Реферат: Информатика является одной из наиболее быстро и динамично разви-вающихся научных дисциплин

Министерство образования и науки Российской Федерации

Институт дополнительного профессионального образования

Саратовского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского


Аппаратное обеспечение персонального компьютера


Введение
Информатика является одной из наиболее быстро и динамично разви-вающихся научных дисциплин. Содержимое курса информатики можно услов-но разделить на две части: относительно статическую в своём развитии (основы информатики, кодирование данных и структуры данных, системы счисления и т. п.) и быстро развивающуюся. К последней относится в первую очередь изу-чение вычислительной системы.


В состав вычислительной системы входит:

 hardware – аппаратное обеспечение компьютера;

 software – программное обеспечение компьютера;

 brainware – интеллектуальное обеспечение компьютера, то есть человек, работающий с компьютером;


Качественное изучение первых двух составляющих приводит к тому, что обучаемый может стать полноценной третьей составляющей вычислительной системы.

В данной работе представлен курс лекций по аппаратному обеспечению персонального компьютера, рассчитанный на 16 часов.

В первой лекции рассматриваются основные понятия (вычислительная техника, вычислительная система, компьютер) и различные системы классифи-кации компьютеров в их диалектическом и историческом развитии. Далее рас-сматривается состав вычислительной системы.

Во второй лекции осуществляется переход к рассмотрению аппаратного обеспечения персонального компьютера. Далее рассмотрение ведётся в сле-дующем порядке: сначала системный блок и располагающиеся в нём устройст-ва (материнская плата и располагающиеся на ней устройства, карты, устройства долговременного хранения данных, системы охлаждения), затем внешние уст-ройства (входящие в состав базовой конфигурации и периферийные). При рас-смотрении характеристик каждого устройства, проводится анализ изменения этих характеристик с течением времени во вновь появляющихся моделях. Рас-смотрение заканчивается обзором новейших типов периферийных устройств, количество которых увеличивается с каждым годом.

Курс лекций

по аппаратному обеспечению персонального компьютера

Лекция № 1 Тема 1.1Тема: “Вычислительная техника. Вычислительная система. Компьютер.”
Совокупность устройств, предназначенных для автоматической или ав-томатизированной обработки данных, называют вычислительной техникой. Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенных для обслуживания одного рабочего участка, называют вы-числительной системой. Центральным устройством большинства вычисли-тельных систем является компьютер. Компьютер (или электронная вычисли-тельная машина – ЭВМ) – это электронный прибор, предназначенный для ав-томатизации работы с данными. {Виды работы с данными подробно рассмат-риваются в 1 й лекции по основам информатики.}

В основе любого компьютера, как и в электронных часах, лежит такто-вый генератор, вырабатывающий через равные интервалы времени электриче-ские сигналы, которые используются для приведения в действие всех устройств компьютера. Управление компьютером фактически сводится к управлению распределением сигналов между устройствами. Такое управление может про-изводиться автоматически (программное управление) или вручную с помощью внешних органов управления – кнопок, переключателей и т.п. (в ранних моде-лях). В современных компьютерах внешнее управление в значительной степени автоматизировано с помощью специальных аппаратно-логических интерфей-сов, к которым подключаются устройства управления и ввода данных (клавиа-тура, мышь, джойстик и др.). В отличие от программного управления такое управление называют интерактивным.

{Самостоятельно изучить историю развития средств вычислительной техники}
^ Тема 1.2Тема: “Классификация компьютеров”.
Рассмотрим некоторые системы классификации компьютеров.
I. Классификация по назначению
Это один из наиболее ранних методов классификации. Он связан с тем, как компьютер применяется. По этому принципу различают:

1) Большие ЭВМ, называемые за рубежом мэйнфреймами (mainframe) – это самые мощные компьютеры. Их применяют для обслуживания очень крупных организаций и даже целых отраслей народного хозяйства. Штат об-служивания такой ЭВМ может составлять сотни человек.

2) Мини-ЭВМ. От больших ЭВМ компьютеры этой группы отличаются меньшими размерами и, соответственно, меньшей производительностью и стоимостью. Такие компьютеры используются крупными предприятиями, на-пример, для управления производственными процессами, научными учрежде-ниями, некоторыми вузами.

