Реферат: Устройство персонального компьютера
Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет в одну секунду. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц). Следует заметить, что разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции (например, сложение или умножение) за разное число тактов. Чем выше модель микропроцессора, тем, как правило, меньше тактов требуется для выполнения одних и тех же операций. Поэтому, например, микропроцессор Intel-80386 работает раза в два быстрее Intel-80286 с такой же тактовой частотой.
В настоящее время наиболее распространены процессоры фирмы Intel, хотя ЦП других фирм (AMD, Cyrix) составляют им достойную конкуренцию. В настоящее время выпускаются процессоры серии Pentium II, Pentium III и Pentium Celeron. В то же время в России имеется огромный парк устапевших процессоров 486 и Pentium.
в) Контролеры
Все устройства на системной шине микропроцессор рассматривает либо как адресуемую память, либо как порты ввода-вывода. Вообще говоря, под портом понимают некую схему сопряжения, которая обычно включает в себя один или несколько регистров ввода-вывода (особых ячеек памяти).
О совершении некоего события микропроцессор может узнать по сигналу, называемому прерыванием. При этом исполнение текущей последовательности команд приостанавливается (прерывается), а вместо нее начинает выполняться другая последовательность, соответствующая данному прерыванию. Обычно прерывания подразделяются на аппаратные, логические и программные.
Аппаратные прерывания (IRQ) передаются по специальным линиям системной шины и связаны с запросами от внешних устройств (например, нажатие клавиши на клавиатуре). Логические прерывания возникают при работе самого микропроцессора (например, деление на ноль), а программные инициируются выполняемой программой и обычно используются для вызова специальных подпрограмм.
В первых компьютерах IBM PC использовалась микросхема контролера прерываний i8259 (Interrupt Controller), которая имеет восемь входов для сигналов прерываний (IRQ0-IRQ7). Как известно, в одно и то же время микропроцессор может обслуживать только одно событие и в выборе данного события ему помогает контролер прерываний, который устанавливает для каждого из своих входов определенный уровень важности - приоритет. Наивысший приоритет имеет линия запроса прерывания IRQ0, а наименьший - IRQ7, то есть приоритет убывает в порядке возрастания номера линии. В IBM PC/AT восьми линий прерывания стало уже недостаточно и их количество было увеличено до 15. В первых моделях для этого использовалось каскадное включение двух микросхем i8259. Оно осуществлялось путем подсоединения выхода второго контролера ко входу IRQ2 первого.
Важно для понимания здесь следующее. Линии прерывания IRQ8 - IRQ15 (то есть входы второго контролера) имеют приоритет ниже чем IRQ1, но выше IRQ3.
В режиме прямого доступа (DMA, Direct Memory Access) периферийное устройство связано с оперативной памятью непосредственно, а не через внутренние регистры микропроцессора. Наиболее эффективной такая передача данных бывает в ситуациях, когда требуется высокая скорость обмена для
большого количества информации. Для инициализации процесса прямого доступа на системной шине используются соответствующие сигналы.
В компьютерах, совместимых с IBM РС и PC/XT, для организации прямого доступа в память используется одна 4-канальная микросхема DMA i8237, канал 0 которой предназначен для регенерации динамической памяти. Каналы 2 и 3 служат для управления высокоскоростной передачей данных между дисководами гибких дисков, винчестером и оперативной памятью соответственно.
IBM PC/AT-совместимые компьютеры имеют 7 каналов прямого доступа к памяти. В первых компьютерах это достигалось каскадным включением двух микросхем i8237, как и в случае контролеров прерываний.
г) Память Rom, Ram
Все персональные компьютеры используют три вида памяти: оперативную, постоянную и внешнюю (различные накопители). Оперативная память предназначена для хранения переменной информации, так как она допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения микропроцессором
соответствующих операций. Поскольку в любой момент времени доступ может осуществляться к произвольно выбранной ячейке, то этот вид памяти называют также памятью с произвольной выборкой - RAM (Random Access Memory).
Все программы, в том числе и игровые, выполняются именно в оперативной памяти. Постоянная память обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в течение длительного времени. Постоянная память имеет собственное название - ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, что ею обеспечиваются только режимы считывания и хранения.
Логическая организация памяти. Как известно, используемый в IBM РС, PC/XT микропроцессор i8088 через свои 20 адресных шин предоставляет доступ всего к 1-Мбайтному пространству памяти. Первые 640 Кбайт адресуемого пространства в IBM РС-совместимых компьютерах называют обычно стандартной памятью (conventional memory). Оставшиеся 384 Кбайта зарезервированы для системного использования и носят название памяти в верхних адресах (UMB, Upper Memory Blocks, High DOS Memory или UM Area - UMA).Эта область памяти резервируется под размещение системной ROM BIOS (Read Only Memory Basic Input Output System), под видеопамять и ROM-память дополнительных адаптеров.
