Основные устройства компьютера, его архитектура
Рассмотрим более детально, из каких устройств состоит компьютер и как эти устройства взаимодействуют друг с другом. Для нашего рассмотрения наиболее интересен вопрос устройства миникомпьютеров: персональных компьютеров, серверов, рабочих станций, ноутбуков. Современные компьютеры конструируются на основе идеологии открытых систем. Согласно этой идеологии отдельные устройства, составляющие компьютер, достаточно независимы друг от друга, могут иметь различную конструкцию и выпускаться различными фирмами. Однако они должны удовлетворять строгим предписаниям, касающимся взаимодействия друг сдругом. Эти предписания относятся как к техническим характеристикам устройств (например, величина напряжения на выходных контактах, форма и количество контактов в разъеме), так и содержания сигналов, которыми обмениваются устройства компьютера. Те компоненты устройства, назначением которых является взаимодействие с другими устройствами, называются его интерфейсом, а те правила, которым интерфейс обязан удовлетворять, называются протоколами.
Для устройств одинакового предназначения может существовать несколько протоколов. В этом случае можно объединять в одно целое только те устройства, которые работают по одинаковым протоколам. Например, очевидно, что в корпус компьютера можно вставить только те детали, которые подходят по размерам к специальным креплениям. Менее очевидны протоколы, относящиеся к синтаксису построения сигналов, которыми обмениваются устройства между собой. Большинство современных устройств могут работать с несколькими информационными протоколами.
Между собой все устройства компьютера соединяются шинами. (Более точно говорить о каналах связи, так как существуют и беспроводные соединения). В миникомпьютерах обычно все внешние устройства подсоединены к единому каналу связи, который называется общей шиной. Если ограничиться персональным компьютером, то в его состав могут входить устройства ручного ввода – клавиатура и мышь, устройство графического ввода – сканер, устройства вывода – монитор, принтер, графопостроитель (плоттер), внешние накопители информации – жесткий диск (винчестер), дисковод для гибкого диска (флоппи-диска), CD-ROM, звуковые колонки, сетевой выход.
1.5.1.Оперативная память.
1.5.2.Центральный процессор.
1.5.3.Системные шины.
1.5.4.Монитор.
1.5.5.Устройства ввода информации.
1.5.6.Внешние запоминающие устройства.
1.5.7.Устройства вывода информации.
1.5.8.Некоторые другие устройства.
Контрольные вопросы по теме.
Как связаны объем оперативной памяти и разрядность адресной шины?
Почему оперативная память электрическая, а не магнитная?
Можно ли вводить и выводить информацию без участия процессора?
Что такое видеопамять и чем она отличается от остальной оперативной памяти?
Зачем нужна постоянная память?
Зачем в компьютере нужен генератор тактовых импульсов?
Как управлять работой принтера?
В более мощных компьютерах используются специализированные внешние устройства.
Фактически устройства компьютера подключены к шине не непосредственно, а через промежуточные устройства, которые называются контроллерами или адаптерами. Использование контроллеров и адаптеров вызывается двумя обстоятельствами. Во-первых, характеристики сигналов в каналах связи отдельного устройства компьютера и в общей шине различны, и поэтому необходимо преобразование сигнала из одного вида в другой. Во-вторых, контроллер берет на себя некоторые стандартные операции процесса обмена информацией (такие, как опрос готовности устройства или контроль правильности передачи), освобождая от этих функций центральный процессор. Фактически контроллеры и адаптеры имеют свой процессор (который зачастую можно даже программировать) и представляют собой самостоятельный компьютер в миниатюре.
Выше уже было сказано, что весь комплекс средств, предназначенных для обеспечения связи конкретного устройства компьютера с другими устройствами, назывыается интерфейсом. Интерфейс включает в себя и соединительные каналы, и контроллеры или адаптеры, и алгоритмы, обеспечивающие управление устройством. От характеристик интерфейса зависит быстродействие и надежность устройства. Интерфейс стандартизирован согласно протоколам, описывающим устройства такого функционального предназначения. Стандартизация касается как технических параметров устройства, так и команд управления устройством. Схемы управления обычно помещаются внутри устройства.
Тип интерфейса, в котором общая шина используется всеми устройствами, подключенными к ней, на основе разделения времени, называется односвязным. При многосвязном интерфейсе одно устройство связывается с другими устройствами по нескольким независимым магистралям. Многосвязный интерфейс характеризуется тем, что каждое устройство снабжается одной выходной магистралью для выдачи информации и несколькими входными для приема информации от других устройств. Многосвязный интерфейс используется в больших и супербольших компьютерах.
При неисправности какой - либо входной шины или сопряженных с ней согласующих устройств, оказывается отключенным только одно периферийное устройство. Интерфейс автоматически определяет неисправное ПУ и выбирает исправные и незанятые магистрали. Процессор в зависимости от заданной программы выбирает последовательность опроса датчиков, т.е. вырабатывает управляющие сигналы обмена информацией по выбранному каналу и осуществляет сбор и обработку данных.
По цифровому каналу связи сигнал может передаваться параллельно или последовательно. Параллельная передача цифрового сигнала требует отдельные линии для каждого разряда, но является более быстродействующей. При последовательной передаче цифровые сигналы передаются последовательно по одной линии связи. По способу передачи информации во времени интерфейс может быть синхронный и асинхронный. Синхронный интерфейс характерен временной привязкой к тактовым сигналам, а асинхронный не требует постоянной временной привязки. При синхронной передаче данных тактовые сигналы процессора задают временной интервал, в течение которого считывается информация с одного датчика. Временной интервал определяется наибольшим временем задержки в системе передачи данных и максимальным временем преобразования сигнала. Асинхронная передача данных характеризуется наличием управляющих сигналов "Готовность к обмену", вырабатываемым внешним устройством, "Начало обмена", "Конец обмена", "Контроль обмена", вырабатываемых процессором. При такой организации обмена автоматически устанавливается рациональное соотношение между скоростью передачи данных и величинами задержки сигналов в канале связи.
Всей работой компьютера управляет процессор. Выражается это в том, что только процессор может посылать сигналы по шине адреса и шине управления. Все прочие устройства могут только считывать информацию, идущую по этим шинам. При одновременном прохождении сигнала по адресной шине и шине управления то устройство или тот байт памяти, адрес которого передается, «узнает этот адрес» и активируется.Прочитав сигнал, который идет по шине управления, устройство решает, что ему следует предпринять – принять информацию, идущую по шине данных или, наоборот, послать информацию по шине данных.
Таким образом, вся работа компьютера фактически сводится к информационным потокам и операциям обработки информации в процессоре. Еще раз подчеркнем, что именно процессор определяет, когда, кому и какое сообщение должно быть передано. В свою очередь, процессор извлекает эту информацию из компьютерной программы и данных, используемых программой. И то, и другое лежит в оперативной памяти. Даже если первоначально эти данные лежат на внешнем носителе, прежде чем они могут быть использованы компьютером (процессором!), они должны быть переписаны в оперативную память.
