Главная > Книга


Шина расширения — шина, предназначенная для подключения тех уст­ройств, которые расширяют стандартные возможности компьютера, напри­мер, для подключения звуковой платы. Шины расширения предоставляют возможность получения доступа к системным ресурсам компьютера: про­странство памяти, порты ввода/вывода, прерывания, каналы прямого дос­тупа к памяти. Производителям устройств расширения приходится точно следовать протоколам, принятым для каждой шины, выдерживая жесткие частотные, временные и нагрузочные параметры. Любые отклонения приво­дят к несовместимости с некоторыми материнскими платами. Подключение некорректно работающего устройства к шине расширения может привести к нестабильной работе всего компьютера в целом.

Порт ввода/вывода — представляет собой устройство сопряжения в архитек­туре компьютера, через которое можно ввести данные из периферийного устройства или, наоборот, вывести их. Физически порт ввода/вывода, как правило, представляет собой разъем, находящийся на материнской плате либо на задней панели системного блока, с определенным количеством и назначением выводов.

Системную шину можно сравнить с телефонной сетью, к которой парал­лельно подключено большое количество абонентов (блоков компьютера). ";Обращение"; центрального процессора к какому-нибудь устройству очень похоже на вызов абонента. Все устройства, подключенные к системной ши­не, имеют свой ";уникальный номер"; (адрес). Когда требуется обратиться к любому из них, в системную шину передается сигнал запроса, после чего

устройство передает на шину обратный сигнал, который может принимать либо форму ";занято";, либо ";свободно";. Работу по определению своего номе­ра и ответу на запрос берет на себя контроллер устройства.

Кроме указанных устройств на материнской плате установлено большое ко­личество микросхем (chip), составляющих в совокупности определенный набор микросхем, иначе чипсет, который служит для обеспечения обмена данными между центральным процессором и периферийными устройствами.

Чипсет позволяет организовать совместную работу самых разнообразных устройств, обладающих несовместимыми на первый взгляд техническими параметрами. В этом есть вся ";соль"; открытой архитектуры компьютера — придерживаясь минимального набора правил, вы можете самостоятельно собрать работоспособное устройство и запросто подключить его к компью­теру.

Очень часто можно услышать такие термины, как ";южный мост"; и ";север­ный мост";. Они представляют собой две самые главные части любого чип­сета (рис. 1.1). Северный мост (North Bridge) получил свое название из-за того, что логическая часть электронной схемы, представляющей его, распо­лагается ближе всего к центральному процессору. Южный мост (South Bridge) ";общается"; с центральным процессором только через северный мост, поэтому логически он располагается дальше, т. е. ";на юге";.

Рис. 1.1. Общая структура персонального компьютера

Примечание

За рубежом традиционно сравнивают размещение (перемещение) различных компонентов (устройств) с расположением частей света. Поэтому компоненты, которые архитектурно или конструктивно размещены ниже (например, на мате­ринской плате), называются южными, и наоборот. Также, например, перемеще­ние спутниковой тарелки вправо или влево от исходной позиции называют пе­ремещением на восток или на запад.

Но на этом состав чипсета не ограничивается, т. к. имеется еще очень важ­ная его часть, которая называется Super I/O (Input/Output). Такое разделе-

ние далеко не случайно, любая деталь в архитектуре персонального компь­ютера имеет под собой сугубо практическую подоплеку.

Северный мост является наиболее главным звеном любого чипсета, т. к. он отвечает за работу самых производительных устройств компьютера, подклю­ченных либо напрямую к системной шине (например, основная память), либо к одной из самых мощных локальных шин (PCI или AGP).

Южный мост выполняет более простые функции, в основном занимаясь работой устройств, подключенных к медленной шине ISA. Правда, в по­следнее время из-за того, что упомянутая шина практически отжила свой век, на ";плечи"; южного моста стали перекладывать часть функций северно­го моста. Таких, например, как работа устройств IDE (жестких дисков, при­водов CD-ROM), шины USB и CMOS-памяти.

Блок Super I/O обычно выполняет функции обслуживания практически всех портов ввода/вывода. Этот блок является наиболее ";древней частью"; мате­ринской платы, т. к. большая часть этих портов существовала еще на самом первом компьютере IBM PC. К ним подключаются такие устройства, как клавиатура, мышь, принтер, дисковод для гибких дисков и т. п.

