2.2. Структурная схема персонального компьютера

Как было отмечено выше, структурная схема – это графическое изображение структурной организации вычислительной машины. Она отражает с разной степенью детализации номенклатуру элементов, образующих вычислительную машину и способ их соединения.

Структурная схема персонального компьютера, реализующая архитектуру Фон Неймана, показана на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Структурная схема персонального компьютера, реализующая архитектуру Фон Неймана

Компьютер состоит из внутренних и внешних устройств, системной шины (или системы шин), контроллеров и портов. Точечными линиями на рисунке показано размещение элементов компьютера в пространстве, пунктирными – их группировка по каким-либо признакам или устройства, наличие которых необязательно. Стрелками на рисунке показаны информационные и управляющие сигналы, пунктирные стрелки указывают возможные, обычно устаревшие информационно-управляющие связи. Тени у элементов показывают возможность существования нескольких однотипных устройств.

Конструктивно он выполнен в виде системного блока и комплекта внешних устройств, не входящих в системный блок. Внутри системного блока помещаются блок питания, системная плата, системная шина, контроллеры и порты, а также некоторые малогабаритные быстродействующие внешние устройства. На системной плате расположены внутренние устройства (важнейшие электронные элементы компьютера), системная шина, контроллеры и порты. Устройства компьютера различаются по расположению относительно системной платы: внутренние устройства находятся на системной плате.

К внутренним устройствам относятся: тактовый генератор ТГ¹, центральный процессор ЦП, внутренняя память и, возможно имеющийся в компьютере, сопроцессор (СП). Внутренняя память состоит из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), КЭШ-памяти второго и третьего уровней, энергонезависимого запоминающего устройства (CSMOS).

К внешним устройствам относятся клавиатура, монитор, принтер, мышь, сканер, а также накопители на жёстком диске (HDD), гибком диске (FDD) и на компакт-дисках (CD/DVD), работающие с различными форматами записи данных на диск (CD или DVD). Кроме того, могут быть такие внешние устройства, как игровые манипуляторы, 3-D очки, наушники, колонки, микрофоны, Web-камеры, сетевые карты, модемы различных типов и т.д.

Контроллеры и порты предназначены для подключения внешних устройств к системной шине и разгрузке центрального процессора от управления внешними устройствами, которые работают значительно медленнее внутренних. Внешние устройства нельзя подключать напрямую к системной магистрали, т.к. в ней циркулируют маломощные высокочастотные сигналы. Контроллеры и порты являются посредниками между системной шиной и внешними устройствами, что позволяет увеличить длину кабелей, соединяющих системный блок с внешними устройствами. Стандартная схема подключения внешнего устройства использует контроллер или порт. Однако существуют исключения: мышь и клавиатура могут, особенно в устаревших системах, подключаться напрямую к системной плате. В этом случае, скорее всего, контроллер интегрирован в системную плату.

Весь обмен информацией и управление осуществляются через системную шину. Таким образом, она является элементом, объединяющим все составные части компьютера в единую систему. Однако такой подход принципиально ограничивает быстродействие компьютера, т.к. в каждый момент времени с ней может работать только одно устройство. Поэтому в современных компьютерах имеется целая система локальных шин, специализирующихся на определённых процессах информационного обмена.

Тактовый генератор ТГ создаёт непрерывную последовательность прямоугольных импульсов стабильной частоты, которые используются для согласования работы элементов компьютера во времени (синхронизации) и для обеспечения работы системных таймеров, создающих различные выдержки времени.

Центральный процессор ЦП обрабатывает информацию любого типа и управляет всеми устройствами компьютера. Он может дополняться сопроцессором СП, который специализируется на выполнении узкого круга операций. Например, в старых компьютерах были математические сопроцессоры, специализировавшиеся на операциях с плавающей точкой.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) хранит информацию (а ею могут быть и программы) независимо от наличия питания. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) хранит информацию только при включённом питании. Энергонезависимая память CSMOS питается от встроенных аккумуляторов и хранит важнейшие сведения об оборудовании и его настройках.

Кэш-память позволяет увеличить производительность системы за счёт временной подмены медленно работающих источников информации (дисковых накопителей, сети, ОЗУ и т.д.) фрагментами быстродействующей памяти. КЭШ-память может быть трёх уровней: КЭШ-1 размещается в процессоре, КЭШ-2 – в непосредственной близи от него или внутри микропроцессора, а КЭШ-3 в любом месте системной платы.

Видеоподсистема компьютера образуется видеоадаптером (ВА) и монитором. В ряде случаев в видеоподсистему входит графический сопроцессор, который разгружает центральный процессор, но в процессе работы конкурирует с ним при получении доступа к памяти и шине компьютера. Видеоадаптер – это контроллер монитора, в качестве которого могут использоваться видео карты и графические ускорители¹. Перспективная технология AGP позволяет подключать видеадаптер непосредственно к ОЗУ, минуя шину.

Порты обеспечивают операции ввода-вывода и позволяют подключать к компьютеру множество внешних устройств. Порты, например USB, смогут размножаться посредством создания разветвителями виртуальных портов.

Порт LPT – это параллельный порт, через который информация выводится по множеству параллельных проводов, объединённых в кабель. Такой способ вывода информации позволяет передавать информацию на короткие расстояний (сантиметры и единицы метров). Обычно порт LPT используется для подключения принтера или сканера, однако в современных компьютерах для этой цели всё чаще применяются порты USB.

Порты Com и USB передают информацию в последовательном коде, т.е. по одной или двум парам проводов. Порт Com работает по интерфейсу RS-232 и обеспечивает передачу информации на расстояния, измеряющиеся десятками и сотнями метров. Обычно используется для подключения различных объектов, управляемых вычислительной машиной. В частности на основе Com-порта создаются общепромышленные сети сбора данных и управления на уровне технологических машин.

Интерфейс USB более сложный. Согласно описанию он имеет иерархическую структуру и достаточно сложную программную реализацию, что имеет существенное значение для управляющих вычислительных машин и контроллеров. В этих случаях нередко для поддержки USB со стороны последовательного порта микропроцессора таких контроллеров ставится переходная микросхема, которая позволяет для вычислительной машины, работающей с контроллером, обеспечивать обмен информацией по порту USB, сохраняя для микропроцессора управляемой машины возможность организации обмена данными по последовательному порту. Программное обеспечение таких микросхем представляет канал обмена через микросхему главной машине как виртуальный Con-порт. Одним из достоинств порта USB является возможность подключать и отключать внешние устройства без выключения питания. Однако он обеспечивает обмен информацией на более короткие расстояния, чем Com-порт.