Дополнительная (expanded) память. Почти на всех персональных компьютерах область памяти UMB редко оказывается заполненной полностью. Пустует, как правило, область расширения системного ROM BIOS или часть видеопамяти и области под дополнительные
модули ROM. На этом и
базируется спецификация дополнительной памяти EMS (Ехpanded Memory
Specification), впервые разработанная фирмами Lotus Development, Intel и
Microsoft (поэтому называемая иногда LIM-cпeцификацией). Эта спецификация позволяет использовать оперативную
память свыше стандартных 640 Кбайт для прикладных программ. Принцип
использования дополнительной памяти основан на переключении блоков (страниц)
памяти. В области UMB, между видеобуфером и системным RGM BIOS, выделяется незанятое 64-Кбайтное "окно",
которое разбито на страницы. Программные и аппаратные средства позволяют
отображать любой сегмент дополнительной памяти в любую из выделенных страниц
"окна(TM). Хотя микропроцессор всегда обращается к данным,
хранимым в "окне" (адрес ниже 1 Мбайта), адреса этих данных могут
быть смещены в дополнительной памяти относительно "окна" на несколько
мегабайт В компьютерах на процессоре i8088 для
реализации дополнительной памяти должны
применяться специальные платы с аппаратной поддержкой "подкачки"
блоков (страниц) памяти и соответствующий программный драйвер. Разумеется,
платы дополнительной памяти могут устанавливаться и в компьютер на базе
процессоров i80286 и выше модули ROM. На этом и базируется спецификация
дополнительной памяти EMS (Ехpanded Memory Specification), впервые
разработанная фирмами Lotus Development, Intel и Microsoft (поэтому называемая
иногда LIM-cпeцификацией). Эта
спецификация позволяет использовать оперативную память свыше стандартных 640
Кбайт для прикладных программ. Принцип использования дополнительной памяти
основан на переключении блоков (страниц) памяти. В области UMB,
между видеобуфером и системным RGM BIOS, выделяется незанятое
64-Кбайтное "окно", которое разбито на страницы. Программные и
аппаратные средства позволяют отображать любой сегмент дополнительной памяти в
любую из выделенных страниц "окна”. Хотя микропроцессор всегда обращается
к данным, хранимым в "окне" (адрес ниже 1 Мбайта), адреса этих данных
могут быть смещены в дополнительной памяти относительно "окна" на
несколько
В компьютерах на процессоре i8088 для реализации дополнительной памяти должны применяться специальные платы с аппаратной поддержкой "подкачки" блоков (страниц) памяти и соответствующий программный драйвер. Разумеется, платы дополнительной памяти могут устанавливаться и в компьютер на базе процессоров i80286 и выше.
Расширенная (extended) память. Компьютеры, использующие процессор l80286 с 24-разрядными адресными шинами, физически могут адресовать 16 Мбайт, а в случае процессоров i80386/486 - 4 Гбайта памяти. Такая возможность имеется только для защищенного режима работы процессора, который операционная система MS-DOS не поддерживает. Расширенная память (extended) располагается выше области адресов 1 Мбайт (не надо путать 1 Мбайт ОЗУ и 1 Мбайт адресного пространства). Для работы с расширенной памятью микропроцессор должен переходить из реального в защищенный режим и обратно. В отличие от l80286 микропроцессоры i80386/486 выполняют эту операцию достаточно просто, именно поэтому для них в составе MS-DOS имеется специальный драйвер - менеджер памяти ЕММ386.
Кстати, при наличии соответствующего драйвера расширенную память можно эмулировать как дополнительную. Аппаратную поддержку в этом случае должен обеспечивать микропроцессор не ниже i80386 или вспомогательный набор специальных микросхем (например, наборы NEAT фирмы Chips and Technologies). Следует заметить, что многие платы памяти, поддерживающие стандарт LIM/EMS, могут использоваться также и в качестве расширенной памяти.
Кэш-память. Кэш-память предназначена для согласования скорости работы сравнительно медленных устройств, таких, например как динамическая память с быстрым микропроцессором. Использование кэш-памяти позволяет избежать циклов ожидания в его работе, которые снижают производительность всей системы.
С помощью кэш-памяти обычно делается попытка согласовать также работу внешних устройств, например, различных накопителей, и микропроцессора. Соответствующий контролер кэш-памяти должен заботиться о том, чтобы команды и данные, которые будут необходимы микропроцессору в определенный момент времени, именно к этому моменту оказывались в кэш-памяти.
д) Жесткий диск
Накопители на жёстком диске (винчестеры) предназначены для постоянного хранения информации, используемой при работе с компьютером: программ операционной системы, часто используемых пакетов программ, редакторов документов, трансляторов с языков программирования и т.д.
Ёмкость диска.Для пользователя накопители не жёстком диске отличаются друг от друга прежде всего своей ёмкостью, т.е. тем, сколько информации помещается на диске. Сейчас компьютеры в основном оснащаются винчестерами от 520 Мбайт и более. Компьютеры работающие как файл серверы могут оснащаться винчестером 4 - 8 Мбайт и не одним.
Скорость работы диска. Скорость работы диска характеризуется двумя показателями:
1) Временем доступа к данным на диске.
2) Скоростью чтения и записи данных на диск.
