Архитектура персональных компьютеров IBM PC

Архитектура персональных компьютеров IBM

PC

   

   ПЛАН

   ВВЕДЕНИЕ 

   1. ОСНОВНЫЕ  БЛОКИ IBM PC

   2. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ  УСТРОЙСТВА 

   3. ЛОГИЧЕСКОЕ  УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРА

   

   Введение

   Распространение  персональных компьютеров к

концу 70-х годов  привело к некоторому снижению спроса

на большие  ЭВМ и мини ЭВМ. Это стало предметом 

серьезного беспокойства фирмы IBM (International Bussines

Machines Corporation) - ведущей компании по производству

больших ЭВМ, и  в 1979 году фирма IBM решила

попробовать свои силы на рынке персональных

компьютеров.

   Однако  руководство фирмы недооценило  будущую

важность этого  рынка и рассматривало создание

компьютера всего  лишь как мелкий эксперимент - что-то

вроде одной  из десятков проводившихся в фирме работ по

созданию нового оборудования. Чтобы не тратить на этот

эксперимент слишком  много денег, руководство фирмы 

предоставило  подразделению, ответственному за данный

проект, невиданную в фирме свободу. В частности, ему 

было разрешено  не конструировать персональный

компьютер "с  нуля", а использовать блоки, изготовленные 

другими фирмами. И это подразделение сполна

использовало  предоставленный шанс.

   Прежде  всего, в качестве основного 

микропроцессора компьютера был выбран новейший тогда 

16-разрядный  микропроцессор Intel-8088. Его 

использование позволило значительно увеличить 

потенциальные возможности компьютера, так как  новый

микропроцессор  позволял работать с 1 Мбайтом памяти, а

все имевшиеся  тогда компьютеры были ограничены 64

Кбайтами. В компьютере были использованы и другие

комплектующие различных фирм, а его программное

обеспечение было поручено разработать небольшой  фирме 

Microsoft.

   В августе  1981 года новый компьютер под

названием IBM PC был  официально представлен публике  и 

вскоре после  этого он приобрел большую популярность у 

пользователей. Через один-два года компьютер IBM PC

занял ведущее  место на рынке, вытеснив модели 8-битовых 

компьютеров. Фактически IBM PC стал стандартом

персонального компьютера. Сейчас такие компьютеры

("совместимые с IBM PC") составляют около 90% всех

производимых  в мире персональных компьютеров.

   ОСНОВНЫЕ  БЛОКИ IBM

   PC Обычно  персональные компьютеры IBM PC

состоят из трех частей (блоков) :

   системного  блока; 

   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: системный блок

спрятан под  клавиатурой, а монитор сделан как  крышка к

клавиатуре.

   Хотя  из этих частей компьютера  системный блок 

выглядит 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 

в постоянный 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,

предназначенный для чтения и записи на несъемный

жесткий магнитный  диск (винчестер) .

   ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ  УСТРОЙСТВА

   К системному  блоку компьютера IBM PC можно 

подключать различные  устройства ввода-вывода

информации, расширяя тем самым его функциональные

возможности. Многие устройства подсоединяются через

специальные гнезда (разъемы) , находящиеся обычно на

задней стенке системного блока компьютера. Кроме 

монитора и  клавиатуры, такими устройствами являются:

   принтер  - для вывода на печать текстовой  и 

графической информации;

   мышь - устройство, облегчающее ввод информации 

в компьютер;

   джойстик - манипулятор в виде укрепленной на

шарнире ручки  с кнопкой, употребляется в основном для

компьютерных  игр;

   а также  другие устройства.

   Некоторые  устройства могут вставляться  внутрь 

системного блока  компьютера, например:

   модем  - для обмена информацией с  другими 

компьютерами  через телефонную сеть;

   факс-модем  - сочетает возможность модема  и 

телефакса;

   стример  - для хранения данных на магнитной  ленте. 

   Некоторые  устройства, например, многие 

разновидности сканеров (приборов для ввода рисунков и 

текстов в компьютер) , используют смешанный способ

подключения: в  системный блок компьютера вставляется 

только электронная  плата (контроллер) , управляющая

работой устройства, а само устройство подсоединяется к

этой плате  кабелем.