Такая организация чипсета позволяет вносить изменения не во всю схему, а только в ту ее часть, где требуется ввести, например, поддержку новых стандартов. Как можно догадаться, в основном перерабатывается северный мост, а остальные два блока остаются практически неизменными.

Компания Intel однажды предложила несколько иную схему организации чипсета. В отличие от стандартного способа, при котором для соединения использовалась шина PCI, было предложено применить отдельный канал, имеющий вдвое большую пропускную способность. При этом северный мост получил название Graphics and AGP Memory Controller Hub (GMCH), а южный мост стал называться Input/Output Controller Hub (ICH). Так что если встретите где-нибудь столь непривычные термины, не пугайтесь, это все тот же чипсет, но в том виде, как его понимает Intel.

От качества исполнения чипсета, а также материнской платы зависит то, насколько удачно будет реализована идея открытой архитектуры. Все, на­верное, наслышаны о различных проблемах пользователей IBM-совмес­тимых компьютеров: то одно не работает, то другое. Все эти неприятности только из-за несоблюдения некоторыми производителями общепринятых правил (стандартов), которые разрабатываются, по традиции, несколькими ведущими разработчиками в данной области и должны использоваться все­ми остальными менее известными производителями.

Наиболее важный компонент любого компьютера — это центральный про­цессор (Central Processing Unit, CPU), который, по сути, является ";мозгом"; всей системы. Он ";думает"; над всеми задачами и примерами, которые ";за­дают"; ему подключенные устройства. Например, на клавиатуре вы нажимае­те на какую-нибудь клавишу, а на экране монитора рисуется символ, соот-

ветствующий нажатой клавише. При этом процессор улавливает факт нажа­тия определенной клавиши, ищет ее значение в специальной таблице, запи­санной в памяти компьютера, определяет способ отображения символа на экране и, в конце концов, выводит этот символ на экран монитора. Благо­даря постоянно работающим программам процессор ";знает";, каким образом нужно ";общаться"; с клавиатурой и с другими компонентами (основной па­мятью, монитором и т. п.).

Процессор ";общается"; со всеми подключенными устройствами при помощи чипсета. Как видно из рис. 1.1, ни одно устройство не имеет прямого дос­тупа к процессору, так же, как и он, не может ";добраться"; до этих устройств без участия электронной схемы чипсета. Сделано это для согласования, во-первых, скорости работы, т. к. процессор обычно работает значительно бы­стрее других устройств. Во-вторых, для согласования уровней сигналов, т. к. некоторые устройства, например клавиатура, могут использовать значитель­но более мощные сигналы, чем процессор, так что их прямое соединение может привести к неисправности схемы процессора.

Важнейшими характеристиками центрального процессора являются:

□ тактовая частота;

□ разрядность;

□ адресное пространство.

Тактовая частота характеризует быстродействие компьютера. Режим рабо­ты процессора задается микросхемой, которая называется генератором так­товой частоты. На выполнение каждой операции отводится определенное количество тактов. Естественно, что чем выше тактовая частота, тем быст­рее процессор выполняет программы, хотя общая производительность ПК связана с тактовой частотой лишь косвенно.

Разрядность процессора указывает на количество одновременно обрабаты­ваемых бит информации, т. к. обычно команды выполняются не по одному биту, а одновременно группами по 8, 16, 32 или 64 бита. Чем больше раз­рядность процессора, тем больше информации он может обработать за один рабочий такт — от этого зависит такой параметр, как производительность процессора.

Адресное пространство процессора указывает на максимальный объем памя­ти, который процессор способен обслужить. Определяется этот параметр разрядностью шины адреса.

Любой компьютер обладает памятью, которая по качеству хранения инфор­мации может успешно соперничать даже с самыми гениальными людьми. Человеку свойственно со временем забывать о событиях, произошедших много лет назад, компьютер в этом смысле более ";злопамятный"; — в его памяти сохраняется практически все, что происходит внутри его ";организма";.

Основная память компьютера состоит из оперативных и постоянных запо­минающих устройств. При описании первого типа часто применяется аб­бревиатура ОЗУ, а для второго — ПЗУ.