3) Микро-ЭВМ. Компьютеры этого класса доступны многим предпри-ятиям. Организации, использующие микро-ЭВМ обычно не создают вычисли-тельные центры. Для обслуживания такого компьютера достаточно небольшой вычислительной лаборатории в составе нескольких человек. В крупных вычис-лительных центрах микро-ЭВМ выполняют вспомогательные операции, для ко-торых нет смысла использовать дорогие суперкомпьютеры.

В последние годы микро-ЭВМ повсеместно почти полностью вытеснены персональными компьютерами. Поэтому во многих литературных источниках микро-ЭВМ путают с персональными компьютерами.

4) Персональные компьютеры (ПК). Эта категория компьютеров по-лучила бурное развитие в течение последних двадцати лет. Такой компьютер предназначен для обслуживания одного рабочего места и, как правило, с ним одновременно работает один человек.

Несмотря на свои небольшие размеры и относительно невысокую стои-мость современные ПК обладают большой производительностью. Так, совре-менный персональный компьютер значительно превосходит большие ЭВМ 70-х годов, мини-ЭВМ 80-х годов и микро-ЭВМ начала 90-х годов XX века.

До недавнего времени ПК принято было делить на бытовые ПК и про-фессиональные ПК.

Начиная с 1999 года в области персональных компьютеров начал дейст-вовать международный сертификационный стандарт – спецификация РС 99. Он регламентирует принципы классификации персональных компьютеров и оговаривает минимальные и рекомендуемые требования к каждой из категорий.

Новый стандарт устанавливает следующие категории персональных компьютеров:

– Consumer PC (массовый ПК);

– Office PC (деловой ПК);

– Mobile PC (портативный ПК);

– Workstation PC (рабочая станция);

– Entertainment PC (развлекательный ПК).

Практически каждый год данный стандарт обновляется (PC 2000, PC 2001, PC 2003 и т. д.).

Рассмотренная выше классификация ПК по назначению начала разраба-тываться ещё на заре компьютерной эры и в настоящее время частично устаре-ла и не вполне отвечает требованиям современности.
^ II. Классификация по уровню специализации.
По уровню специализации компьютеры делят на универсальные и спе-циализированные.

На базе универсальных компьютеров можно собирать вычислительные системы произвольной конфигурации (т. е. состава). К ним относятся персо-нальные компьютеры, которые можно использовать для работы с текстами, му-зыкой, графикой, видео и т. д.

Специализированные компьютеры предназначены для решения кон-кретного круга задач. К таким компьютерам относят, например, бортовые ком-пьютеры судов, самолетов, космических кораблей, а в последнее время и авто-мобилей. В их задачу входит управление средствами ориентации и навигации, выполнение функций автоматического управления и связи, контроль бортовых систем и оптимизация параметров их работы.

К специализированным ЭВМ относят также графические станции, сете-вые серверы и т. д.

Во многих случаях с задачами специализированных компьютеров могут справиться и обычные универсальные компьютеры, но их использование зачас-тую неэффективно с экономической точки зрения.
^ III. Классификация по типоразмерам.
Персональные компьютеры можно классифицировать по типоразме-рам. Различают наиболее широко распространенные настольные (desktop), удобные для транспортировки портативные (notebook) и выполняющие функ-ции “интеллектуальных записных книжек” карманные (palmtop) модели.
^ IV. Классификация по совместимости.
В мире существует множество различных видов и типов компьютеров. Они выпускаются разными производителями, собираются из разных деталей, работают с разными программами. При этом очень важным вопросом становит-ся совместимость различных компьютеров между собой.

По аппаратной совместимости различают так называемые аппарат-ные платформы. В области персональных компьютеров в настоящее время наиболее широко распространены две аппаратные платформы – IBM PC и

Apple Macintosh.

Кроме аппаратной совместимости существуют совместимость на уровне операционной системы, программная совместимость, совмести-мость на уровне данных.


Существуют и другие виды классификации компьютеров, такие, как, на-пример, по типу используемого процессора.

Тема: “Состав вычислительной системы”.

Состав вычислительной системы называется конфигурацией. Любая вы-числительная система состоит из:

– hardware (аппаратного обеспечения);

– software (программного обеспечения);

– brainware (интеллектуального обеспечения).

