Главная отличительная черта структуры персонального компьютера состоит в наличии системной шины (СШ), посредством которой взаимодействуют и обмениваются информацией все его устройства. Именно возможность подключения дополнительных устройств и плат к общей шине реализует принцип «открытой архитектуры».
Шина – это канал пересылки данных, используемый совместно различными блоками системы. Шина может представлять собой набор проводящих линий, вытравленных в печатной плате, провода припаяны к выводам разъемов, в которые вставляются печатные платы, либо плоский кабель. Тип шины является важной характеристикой компьютера, которая наряду с типом основного микропроцессора определяет возможности и диапазон применимости компьютера. Шина входит в состав материнской платы. Архитектура с общей СШ обеспечивает простоту и дешевизну ЭВМ, а также унифицируют алгоритмы взаимодействия ее устройств, облегчая программирование, однако, наряду с этим общая СШ является узким местом ПЭВМ, потенциально ограничивая ее производительность. Последнее объясняется тем, что в каждый момент времени посредством СШ могут обмениваться информацией только два устройства; остальные же вынуждены простаивать. И, тем не менее, такое архитектурное решение в ПЭВМ себя полностью оправдывает.
Компьютеры семейства IBM PC оснащаются различными типами шин, отличающихся друг от друга способами кодирования обменных сигналов и скоростью передачи информации.
Помимо СШ, в состав ПЭВМ входят следующие устройства:
- микропроцессор;
- основная память;
- периферийные устройства;
- адаптеры периферийных устройств;
- порты ввода-вывода;
- адаптер интерфейса.
Кратко охарактеризуем основные устройства ПЭВМ, обращая особое внимание на выполняемые ими функции.
Микропроцессор (МП) – это «сердце» ПЭВМ. Он осуществляет вычисления по хранящейся в ОП программе и обеспечивает общее управление компьютером.
В состав микропроцессора входят:
- устройство управления (УУ): непосредственно выполняет синхронизацию и управление, т.е. подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; опорную последовательность синхронизирующих импульсов устройство управления получает от задающего генератора тактовых импульсов, частота следования которых (обычно от 5-100 МГц) в основном и определяет быстродействие ПЭВМ.
- арифметико-логическое устройство (АЛУ): предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в современных моделях ПЭВМ для ускорения выполнения операций к АЛУ часто подключается дополнительный математический сопроцессор).
- микропроцессорная память (МПП): предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно в ближайшие такты работы машины участвующей в вычислениях. МПП используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (оперативное и постоянное запоминающие устройства) не всегда обеспечивают скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для обработки ее в процессоре с высоким быстродействием.
- интерфейсная система микропроцессора включает в себя регистры буфера команд (память 6 байт) для хранения очередных команд выполняемой программы, аппаратуру для подключения к микропроцессору портов ввода-вывода (ПВВ) внешних устройств и схемы управления шиной - внутримашинным системным интерфейсом.
Основная память (ОП) - это запоминающее устройство, напрямую связанное с процессором и предназначенное для хранения выполняемых программ и данных, непосредственно участвующих в операциях. Она имеет достаточно высокое быстродействие, но ограниченный объем. Логически ОП можно представить в виде совокупности ячеек, доступ к каждой из которых осуществляется путем указания ее адреса. ОП делится на различные виды, основными из которых являются оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).
ОЗУ служит для приема, хранения и выдачи информации. В нем содержатся программы и данные, доступные для использования процессором, а также промежуточные и окончательные вычисления. ОЗУ является энергозависимым, что означает исчезновения информации при отключении питания.
ПЗУ, является энергонезависимым, обеспечивает надежное хранение и выдачу информации. Содержимое ПЗУ не может быть изменено. В нем хранятся часто используемые (универсальные) программы и данные, такие, как программы операционной системы (ОС) и ее информационные структуры, а также интерпретаторы и компиляторы языков программирования.
Необходимо отметить, что МП в своей работе использует только информацию, хранимую в ОП. Если же программы и/или данные находятся в другом устройстве, то они должны быть предварительно размещены в ОЗУ. Поэтому совокупность МП и ОП принято считать центральными устройствами ПЭВМ.