Оперативная память предназначена для записи, хранения и считывания программ, исходных данных, промежуточных и окончательных результатов. Все ячейки памяти объединены в группы по 8 бит (1 байт) и каждая такая группа имеет свой уникальный адрес, по которому к ней можно в любое время обратиться. ОЗУ используется для временного хранения программ и данных. Объем оперативной памяти является очень важной характеристи­кой компьютера, т. к. он влияет на скорость работы компьютера и на рабо­тоспособность программ. Некоторые программы не запускаются, если обна­руживают недостаточный для них объем памяти.

Часть оперативной памяти располагается на видеоплате и используется для хранения текущей информации, выводимой на экран монитора, она назы­вается видеопамятью.

Постоянная память используется для хранения данных, которые, как пра­вило, не требуют своего регулярного изменения. Содержимое этой памяти определенным образом ";прошивается"; в микросхеме при ее изготовлении. В ПЗУ обычно находятся такие программы, как:

□ программа управления работой внутренней схемы процессора;

□ программы управления клавиатурой, принтером и т. п.;

□ программы запуска и подготовки к выключению компьютера;

□ программы тестирования устройств, проверяющие при каждом включе­нии компьютера правильность их работы;

□ информация о том, в какой части загрузочного диска могут находиться системные файлы операционной системы.

Важной особенностью постоянной памяти является то, что она предназна­чена только для считывания информации.

Системная шина, как уже говорилось, это группа электрических соедине­ний (проводников) для передачи данных, адресов и управляющих сигналов между компонентами компьютера. Для обеспечения взаимозаменяемости устройств, изготавливаемых различными производителями и по разным технологиям, количество, назначение и размещение этих проводников стан­дартизировано. В первых компьютерах IBM PC системная шина изготавли­валась по стандарту ISA, который представляет собой первую шину про­мышленно стандартизованную. Она применяется до сих пор, хотя произво­дители, начиная с 1998 года, делают все возможное для ее устранения из конфигурации компьютера, т. к. она является тормозящим фактором для дальнейшего развития производительности. Следует отметить, что на совре­менных материнских платах слотов ISA уже нет.

Шина ISA представляет собой совокупность из 16 линий для передачи дан­ных, 24 линии для передачи адреса, 15 линий для аппаратных прерываний и 7 линий для организации прямого доступа к основной памяти. Остальные проводники отведены для передачи управляющих сигналов и электропи­тания.

Не так давно для обмена информацией использовался программный режим передачи данных. При передаче данных между внешними устройствами (например, жестким диском) и основной памятью сигналы проходят через системную шину с участием центрального процессора. На время обмена процессор приостанавливает выполнение всех основных программ (напри­мер, игры), что сильно снижает производительность компьютера. Для уст­ранения этого ";узкого места"; стали применять так называемые локальные шины, позволяющие любому устройству получить прямой доступ к основ­ной памяти компьютера.

Промежуточный уровень между системной шиной и шиной ISA занимает шина PCI, выполняющая особую роль в архитектуре персонального компью­тера. Она не зависит от типа центрального процессора и его тактовой часто­ты. От предназначения шины произошло и ее название — Peripheral Component Interconnect, что переводится как связь периферийных уст­ройств. Имеется в виду связь с центральным процессором, т. к. все внешние устройства традиционно подключаются к компьютеру посредством шины ISA, которая, в свою очередь, как уже было сказано, через шину PCI связы­вается с системной шиной.

Для длительного хранения информации, не зависящей от электропитания, которая подлежит периодическому изменению, используют так называемые накопители. Объем накопителя, как правило, в сотни раз превышает объем оперативной памяти или вообще не ограничен в случае, когда используется устройство со сменными носителями. Любой накопитель можно рассматри­вать как совокупность носителя информации и соответствующего привода. Различают накопители со сменными и несменными носителями.

Привод представляет собой сочетание механизма чтения/записи с элек­тронной схемой управления. Его конструкция определяется принципом действия и видом носителя. Носитель, который, по сути, является средой хранения информации, может быть либо дисковым, либо ленточным; по принципу запоминания — магнитным, магнитооптическим и оптическим. Ленточные носители используются только в магнитных накопителях, в от­личие от дисковых носителей, в которых применяются все три вида записи. Дисковый носитель может представлять собой гибкий или жесткий диск. Гибкие диски в настоящее время выпускаются в виде дискет или иначе флоппи-дисков (от англ. Floppy — хлюпающий). Собственно носитель пред­ставляет собой плоский диск из специальной пленки, обладающей доста­точной прочностью и стабильностью размеров. Он покрыт ферромагнитным слоем и помещен в защитный конверт (оболочка дискеты).