Аппаратные и программные средства вычислительной техники принято рассматривать отдельно. Соответственно, отдельно рассматривают аппарат-ную конфигурацию вычислительных систем и их программную конфигура-цию. Такой принцип разделения имеет для информатики особое значение, по-скольку очень часто решение одних и тех же задач может обеспечиваться как аппаратными, так и программными средствами.

Далее будет подробно рассмотрена аппаратная конфигурация персо-нального компьютера.
^ Лекция № 2 ^ Тема 1.3Тема: “Аппаратная конфигурация персонального компьютера”.
Персональный компьютер – универсальная техническая система. Его аппаратную конфигурацию (т.е. состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости.

Существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. В настоящее время в базовой конфигурации персонального компьютера рас-сматривают четыре устройства:

– системный блок;

– монитор;

– клавиатуру;

– мышь.

Ещё несколько лет назад, до того, как получили широкое распростране-ние графические операционные системы, мышь не входила в состав базовой конфигурации.
^ Тема 1.4Тема: “Системный блок”.
Системный блок представляет собой основной узел персонального ком-пьютера, внутри которого установлены его наиболее важные компоненты.

Устройства, находящиеся внутри системного блока называются внут-ренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними. Дополнительные внешние устройства (кроме входящих в состав базовой кон-фигурации монитора, клавиатуры и мыши) называют периферийными.

Следует отметить, что в некоторых устаревших классификациях все уст-ройства ПК делят на центральные (процессор, оперативная память) и перифе-рийные (все остальные).

По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса. Кор-пуса персональных компьютеров выпускают в горизонтальном (desktop) и вер-тикальном (tower) исполнении.

По габаритам различают полноразмерные (big tower), среднеразмерные (midi tower) и малоразмерные (mini tower) вертикальные корпуса. Среди гори-зонтальных корпусов выделяют плоские и особо плоские (slim). В настоящее время горизонтальные корпуса распространены гораздо меньше вертикальных.

Кроме формы для корпуса важен параметр, называемый форм-фактором. От него зависят требования к размещаемым устройствам. В на-стоящее время используются в основном корпуса двух форм-факторов – АТ

и АТХ.

Корпус представляет собой металлическую раму – шасси, на которую крепятся все внутренние устройства, снабженную лицевой панелью и закры-ваемую металлической крышкой, экранирующей электромагнитные волны.

В задней верхней части корпуса (для вертикального корпуса) располага-ется блок питания. В зависимости от форм-фактора корпуса (АТ или АТХ) блок питания может быть неуправляемым, либо управляемым. Мощность блока пи-тания также является одним из параметров корпуса. Для массовых моделей наиболее распространена мощность от 200 до 300 Вт.

Блок питания компьютера не содержит в себе силового трансформатора и является импульсным, т. е. выполнен на полевых транзисторах. С одной сто-роны такой блок питания гораздо легче и занимает меньше места, чем анало-гичный по мощности трансформаторный. На его вход зачастую может пода-ваться любое напряжение от 127 до 230 В переменного тока.

С другой стороны КПД такого блока питания меньше и при его работе выделяется много тепла. Для отвода тепла используется вытяжной вентилятор, прокачивающий воздух через блок питания, а заодно и через весь системный блок. Кроме того, импульсный блок питания очень чувствителен к резким пе-репадам напряжения и частоты питающего тока, что может привести к его вы-ходу из строя.

Поэтому компьютеры обычно включают в электрическую сеть через специальные сетевые фильтры, а зачастую – через источники бесперебойного питания (ИБП).
^ Тема 1.5Тема: “Внутренние устройства системного блока”. Тема 1.6 Материнская плата и расположенные на ней устройства.
Материнская плата (Main Board) – основная плата персонального ком-пьютера. С другой стороны ее можно рассматривать как набор разъемов, позво-ляющих объединить в единое целое все внутренние устройства системного блока.

Форм-фактор материнской платы должен обязательно соответствовать форм-фактору корпуса.

В вертикальных корпусах материнская плата располагается вертикально вдоль правой стенки корпуса; в горизонтальных – горизонтально вдоль днища.

