешнее устройство, совершающее по отношению к микропроцессору операции ввода-вывода, можно назвать периферийным. Регистр представляет собой...
-
Введение - Микропроцессор как важнейший компонент персонального компьютера
Важнейший компонент любого персонального - это его микропроцессор. Данный элемент в большей степени определяет возможности вычислительной системы и,...
-
ЛИТЕРАТУРА - Архитектура персонального компьютера. Характеристика основных устройств
1. Брябрин В. М. Программное обеспечение ЭВМ. - М.: Наука, 1988. 2. Вершинин ОД. Компьютер для школ, 1990. 3. Вычислительные машины, системы и сети / Под...
-
Карманные компьютеры против электронных записных книжек - Карманный персональный компьютер
Преимущества КПК I. Аппаратная и программная расширяемость КПК имеют стандартные слоты расширения PCMCIA и (или) Compact Flash, поэтому легко...
-
Карманные компьютеры против бумажных органайзеров Пространство для записей в бумажном органайзере ограничено. В КПК возможно простое расширение памяти,...
-
Маркетинг, или как правильно выбрать компьютер. - Устройство персонального компьютера
Одна из функций маркетинга, как известно, это анализ и изучение рынка, в данном случае рынка пк в целях приобретения компьютера. Принципиальным отличием...
-
Виды архитектур - Микропроцессор как важнейший компонент персонального компьютера
Конвейерная архитектура Конвейерная архитектура (англ. pipelining) была введена в центральный процессор с целью повышения быстродействия. Обычно для...
-
Питания - Чистка персонального компьютера
Блоком питания пренебрегать не стоит, так как в нем находится вентилятор, создающий циркуляцию воздуха во всем системном блоке, да к тому же через блок...
-
Платформа Palm OS - Карманный персональный компьютер
Операционная система Palm OS была создана компанией Palm Computing в середине 90-х годов. ОС построена на основе 32-разрядной архитектуры и имеет...
-
История развития PDA - Карманный персональный компьютер
Карманный персональный компьютер органайзер Ситуация вокруг персональных электронных органайзеров и карманных компьютеров представляет несомненный...
-
Заключение - Карманный персональный компьютер
Мобильный телефон, автомобиль, карманный компьютер... Вот без последнего уж точно сегодня можно прожить - говорит внутренний голос. И знаете, он прав,...
-
Функционально-структурная организация персонального компьютера. Персональные компьютеры используют в домашних условиях. Их основное назначение:...
-
Заключение, Библиография - Устройство персонального компьютера
Итак, в данном реферате рассмотрено устройство ПК, оборудование, позволяющее расширить его функциональные возможности; а также некоторые его функции....
-
Беспроводные коммуникации - Карманный персональный компьютер
Тридцать лет назад родился Интернет. А спустя три года была отправлена первая электронная почта. Шестнадцать лет назад появился первый сотовый телефон. И...
-
Классификация существующих типов печатных устройств: - Устройство персонального компьютера
Матричные печатающие устройства. Когда говорят о матричных принтерах, обычно имеют в виду устройства ударного действия, например всем известные модели...
-
Промышленные карманные компьютеры - Карманный персональный компьютер
Универсальные карманные компьютеры за последний год получили уже достаточную известность. Однако мало кто знает, что существуют специализированные,...
-
Карманные компьютеры против портативных компьютеров (ноутбуков) - Карманный персональный компьютер
Преимущества КПК 1. Время автономной работы (от 4 до 80 часов непрерывной работы) 2. Размеры и вес (размер от дамского кошелька до видеокассеты, вес от...
-
Винчестер, Дисковод, Собираем системный блок - Чистка персонального компьютера
Если вы захотите почистить винчестер, то с поверхности корпуса пыль можете смело удалять. А для того, чтобы очистить его внутри, Вам понадобится, как...
-
Разница между персональными помощниками - Карманный персональный компьютер
В настоящее время рынок персональных электронных помощников переживает бум. Свои модели мини-компьютеров представляют все крупные компании и огромное...
-
Введение - Карманный персональный компьютер
Данная тема работы была выбрана мной из-за стремительного развития карманных компьютеров. Наверняка все стали замечать, что рынок карманных компьютеров...
Архитектура персонального компьютера - Архитектура и процессоры персональных компьютеров