Привод для гибких дисков (для его описания часто употребляют термин НГМД— Накопитель на Гибких Магнитных Дисках) представляет собой электронно-механическое устройство стандартных габаритов, в корпусе ко­торого размещены:

□ электродвигатель, который вращает шпиндель;

□ блок магнитных головок и механизм его позиционирования;

□ печатная плата со схемами питания дисковода, управления механизмом позиционирования, усилителей записи и считывания, формирования вы­ходных сигналов.

Конструктивной особенностью НГМД является то, что диск приводится во вращение только после поступления команды на чтение или запись, а в ос­тальное время он неподвижен. Кроме того, головка чтения/записи во время работы механически контактирует с поверхностью носителя. В системном блоке дисковод закрепляется так, что щель приемника дискет ";выглядывает"; на лицевой панели.

Накопитель на жестких дисках (для его описания часто употребляют термин НЖМД — Накопитель на Жестких Магнитных Дисках) является устройст­вом с несменным носителем. Его конструктивная схема сходна с дисково­дом, но ее реализация существенно отличается. От жесткого диска требуется в сотни раз большие емкость и скорость обмена данными. Поэтому инфор­мация записывается не на один диск, а на целый набор дисков, идеально плоских с отполированным слоем ферромагнитного материала. При этом запись производится на обе поверхности (кроме крайних дисков).

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что в жестких дисках рабо­тает несколько магнитных головок, собранных в единый блок. Пакет дисков вращается непрерывно и с большой скоростью до тех пор, пока компьютер включен. В этом случае механический контакт головок и дисков недопус­тим. Каждая головка ";плавает"; над поверхностью диска на расстоянии 0,5— 0,13 мкм.

Накопители выпускают несколько десятков компаний-производителей. Чтобы обеспечить взаимозаменяемость всех устройств, разработаны стан­дарты на их габариты и электрические характеристики. Последние опреде­ляют, например, назначение проводников, их размещение в разъемах, элек­трические параметры сигналов — все это принято называть интерфейсом. Сегодня наиболее распространенными являются стандарты EIDE и SCSI.

Интерфейс — это совокупность правил взаимодействия устройств и про­грамм между собой или пользователем и средств, реализующих это взаимо­действие. Понятие интерфейс включает как аппаратные, так и программные средства. Аппаратный или интерфейс устройств — это и линии связи между устройствами, и устройства сопряжения, и способ преобразования переда­ваемых от устройства к устройству сигналов. В случае с программными

средствами — это, прежде всего, сами программы, кроме того, внешний вид программы, включая дизайн (т. е. наличие и размещение меню, кнопок и т. д.), позволяющий облегчить работу с данной программой. По способу передачи информации различают параллельные и последовательные интер­фейсы. В параллельном интерфейсе данные передаются по нескольким идущим параллельно проводникам одновременно. Как правило, проводни­ков восемь, что соответствует одному байту информации, или кратно вось­ми — кратно байту. В IBM-совместимых компьютерах используется стан­дартный параллельный интерфейс Centronics (аппаратно он реализуется в виде разъемов LPT на задней панели системного блока). В последователь­ном интерфейсе все биты каждого байта передаются друг за другом чаще всего по одной линии. В IBM-совместимых компьютерах обычно использу­ется стандартный последовательный интерфейс RS-232C (аппаратно он реа­лизуется в виде разъемов СОМ на задней панели системного блока). В современных компьютерах все большее распространение получает после­довательный интерфейс USB (Universal Serial Bus), имеющий большую про­пускную способность, чем RS-232C. Наиболее важной характеристикой любого интерфейса является его пропускная способность. У параллельного интерфейса пропускная способность значительно выше, чем у последова­тельного интерфейса, при условии идентичности быстродействия приемо­передающих цепей и пропускной способности соединительных линий. По­этому RS-232C используется в основном для нетребовательных устройств, например, мыши. Повышать быстродействие интерфейса за счет увеличения тактовой частоты практически не имеет смысла, т. к. волновые свойства используемых кабелей оставляют желать лучшего. В случае с параллельным интерфейсом ограничивает скорость передачи следующий фактор: все про­водники имеют разброс во времени прохождения сигналов — от передатчи­ка до приемника сигналы по разным линиям приходят неравномерно, одни немного раньше, а другие позже. Для надежной передачи данных электрон­ную схему обмена создают с учетом возможного разброса времени прохож­дения сигналов, что является одним из основных факторов, ограничиваю­щих повышение пропускной способности параллельного интерфейса.