На материнской плате размещаются различные устройства и системы:
^ 1) Процессор.
Процессор – основная микросхема компьютера, выполняющая боль-шинство математических и логических операций. Конструктивно он состоит из ячеек, называемых регистрами.

Данные в регистрах могут храниться и изменяться. Данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управ-ляющие обработкой данных в других регистрах. Среди регистров есть и такие, которые в зависимости от своего содержания способны модифицировать ис-полнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регист-ры процессора, можно управлять обработкой данных. На этом основано испол-нение программ.

Во время работы процессор обслуживает данные, находящиеся в его ре-гистрах, в поле оперативной памяти, а также данные, находящиеся во внешних портах процессора. Часть данных он интерпретирует непосредственно как дан-ные, часть данных – как адресные данные, а часть – как команды. Совокупность всех возможных команд, которые может выполнять процессор над данными, образует систему команд процессора.

Различают процессоры с расширенной и сокращенной системой команд. Процессоры с расширенной системой команд или CISC-процессоры (Complex Instruction Set Computing) имеют широкий набор системных команд, сложную архитектуру, длинную формальную запись команды (в байтах) и высокую среднюю продолжительность исполнения одной команды, измеренную в тактах работы процессора. Так, например, система команд процессора Intel Pentium в настоящее время насчитывает более тысячи различных команд.

Процессоры с сокращенной системой команд или RISC-процессоры (Reduced Instruction Set Computing) имеют намного меньшее количество ко-манд, каждая из которых выполняется намного быстрее. Таким образом, про-граммы, состоящие из простейших команд, выполняются этими процессорами намного быстрее. Но сложные операции приходится заменять далеко не эффек-тивной последовательностью простейших команд сокращенного набора. К та-ким процессорам относятся процессоры фирмы AMD.

CISC-процессоры используют в универсальных вычислительных систе-мах; RISC-процессоры используют в основном в специализированных вычис-лительных системах или устройствах, ориентированных на выполнение едино-образных операций.

Если два процессора имеют одинаковую систему команд, то они полно-стью совместимы на программном уровне. Программа, написанная для одного процессора, может исполняться другим процессором. Процессоры, имеющие разные системы команд, как правило, несовместимы или ограниченно со-вместимы на программном уровне.

Группы процессоров, имеющих ограниченную совместимость, рассмат-ривают как семейства процессоров. Процессоры внутри семейства обладают совместимостью по принципу “сверху вниз”, – это пример неполной совмести-мости, когда каждый новый процессор понимает все команды своих предшест-венников, но не наоборот.
^ Основные параметры процессора.
a) Рабочее напряжение обеспечивается материнской платой. По мере развития процессоров происходит постепенное понижение рабочего напряже-ния, от 5 В в ранних моделях до 2,2 В и ниже. Понижение рабочего напряжения позволяет уменьшить расстояния между структурными элементами в кристалле процессора, не опасаясь электрического пробоя. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается тепловыделение в процессоре, а это позволяет увели-чить его производительность без угрозы перегрева.

b) Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один такт. Первые процессоры Intel были 16-разрядными; начиная с 386-го они имеют 32 – разрядную архитектуру.

c) Рабочая тактовая частота – число тактов процессора в секунду. Для первых процессоров Intel она составляла 4770 тыс. тактов в секунду

(4,77 МГц), а сейчас перевалила за 3 млрд. тактов в секунду (3 ГГц).

Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая, в отличие от процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводников и микросхем. По чисто физическим причинам материнская плата не может работать со столь высокими частотами, как процессор. В на-стоящее время собственная частота материнской платы обычно не превыша-ет 466 МГц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение на коэффициент (множитель) 3; 3,5; 4; 4,5; 5; 5,5 и т. д. Этот параметр называют коэффициентом внутреннего умножения такто-вой частоты.

d) Размер кэш-памяти. Кэш-память – это буферная область внутри процессора. Иногда ее называют “сверхоперативной памятью”.

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например, с оперативной памятью. Кэш по-зволяет уменьшить количество обращений к оперативной памяти. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор одновременно заносит его в кэш – память. Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только, если там нет нужных данных, происходит обращение в опера-тивную память. “Удачные” обращения в кэш-память называют попаданиями в кэш. Процент попаданий в кэш тем выше, чем больше объем кэш-памяти.