Эти характеристики соотносятся друг с другом приблизительно так же, как время разгона и максимальная скорость автомобиля. При чтении или записи коротких блоков данных, расположенных в разных участках диска,
скорость работы определяется временем доступа к данным - подобно тому, как при движении автомобиля по городу в час пик с постоянными разгонами и торможениями не так уж важна максимальная скорость, развиваемая автомобилем. Зато при чтении или записи данных (в десятки и сотни килобайт) файлов гораздо важнее пропускная способность тракта обмена с диском - точно также, как при движении автомобиля по скоростному шоссе важнее скорость автомобиля, чем время разгона.
Следует заметить, что время доступа и скорость чтения - записи зависят не только от самого дисковода, но от параметров всего тракта обмена с диском: от быстродействия контроллера диска, системной шины и основного микропроцессора компьютера.
III Периферийные устройства ПК
а) Мониторы
Монитор ( дисплей ) компьютера IBM PC предназначен для вывода на экран текстовой и графической информации. Мониторы бывают цветными и монохромными. Они могут работать в одном из двух режимов: текстовом или графическом.
Текстовый режим. В текстовом режиме экран монитора условно разбивается на отдельные участки - знакоместа, чаще всего на 25 строк по 80 символов ( знакомест ). В каждое знакоместо может быть введён один из 256 заранее символов. В число этих символов входят большие и малые латинские буквы, цифры, определённые символы, а также псевдографические символы, используемые для вывода на экран таблиц и диаграмм, построения рамок вокруг участков экрана и так далее.
В число символов, изображаемых на экране в текстовом режиме,
могут входить и символы кириллицы. На цветных мониторах каждому знакоместу может соответствовать свой цвет символа и фона, что позволяет выводить красивые цветные надписи на экран.
На монохромных мониторах для выделения отдельных частей текста и участков экрана используется повышенная яркость символов, подчёркивание и т. д.
Графический режим. Графический режим предназначен для вывода на экран графиков, рисунков и так далее. Разумеется в этом режиме можно выводить и текстовую информацию в виде различных надписей, причём эти надписи могут иметь произвольный шрифт, размер и др.
В графическом режиме экран состоит из точек, каждая из которых может быть тёмной или светлой на монохромных мониторах и одного или нескольких цветов - на цветном. Количество точек на экране называется разрешающей способностью монитора в данном режиме. Следует заметить что разрешающая способность не зависит от размеров экрана монитора.
Часто используемые мониторы. Наиболее широкое распространение на компьютерах IBM PC получили мониторы типа MDA, CGA, Herkules, EGA и VGA.
В настоящее время мониторы MDA и CGA практически не используются, так как они не обладают надлежащей разрешающей способностью, что приводит к быстрому утомлению глаз. Кроме того, они не имеют программной загрузки шрифтов символов, поэтому для изображения букв кириллицы приходится заменять микросхемы, хранящие шрифты символов.
В основном на компьютерах используют мониторы SVGA, что позволяет добиться нужного качества изображения.
б) Устройства ввода
Клавиатура. Как известно, клавиатура является пока основным устройством ввода информации в компьютер. В техническом аспекте это устройство представляет собой совокупность механических датчиков, воспринимающих давление на клавиши и замыкающих тем или иным способом определённую электрическую цепь.
Надо сказать, что эволюция клавиатур для IBM PC не была недолгой. Сначала использовались 83-х клавишные клавиатуры затем вместе с АТ появилась 84-х клавишная. Подовляющее большинство современных IBM PC совместимых используют расширенную клавиатуру. Основные улучшения по сравнению с АТ-клавиатурой касается общего числа (101 и выше ) и расположения клавиш. Наиболее стандартным является расположение QWERTY: порядка 60 клавиш с буквами, цифрами, знаками пунктуации и другими символами и ещё около 40 функциональных клавиш.
Устройство клавиатур. В настоящее время наиболее распространены два вида клавиатур: с механическим и мембранным переключателями. В первом случае датчик представляет из себя традиционный механизм с контактами из специального сплава. Несмотря на то что эта технология используется уже несколько десятилетий, фирмы- производители постоянно работают над её модификацией и улучшением. Стоит отметить, что в клавиатурах известных фирм контакты переключателей позолоченные, что значительно улучшает электрическую проводимость.
Технология, основанная на мембранных переключателях, считается более прогрессивной, хотя особых преимуществ не даёт.
Мыши и трекболы. Мыши и трекболы являются координаторными устройствами ввода информации в компьютер. Разумеется полностью заменить клавиатуру они не могут. В основном эти устройства имеют две три кнопки управления. Не секрет что своей популярностью мышь обязана распространению графического интерфейса и в основном компании «Microsoft».
Устройство мыши. Как известно, первая мышь каталась на двух колесиках, которые были связаны с осями переменных резисторов. Перемещение такой мыши было прямо пропорционально изменению сопротивления переменных рези- сторов. В дальнейшем конструкция перетерпела значительные изменения. Ролики были перенесены внутрь корпуса, а с поверхностью стал соприкасаться твёрдый резиновый шарик.