Для любого интерфейса, физически соединяющего два устройства, разли­чают три возможных режима работы — дуплексный, полудуплексный и симплексный. Дуплексный режим позволяет передавать по одному каналу связи информацию в обоих направлениях. Полудуплексный режим позволяет передавать информацию в обе стороны по одному каналу, но только по очереди: сначала в одну сторону, потом уже в другую. Полудуплексный ин­терфейс обязательно имеет схему переключения направления канала. Сим­плексный режим предполагает только одностороннюю передачу информации.

Другим немаловажным параметром любого интерфейса является допустимое удаление подключаемых устройств. Оно ограничивается частотными свойст­вами соединительного кабеля и помехозащищенностью интерфейса. Инте-

ресно то, что приходится учитывать помехи, возникающие от соседних ли­ний интерфейса (так называемые перекрестные помехи). Для устранения перекрестных помех в качестве соединительного кабеля можно использовать витую пару для каждого из соединений.

Теперь немного о платах расширения. Формы представления данных, ис­пользуемых в персональном компьютере, существенно различаются. Так же как различаются по своим физическим принципам работы все устройства, подключаемые человеком к компьютеру (монитор, принтер, клавиатура и т. д.).

По вышеуказанной причине для поддержки взаимодействия устройств не­обходимо выполнять преобразование форм представления информации. Эту задачу осуществляют специальные устройства, которые обычно называют адаптерами. Конструктивно они выполняются в виде печатных плат, кото­рые с одной стороны имеют стандартный разъем для сопряжения с шиной, а с другой — специфический разъем (или разъемы) для связи с соответст­вующим устройством. По мере совершенствования технологий необходи­мость в адаптерах отпадает, потому что часть функций по преобразованию сигналов берет на себя электронная схема подключаемого устройства, а не­которые функции выполняют компоненты материнской платы. В виде плат расширения, как правило, выпускают такие устройства, как видеоплата, платы портов ввода/вывода, сетевые платы, модемы, звуковые платы и т. п.

Контроллер ввода/вывода представляет собой устройство, которое обслужи­вает разнообразные внешние устройства, такие как принтер, клавиатура, мышь и т. п. Подключение их к системной шине осуществляется через спе­циальные схемные элементы, называемые портами. Различают параллель­ные и последовательные порты. Параллельный порт позволяет передать за один рабочий такт, по крайней мере, один байт, поскольку каждому биту выделен отдельный проводник (контакт), поэтому все составляющие байта передаются одновременно, параллельно. Последовательный порт содержит для передачи данных только одну пару проводников, и потому биты, со­ставляющие сигнал, проходят через порт последовательно.

Наиболее часто контроллер ввода/вывода способен обслуживать три па­раллельных порта (LPT1 ... LPT3) и четыре последовательных (СОМ1 ... COM4). Для LPT-портов используют 25-контактные разъемы, для СОМ-портов 9- или 25-контактные. Разъемы выходят на заднюю панель систем­ного блока, и уже к ним подключаются соединительные кабели внешних устройств. Общее число разъемов, как правило, меньше числа портов.

Одна из немногих вещей, дошедших до нас в неизменном виде с начала 80-х годов, когда только стала зарождаться архитектура IBM-совместимых компьютеров, — это два последовательных порта. Даже параллельный порт и тот модифицировался, практически ни на одном из современных PC вы не увидите ";чистого"; SPP (Standard Parallel Port) порта — это будет его либо

модификация ЕРР (Enhanced Parallel Port), либо ЕСР (Extended Capabilities Port). He найдете вы на последних материнских платах и привычного разъ­ема для клавиатуры — его заменило компромиссное решение — PS/2-порт. Таким образом, единственное, что осталось неизменным в течение вот уже почти 20 лет, — это два СОМ-порта на материнской плате.