Кэш – память распределяют по нескольким уровням:

1 уровень – в том же кристалле, что и сам процессор;

2 уровень – на отдельном кристалле в одном узле с процессором;

3 уровень – на быстродействующих микросхемах на материнской плате вблизи процессора.
^ Лекция № 3 ^ Тема 1.7Продолжение темы: “Внутренние устройства системного блока”. 2) Оперативная память.
Оперативная память (RAM – Random Access Memory) – это массив кри-сталлических ячеек, способных хранить данные.

По физическому принципу действия различают динамическую память (DRAM – Dynamic RAM) и статическую память (SRAM – Static RAM).

Ячейки динамической памяти можно представить в виде микрокон-денсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Это наиболее доступный и дешевый вид памяти.
Недостатки:
a) Низкая скорость записи данных, связанная с наличием переходных процессов при зарядке и разрядке конденсаторов;

b) Необходимость постоянной регенерации ячеек оперативной памяти, обусловленная свойством зарядов ячеек быстро рассеиваться в пространстве. Если динамическую память постоянно не “подзаряжать”, то утрата данных про-изойдет через доли секунды.

Микросхемы динамической памяти используются в качестве основной оперативной памяти компьютера.

Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается числом. В настоящее время в большинстве процессоров принята 32-разрядная адресация, а это означает, что независимых адресов может быть 2 . Таким образом, в со-временных компьютерах возможна непосредственная адресация к полю памя-ти размером 2 = 4 294 967 296 байт ≈ 4,3 Гбайт. Однако этот предел практи-чески никогда не достигается, т. к. предельный размер поля оперативной памя-ти, которую можно установить в компьютере, определяется чипсетом материн-ской платы, и зачастую на порядок меньше.

Адрес любой ячейки памяти размером в 1 байт можно выразить 4 байта-ми.

С развитием компьютерной техники количество оперативной памяти в ПК постоянно растет:

20 лет назад ~ max 1 Мб;

15 лет назад ~ max 4 Мб;

10 лет назад ~ max 8 Мб;

7 лет назад ~ max 16 Мб;

5 лет назад ~ max 32 Мб;

4 года назад ~ max 64 Мб;

3 года назад ~ max 128 Мб;

2 года назад ~ max 256 Мб;

1 год назад ~ max 512 Мб;

Сейчас ~ min 256 Мб;

~ max – 1 Гб и выше.

Динамическая оперативная память в компьютере размещается на стан-дартных планках, называемых модулями (в народе – шоколадками). Модули оперативно памяти вставляют в соответствующие разъемы – слоты (Slot) на материнской плате.

Конструктивно модули памяти бывают однорядными (SIMM-модули) и двухрядными (DIMM-модули). Разъемы для них также различны. Устаревшие SIMM-модули можно устанавливать только парами. Количество разъемов для их установки на материнской плате всегда четное. DIMM-модули можно уста-навливать по одному.

В литературе можно встретить высказывания, о том, что на материнских платах, имеющих разъемы двух типов, комбинировать модули разных типов нельзя. Однако, на практике это иногда делается; при этом работа более быст-рых DIMM-модулей замедляется до скорости SIMM-модулей.

Основными характеристиками модулей оперативной памяти являются объем памяти и время доступа.

Для SIMM – модулей:

2 × 4 Мб

2 × 8 Мб

2 × 16 Мб 50 – 70 нс

2 × 32 Мб

2 × 64 Мб

Для DIMM – модулей:

16 Мб

32 Мб

64 Мб 6 – 10 нс

128 Мб

256 Мб

В настоящее время SIMM-модули больше не выпускаются, а DIMM-модули уже вытесняются новым типом двухрядных модулей DDR, для которых время доступа еще сократилось, а объем памяти одного модуля может быть

128 Мб, 256 Мб, 512 Мб и выше.

Ячейки статистической памяти (SRAM) можно предоставить как электронные микроэлементы – триггеры, состоящие из нескольких транзисто-ров. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен / выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологи-чески он сложнее и, соответственно, дороже.

Микросхемы статической памяти используют в качестве кэш-памяти. Их либо встраивают в процессор (кэш 1 го и 2 го уровня), либо впаивают на мате-ринскую плату вблизи процессора (кэш 3 го уровня). Изменить объем кэш – па-мяти можно только сменив материнскую плату или процессор.