   ЛОГИЧЕСКОЕ  УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРА

   МИКРОПРОЦЕССОР. Самым главным элементом в

компьютере, его "мозгом", является микропроцессор

небольшая (в  несколько сантиметров) электронная  схема,

выполняющая все вычисления и обработку информации.

Микропроцессор  умеет производить сотни различных

операций и  делает это со скоростью в несколько  десятков

или даже сотен  миллионов операций в секунду. В 

компьютерах типа IBM PC используются микропроцессоры

фирмы Intel, а также совместимые с ними микропроцессоры

других фирм (AMD, Cyrix, IBM и др.) .

   СОПРОЦЕССОР.  В тех случаях, когда на

компьютере приходится выполнять много математических

вычислений (например, в инженерных расчетах) , к

основному микропроцессору  добавляют математический

сопроцессор. Он помогает основному микропроцессору 

выполнять математические операции над вещественными

числами. Новейшие микропроцессоры фирмы Intel (80486 и

Pentium) сами умеют выполнять операции над

вещественными числами, так что для них сопроцессоры не

требуются.

   ОПЕРАТИВНАЯ  ПАМЯТЬ. Следующим очень 

важным элементом  компьютера является оперативная

память. Именно из нее процессор и сопроцессор  берут 

программы и  исходные данные для обработки, в  нее они 

записывают полученные результаты. Название

"оперативная"  эта память получила потому, что  она 

работает очень  быстро, так что процессору не приходится

ждать при чтении данных из памяти или записи в память.

Однако содержащиеся в ней данные сохраняются только

пока компьютер  включен, при выключении компьютера

содержимое оперативной  памяти стирается (за

исключением, о  которых говорится ниже) .

   КОНТРОЛЛЕРЫ  И ШИНА. Чтобы компьютер мог 

работать, необходимо, чтобы в его оперативной памяти

находились программа  и данные. А попадают они туда из

различных устройств  компьютера клавиатуры, дисководов

для магнитных  дисков и т.д. Обычно эти устройства

называют внешними, хотя некоторые из них могут 

находиться не снаружи компьютера, а встраиваться внутрь

системного блока, как это описывалось выше. Результаты

выполнения программ выводятся на внешние устройства

монитор, диски, принтер и т.д.

   Таким  образом, для работы компьютера  необходим

обмен информацией  между оперативной памятью и 

внешними устройствами. Такой обмен называется вводом-

выводом. Но этот обмен не происходит непосредственно:

между любым  внешним устройством и оперативной

памятью в компьютере имеются целых два промежуточных 

звена:

   1. Для  каждого внешнего устройства  в компьютере 

имеется электронная  схема, которая им управляет. Эта 

схема называется контроллером, или адаптером. Некоторые 

контроллеры (например, контроллер дисков) могут 

управлять сразу  несколькими устройствами.

   2. Все  контроллеры и адаптеры взаимодействуют  с

микропроцессором  и оперативной памятью через

системную магистраль передачи данных, которую в

просторечии обычно называют шиной.

   ЭЛЕКТРОННЫЕ  ПЛАТЫ. Для упрощения 

подключения устройств  электронные схемы IBM PC

состоят из нескольких модулей электронных плат. На

основной плате  компьютера - системной, или материнской,

плате - обычно располагаются  основной микропроцессор,

сопроцессор, оперативная  память и шина. Схемы,

управляющие внешними устройствами компьютера

(контроллеры  или адаптеры) , находятся на отдельных

платах, вставляющихся в унифицированные разъемы

(слоты) на  материнской плате. Через эти  разъемы 

контроллеры устройств  подключаются непосредственно к

системной магистрали передачи данных в компьютере

шине. Таким образом, наличие свободных разъемов шины

обеспечивает  возможность добавления к компьютеру новых

устройств. Чтобы  заменить одно устройство другим

(например, устаревший  адаптер монитора на новый) , надо

просто вынуть соответствующую плату из разъема  и 

вставить вместо нее другую. Несколько сложнее

осуществляется  замена самой материнской платы.