Наиболее современные интерфейсы, которые должны со временем пол­ностью заменить старые варианты (СОМ и LPT), называются USB и FireWire, чтобы не вдаваться в подробности их функционирования, просто приведем их сравнительные характеристики (табл. 1.1).

Таблица 1.1. Сравнение современных внешних интерфейсов

Сердцем компьютера является тактовый генератор, который занимается генерацией специальных импульсов, подаваемых на предназначенный для этого вход устройства. Даже несмотря на то, что на электронную схему компьютера будет подаваться все необходимые напряжения питания, она не будет работать до тех пор, пока на вход центрального процессора и других компонентов не начнут подаваться тактирующие импульсы. Иногда их на­зывают синхроимпульсами, потому что синхронно с ними передаются абсо­лютно все сигналы, которые только имеются в компьютере.

Всю важность синхронизирующих (тактовых) импульсов передать в двух словах очень сложно. Они играют главенствующую роль при согласовании скорости работы различных устройств, что позволяет организовать совмест­ную работу таких медленных устройств, как дисковод для гибких дисков, например, с очень быстрой основной памятью. Основной единицей изме­рения скорости работы также является тактовый импульс (например, про­цесс чтения данных начинается через три такта после запроса или данные доставляются от одного устройства другому в течение одного тактового им­пульса). Синхронизация работы всех устройств относительно одного общего тактового сигнала позволяет обеспечить быстрый взаимный доступ. Напри-

мер, если на вход процессора поступил тактовый импульс, то можно с уве­ренностью сказать, что в этот самый момент такой же импульс поступил на вход основной памяти, что позволяет открыть канал доступа процессора к памяти. Все сигналы (данных или адреса) обязательно ";привязываются"; к тактовым импульсам, что позволяет синхронизировать моменты ";готовно­сти"; всех устройств. Ведь внутреннее устройство всех компонентов отлича­ется друг от друга так же, как и их технические параметры (электрические, временные и т. п.). Устройство готово принять или выдать данные только в том случае, когда его электронная схема не занята обработкой внутренних служебных сигналов.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Ф49 IBM PC для пользователя Изд

    Книга
    ... блоком питания. Контроллеры и устройства Для управления работой устройств в IBMPC-совместимых компьютерах ис- пользуются ... по материнской плате - без нее модернизацию и ремонт компьютера будет выполнить значительно труднее ...
  2. Ф49 IBM PC для пользователя Изд

    Книга
    ... блоком питания. Контроллеры и устройства Для управления работой устройств в IBMPC-совместимых компьютерах ис- пользуются ... по материнской плате - без нее модернизацию и ремонт компьютера будет выполнить значительно труднее ...
  3. Сведения об обеспеченности образовательного процесса учебной литературой или иными информационными ресурсами и материально-техническом оснащении (8)

    Документ
    ... Радиотон, 2000. – 320 с.. 17) Борзенко А.Е.. IBMPC: устройство, ремонт, модернизация [Текст]/ А.Е. Борзенко.– 2-е изд., перераб. и ... (Учебник для вузов). 35) Трасковский А.. Устройство, модернизация, ремонтIBMPC [Текст]/ А.В. Трасковский. – СПб.: ...
  4. Архитектура ЭВМ и систем Учебно-методический комплекс

    Учебно-методический комплекс
    ... . Концепция виртуальных устройств. Физический и логический уровень интерфейсов в ПК типа IBMPC. Синхронный и ... ВУЗов. – СПБ: Питер. 2003. Трасковский А. Устройство, модернизация, ремонтIBMPC.- М.:БХВ, 2003. Якубайтис Э.А. Информационные сети ...
  5. Архитектура эвм и систем учебно-методический комплекс

    Учебно-методический комплекс
    ... . Концепция виртуальных устройств. Физический и логический уровень интерфейсов в ПК типа IBMPC. Синхронный и ... ВУЗов. – СПБ: Питер. 2003. Трасковский А. Устройство, модернизация, ремонтIBMPC.- М.:БХВ, 2003. Якубайтис Э.А. Информационные сети ...

Другие похожие документы..