Обычно общий объем кэш – памяти 1 го и 2 го уровней колеблется в пре-делах 128 Кб, 256 Кб, 512 Кб, кэш 3 го уровня не более чем в 2 – 4 раза больше.

^ 3) Микросхема ПЗУ.
В момент включения компьютера в оперативной памяти ничего нет. По-этому процессор аппаратно (без участия программ) обращается по стартовому адресу за своей первой командой и далее начинает работать по программам.

Этот исходный адрес указывает на постоянное запоминающее устрой-ство (ПЗУ) – разновидность памяти, способную хранить информацию дли-тельное время, даже когда компьютер выключен.

Программы и данные, находящиеся в ПЗУ записываются (“прошивают-ся”) в микросхемы ПЗУ на этапе их производства и не могут быть изменены в процессе эксплуатации. Если во время эксплуатации целесообразно изменять программы, хранящиеся в ПЗУ, вместо микросхем ПЗУ применяют перепро-граммируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ). В этом слу-чае изменение содержимого ПЗУ можно выполнить непосредственно в составе вычислительной системы (флэш-технология) или на специальных устройствах, называемых программаторами.

Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода (BIOS – Basic Input-Output System). Основное назначение про-грамм этого пакета состоит в тестировании (т. е. проверке состава и работоспо-собности) компьютерной системы, обеспечении взаимодействия с жестким диском, монитором, клавиатурой, а также в подготовке запуска операционной системы.

^ 4) Энергонезависимая память CMOS.
При изготовлении ПЗУ заранее не известно, какой будет конфигурация компьютера, а для начала работы, программы, входящие в BIOS должны “знать”, где можно найти нужные параметры оборудования. Специально для этого на материнской плате есть микросхема “энергонезависимой памяти”, по технологии изготовления называемая CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semi-conductor – металлооксидный добавочный полупроводник).

От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не стира-ется при выключении компьютера, а от ПЗУ – тем, что данные в нее можно за-носить и изменять в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы.

Эта микросхема постоянно подпитывается от батарейки, расположенной на материнской плате и может сохранять данные, даже если компьютер не включать несколько лет.

В микросхеме CMOS хранятся данные о гибких и жестких дисках, о процессоре, о некоторых других устройствах.

Показания системного таймера (часов) постоянно хранятся и изменяют-ся в CMOS, и таким образом, даже в выключенном состоянии, компьютер четко отслеживает время и календарь.

^ 5) Тактовый генератор.
Тактовый генератор – это микросхема, вырабатывающая через равные промежутки времени электрические сигналы, которые используются для при-ведения в действие всех устройств компьютерной системы.

Тактовый генератор задает собственную частоту материнской платы, а также, через множители или делители, частоты устройств, работающих быстрее (например, процессора) или медленнее материнской платы.

^ 6) Шины процессора.
Шины – это наборы проводников, по которым происходит обмен сигна-лами между внутренними устройствами компьютера.

Так, например, процессор связан с остальными устройствами компьюте-ра и в первую очередь с оперативной памятью тремя основными шинами:

a) Адресная шина. Адресная шина современных процессоров

32-разрядная, т. е. состоит из 32 параллельных линий. В зависимости от того, есть напряжение на какой–то из линий или нет, говорят, что на этой линии вы-ставлена единица или ноль. Комбинация из 32 нулей и единиц образует

32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.

b) Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В современных компью-терах шина данных 64-разрядная, т. е. состоит из 64 линий, по которым одно-временно на обработку поступают 8 байт.

c) Шина команд. По этой шине в процессор поступают команды из тех областей оперативной памяти, где хранятся программы. Самые простые коман-ды укладываются в 1 байт; однако, есть и такие, для которых нужно 2, 3 и более байтов. В большинстве современных процессоров шина команд 32 – разрядная; хотя существуют 64 – разрядные и даже 128 – разрядные процессоры.
^ Лекция № 4 Продолжение темы: “Внутренние устройства системного блока”. 7) Шинные интерфейсы материнской платы.
Связь между всеми собственными и подключаемыми устройствами ма-теринской платы выполняют ее шины и логические устройства, размещенные в микросхемах микропроцессорного комплекта (чипсета). От архитектуры этих элементов во многом зависит производительность компьютера.