Под периферийным устройством (ПУ) понимают любое устройство, конструктивно отделенное от центральной части ПЭВМ, имеющее собственное управление и выполняющее запросы МП без его непосредственного вмешательства. По функциональному признаку ПУ делятся на две основные группы:
- внешние запоминающие устройства (ВЗУ), служащие дополнительным энергонезависимым, более медленным, но более емким полем памяти машины для долговременного хранения программ и данных. В качестве ВЗУ в ПЭВМ обычно используются накопители на магнитных дисках (НМД) - как гибких (НГМД), так и жестких (НЖМД), накопители на магнитных лентах (НМЛ), накопители на оптических дисках (НОД). С помощью НГМД осуществляется перенос программ с одного компьютера на другой, создание архивов программ и данных. НЖМД (винчестеры) предназначены для постоянного хранения информации, используемой при работе с компьютером: операционной системы, часто используемых пакетов прикладных программ, трансляторов с языков программирования, баз данных и т.д.
- устройства ввода-вывода (УВВ), обеспечивающие общение пользователя с ПЭВМ. В качестве УВВ для ПЭВМ используются монитор, клавиатура, различные манипуляторы (типа «мышь», джойстики ), печатающие устройства (принтеры), устройства ввода и вывода графической информации и др.
Монитор (дисплей) персонального компьютера - это устройство, предназначенное для вывода на экран текста и графических изображений. Считается, что от выбора монитора больше, чем от какого-либо другого элемента, зависит, в каких условиях пользователь ПК будет работать, какие детали изображения он увидит, каких трудностей, связанных с восприятием информации, он способен избежать. Мониторы компьютеров бывают цветными и монохромными (одноцветными) и могут работать в одном из двух режимов: текстовом или графическом.
Клавиатура персонального компьютера предназначена для первичного ввода знаковой информации. В процессе решения задачи на ПК пользователю с помощью клавиатуры приходится управлять работой машины, вводить числовые данные, редактировать (исправлять возможные ошибки), вести диалог с компьютером, а также осуществлять другие операции, выполнение которых производится нажатием соответствующих клавиш.
Состав ПУ может сильно меняться от модели к модели ПЭВМ. По степени важности ПЭВМ ПУ делятся на основные и дополнительные. Основные ПУ являются неотъемлемой частью всех ПЭВМ (монитор, клавиатура). Дополнительные ПУ могут поставляться и подключаться по специальным заказам.
В расширенный состав компьютера могут входить следующие дополнительные периферийные устройства:
- принтер (блок печати), предназначенный для вывода информации на бумажный носитель;
- графопостроитель - устройство для вывода чертежей на бумажный носитель;
- сканер - устройство для оптического считывания графической и текстовой информации;
- диджитайзер (кодирующий планшет) - устройство для ввода в компьютер графических данных: чертежей, схем, планов местности и т.д.;
- манипуляторы (джойстик, мышь, трекбол), облегчающие ввод информации;
- электронные цифровые оптические устройства, предназначенные для ввода фото- и видеоизображений;
- источники бесперебойного питания, обеспечивающие гарантированную работу компьютера при аварийных ситуациях в сети.
ПУ подключаются к системной шине не непосредственно, а через цепочку: адаптер периферийного устройства (АПУ) - порт ввода-вывода (ПВВ).
АПУ выполняет две основные функции:
- осуществляет непосредственное управление ПУ по запросам от МП.
- обеспечивает согласование интерфейса ПУ с системной шиной.
Остановимся несколько подробнее только на второй функции. Периферийное оборудование выпускается многими производителями, часто без ориентации на то или иное семейство ПЭВМ. Кроме того каждый тип ПУ обладает своей спецификой, т.е. ПУ имеют различные интерфейсы (соглашения о связях с другими устройствами). Поэтому очевидно, что для подключения таких ПУ к общей СШ ПЭВМ нужны согласующие устройства, роль которых и выполняет АПУ. Для подсоединения нового ПУ при этом достаточно разработать для него соответствующий адаптер, совместимый с той или иной СШ.
ПВВ обеспечивает непосредственное подключение АПУ к СШ. Каждый ПВВ имеет свой адрес. Одному ПУ может быть приписано несколько ПВВ. Упрощенно ПВВ можно считать регистром, в который записывается информация для передачи в ПУ или с которого считывается полученная из ПУ информация. Совокупность ПВВ образует систему портов ввода-вывода.
Адаптеры интерфейса (АИ) выполняют роль согласующих звеньев для сопряжения центральной части ПЭВМ с дополнительными ПУ, интерфейсы которых для универсальности стандартизованы. Иными словами, АИ - это в определенном смысле универсальный адаптер, средство сопряжения центральной части ПЭВМ с дополнительными ПУ, в котором все физические и логические параметры отвечают предварительным соглашениям (стандартный интерфейс) и широко используются в других устройствах. К таким АИ могут подключаться ПУ со своими контроллерами, модемы для внедрения в телефонную сеть и т.п.