   БЛОК - СХЕМА.  На блок-схеме контроллер 

клавиатуры обычно находится на системной плате,

поскольку это  упрощает изготовление компьютера. Иногда

на системной  плате размещаются и контроллеры  других

устройств.

   КОНТРОЛЛЕРЫ  ПОРТОВ ВВОДА - ВЫВОДА.

Одним из контроллеров, которые присутствуют почти в

каждом компьютере, является контроллер портов ввода-

вывода. Эти порты  бывают следующих типов:

   # параллельные (обозначаемые LPT1-LPT4) , к ним

обыкновенно подключаются принтеры;

   # асинхронные последовательные (обозначаемые

СОМ1-СОМ3) .

   Через  них обычно подсоединяются мышь, модем и 

т.д.

   # игровой  порт - для подключения джойстика. 

   Некоторые  устройства могут подключаться  и к

параллельным, и  к последовательным портам.

Параллельные  порты выполняют ввод и вывод  с большей

скоростью, чем  последовательные (за счет использования 

большего числа  проводов в кабеле) .

   МИКРОПРОЦЕССОР. Микропроцессор является 

"мозгом" компьютера. Он осуществляет выполнение 

программ, работающих на компьютере, и управляет работой 

остальных устройств  компьютера. Скорость его работы во

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.

Наиболее распространены модели Intel - 8088,80286,

80386SX, 80386,80486 и  Pentium, они приведены в порядке

возрастания производительности и цены. Одинаковые

модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую

частоту - чем  выше тактовая частота, тем выше

производительность  и цена микропроцессора.

   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.

   МОДЕЛИ  МИКРОПРОЦЕССОРОВ. Исходный 

вариант компьютера IBM PC и модель IBM PC ХТ

использовали  микропроцессор Intel-8088. В начале 80-х 

годов эти микропроцессоры  выпускались с тактовой

частотой 4,77 МГц, затем были созданы модели с тактовой

частотой 12 МГц (т.е. новые модели работают в 1,7-2,1 раза

быстрее) . Модели с увеличенной производительностью

(тактовой частотой) иногда называются Turbo-ХТ. Сейчас

микропроцессоры типа Intel-8088 производятся в

небольших количества, и для использования не в

компьютерах, а  в различных специализированных

устройствах.

   Модель IBM PC АТ использует более мощный

микропроцессор Intel-80286, и ее производительность

приблизительно  в 4-5 раз больше, чем у IBM PC ХТ.

Исходные варианты IBM PC АТ работали на

микропроцессорах с тактовой частотой 6 МГц, затем были

созданы модели этого микропроцессора с тактовой

частотой от 12 до 25 МГц, т.е. работающие в 2-3 раза

быстрее. Микропроцессор Intel-80286 имеет несколько 

больше возможностей по сравнению с Intel-8088, но эти 

дополнительные  возможности используются с Intel-8088, но

эти дополнительные возможности используются очень 

редко, так что  большинство программ, работающих на АТ,

будет работать и на ХТ. Сейчас микропроцессоры  типа

Intel-80286 также  считаются устаревшими и для  применения 

в компьютерах  не производятся.

   ВЫБОР  ТИПА МИКРОПРОЦЕССОРА. 

Быстродействие  основного микропроцессора во многом

определяет скорость работы всего компьютера и, тем 

самым, диапозон применения компьютера:

   компьютеры  на основе микропроцессоров Intel-8088

(или Intel-8086) работают  очень медленно, они уже 

полностью устарели и почти полностью вышли из

употребления;

   компьютеры  на основе микропроцессора Intel-80286

обеспечивают  необходимое быстродействие для  набора

текстов, ввода  исходных данных для бухгалтерских и

аналогичных задач, многих компьютерных игр и т.д.