a) Стандарт ISA. Четверть века назад для компьютеров платформы IBM PC была разработана архитектура промышленного стандарта ISA (Industry Standard Architecture). Она позволила связать все устройства системного блока между собой и обеспечила простое подключение новых устройств через стан-дартные разъемы (слоты). Персональный компьютер превратился в конструк-тор “Собери сам”. Пропускная способность шины, выполненной по такой архи-тектуре 5,5 Мбайт/с.

b) Стандарт EISA – расширенный стандарт ISA (Extended ISA). Отли-чается от ISA увеличенными размерами разъема и производительностью, уве-личенной до 32 Мбайт/с.

В настоящее время материнские платы с разъемами ISA/EISA не выпус-каются.

c) Стандарт VLB – локальная шина стандарта VESA (VESA Local Bus). Использовалась в поздних моделях материнских плат с основной шиной ISA/EISA для связи процессора и оперативной памяти в обход основной шины на повышенной частоте. Впоследствии в эту шину был добавлен интерфейс для подключения более быстрого видеоадаптера. Тактовая частота – до 50 МГц; пропускная способность – до 130 Мбайт/с.

d) Стандарт PCI (Peripheral Component Interconnect) – стандарт под-ключения внешних компонентов был введен в персональных компьютерах, вы-полненных на базе процессоров Intel Pentium. По своей сути это тоже интер-фейс локальной шины, связывающей процессор с оперативной памятью, в ко-торую врезаны разъемы для подключения подключаемых устройств.

Для связи с основной шиной компьютера ISA/EISA используются спе-циальные интерфейсные преобразователи – мосты PCI (PCI Bridge). Частота шины 33 – 66 МГц. Пропускная способность – до 264 Мбайт/с.

Важным нововведением, реализованным стандартом PCI стала поддерж-ка режима plug-and-play, в последствии оформившегося в промышленный стан-дарт на самоустанавливающиеся устройства. Его суть состоит в том, что после физического подключения подключаемого устройства к разъему шины PCI, происходит обмен данными между устройством и материнской платой; и далее происходит установка нового устройства с помощью автоматических про-граммных средств.

e) Стандарт FSB. Шина PCI, появившаяся в компьютерах как локаль-ная шина, предназначенная для связи процессора с оперативной памятью, сего-дня используется только для подключения подключаемых устройств. Для связи процессора и памяти используется специальная локальная шина FSB (Front Side Bus). Частота 133 – 233 МГц и выше. Пропускная способность – более 800 Мбайт/с.

Итак, сначала шина PCI заменила VLB, затем шина FSB заменила PCI, а шина PCI – шину ISA. Таким образом, в современных компьютерах роль ос-новной шины материнской платы выполняет PCI, а для связи процессора с опе-ративной памятью служит шина FSB. Частота шины FSB является одним из ос-новных параметров – именно она указывается в спецификации материнской платы.

f) Стандарт AGP. Поскольку видеоадаптер – устройство, требующее особенно высокой скорости передачи данных, при внедрении каждой новой ло-кальной шины (VLB, PCI), он всегда был первым устройством “врезаемым” в данную шину.

Сегодня параметры шины PCI не соответствуют требованиям видео-адаптеров, а подключение видеоадаптера к шине FSB вызовет значительное за-медление её работы (что в своё время было опробовано на шине VLB); поэтому для видеоадаптеров разработана специальная шина AGP (Advanced Graphic Port – усовершенствованный графический порт). Частота этой шины соответствует частоте шины PCI, но она имеет в четверо большую пропускную способность – до 1066 Мбайт/с.

g) Стандарт USB (Universal Serial Bus – универсальная последова-тельная магистраль). Этот стандарт определяет способ взаимодействия компь-ютера с периферийным оборудованием. Он позволяет подключить до 256 уст-ройств, имеющих последовательный интерфейс. Устройства могут включаться цепочками (каждое следующее к предыдущему).

Производительность шины – всего 1,5 Мбит/с, пиковая – 12 Мбайт/с, но для большинства периферийных устройств этого в полнее достаточно. (По-следняя версия – USB 2.0 – до 60 Мбайт/с).


Следует отметить, что основная шина материнской платы имеет выве-денные на заднюю стенку системного блока разъёмы: более медленный после-довательный (COM) порт и более быстрый параллельный (LPT) порт, предна-значенные для подключения периферийных устройств.

^ 8) Микропроцессорный комплект (чипсет).
Чипсет – это набор микросхем, управляющих работой внутренних уст-ройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы.

В настоящее время большинство чипсетов материнских плат выпуска-ются на базе двух микросхем, получивших название “северный мост” и “юж-ный мост”.

“Северный мост” управляет взаимосвязью процессора, оперативной памяти, порта AGP и шины PCI. Поэтому его также называют четырехпорто-вым контроллером.

“Южный мост” называют также функциональным контроллером. Он выполняет функции контроллера жестких и гибких дисков, функции моста ISA – PCI (если материнская плата ещё поддерживает стандарт ISA/EISA), контрол-лера клавиатуры, мыши, шины USB и т. п.

^ II. Внутренние устройства, непосредственно подключаемые к сло-там материнской платы (карты). 1) Видеоадаптер (видеокарта).
Видеоадаптер предназначен для передачи изображения на монитор. Со-вместно с монитором он образует видеоподсистему персонального компьюте-ра. Физически видеоадаптер выполнен в виде отдельной дочерней платы, назы-ваемой видеокартой. Видеокарта имеет стандартный разъем для подключения монитора, выведенный на заднюю стенку системного блока. На видеокарте расположены видеоконтроллер, видеопроцессор и видеопамять.

За время существования персональных компьютеров сменилось не-сколько стандартов видеоадаптеров:

MDA – монохромный;

CGA – 4 цвета;

EGA – 16 цветов;

VGA – 256 цветов;

SVGA – 16,7 млн. цветов.

Одним из важнейших параметров видеоподсистемы является разреше-ние экрана – количество точек по вертикали и горизонтали.

Стандартный ряд разрешений:

640 × 480 точек;

800 × 600 точек;

1024 × 768 точек;

1152 × 864 точек;

1280 × 1024 точек и т. д.

Цветовое разрешение (глубина цвета) определяет количество различ-ных оттенков, которые может понимать отдельная точка экрана. Максимально возможное цветовое разрешение зависит от свойств видеоадаптера и, в первую очередь, от количества установленной на нем видеопамяти. Кроме того, оно за-висит от установленного разрешения экрана.

Необходимый объем видеопамяти можно определить по формуле:

,

где – необходимый объем памяти видеоадаптера (байт);

– горизонтальное разрешение экрана (точек);

– вертикальное разрешение экрана (точек);

– разрядность кодирования цвета (бит).

Минимальное требование по глубине цвета на сегодняшний день – 256 цветов; большинство программ требуют не менее 65 тыс. цветов (режим High Color). Идеал – 16,7 млн. цветов (режим True Color). {Кодирование цветных графических изображений подробно рассматривается в 4 й лекции по основам информатики.}

Работа в полноцветном режиме True Color с высоким экранным разре-шением требует значительных размеров видеопамяти. Пусть разрешение 800 × 600 точек, разрядность кодирования цвета 24 бит, тогда:

С ростом разрешения необходимый в статическом режиме объём видео-памяти увеличивается, а в случае работы с динамическими объектами (игры, видео), его следует увеличить ещё как минимум на порядок.

За последние годы объем видеопамяти вырос с 2 – 4 Мбайт в конце 90-х годов XX века до 64 – 128 Мбайт в 2003 – 04 г.г., а в самое последнее время – до 256 – 512 Мбайт.

Современные видеоадаптеры способны также выполнять функции обра-ботки изображения, снижая нагрузку на центральный процессор ценой допол-нительных затрат видеопамяти.

Видеоускорение – одно из свойств видеоадаптера, которое заключается в том, что часть операций по построению изображений может происходить без выполнения математических вычислений в основном процессоре компьютера, а чисто аппаратным путем – преобразованием данных в микросхемах видеоуско-рителя.

Видеоускорители могут входить в состав видеоадаптера (в этом случае видеокарта обладает функциями аппаратного ускорения), а могут поставляться в виде отдельной платы, устанавливаемой на материнской плате