Однако новые  компьютеры такого класса уже не

выпускаются (поскольку  считаются морально устаревшими)

, а покупать  их вряд ли целесообразно даже  по бросовым

ценам, так как  для работы с большинством современных

программ с  графическим интерфейсом (например, с 

программами, выполняемыми в среде Windows) они

практически не пригодны;

   компьютеры  на основе микропроцессоров Intel -

80386SX и DX, Intel-80486SX обеспечивают приемлемую 

вычислительную  мощность для большинства рабочих  мест

под управлением  как DOS, так и Windows: для

программирования, работы с не очень большими базами

данных, макетирования (верстки) несложных изданий и  т.д.

Однако для  комфортной работы в среде Windows лучше

приобрести более  мощный компьютер;

   микропроцессоры  Intel-80486DX и DX2

применяются для  тех задач, где требуется высокое

быстродействие  компьютера: для файл-серверов больших 

локальных сетей, для профессиональных издательских,

графических или  анимационных программ, для решения 

серьезных вычислительных задач и т.

   д. А  для пользователей, постоянно  работающих с

компьютером, может  быть целесообразно приобретение

компьютера на основе Intel-80486DX или DX2 даже и в том 

случае, если они используют самые обычные программы

типа Word for Windows 6.0, Excel 5.0 и т.д., поскольку эти

микропроцессоры сейчас стоят не намного дороже Intel-

80386 и 80486SX, а  обеспечивают заметно большую

производительность;

   микропроцессоры  Pentium и рассчитанные на его

использование системные платы пока что стоят  весьма

дорого, поэтому  их целесообразно применять для таких

приложений, как  воспроизведение видеоизображений в

реальном времени, большие задачи трехмерного 

проектирования  и моделирования, создания мощных файл-

серверов и  многопроцессорных систем.

   МАТЕМАТИЧЕСКИЙ  СОПРОЦЕССОР. 

Микропроцессоры Intel-80286 и Intel-80386 не содержат

специальных команд для работы с числами с плавающей

точкой. При проведении расчетов с такими числами каждая

операция над  ними моделируется с помощью нескольких

десятков операций микропроцессора. Это сильно снижает 

эффективность применения компьютера для научных

вычислений, при  использовании машинной графики  и для

других применений с интенсивным использованием чисел 

с плавающей  точкой. Поэтому в этих случаях  следует 

использовать  компьютеры IBM PC с установленным

математическим  сопроцессором Intel-8087, Intel-80287 или 

Intel-80387. Наличие  сопроцессора может увеличить 

скорость выполнения операций с плавающей точкой в 5-15

раз. Микропроцессоры Intel-80486DX и DX2 и Pentium сами

поддерживают  операции с плавающей точкой, поэтому  при

их использовании математический сопроцессор не

требуется.

   ОПЕРАТИВНАЯ  ПАМЯТЬ. Оперативная память 

компьютера IBM PC с процессором Intel-8088 или Intel-8086

(например, IBM PC XT) может иметь размер не более  1

Мбайта, поскольку эти микропроцессоры могут обращаться

не более чем  к 1 Мбайту памяти. Эта память состоит из

двух частей. Первые 640 Кбайт памяти могут 

использоваться  прикладными программами и 

операционной  системой. Остальные адреса памяти

("верхняя  память") зарезервированы для служебных целей:

   для хранения  части операционной системы DOS,

которая обеспечивает тестирование компьютера,

начальную загрузку операционной системы, а также 

выполнение основных низкоуровневых услуг ввода-

вывода;

   для передачи  изображения на экран; 

   для хранения  различных расширений операционной 

системы, которые  поставляются вместе с дополнительными

устройствами  компьютера.

   Как правило,  когда говорят об объеме оперативной

памяти компьютера, то имеют в виду именно первую ее

часть, которая  может использоваться прикладными

программами и  операционной системой. Мы тоже будем  в

дальнейшем поступать таким образом.

   КЭШ - ПАМЯТЬ. Для достаточно быстрых 

компьютеров (например, на основе Intel-80386 с тактовой

частотой более 25 МГц или Intel-80486) необходимо

обеспечить быстрый  доступ к оперативной памяти, иначе 

микропроцессор  будет простаивать и быстродействие