Магистрально-модульный принцип построения компьютера

Персональный компьютер (ПК) состоит из отдельных модулей, объединяемых посредством системной магистрали (шины). Модули можно заменять на более современные, можно также добавлять новые модули. Такой принцип организации архитектуры называется магистрально-модульным.

Основу компьютера составляет находящаяся в системном блоке системная (материнская) плата, на которой размещены системные (центральные) устройства компьютера - процессор и оперативная память.

Для каждого внешнего устройства в компьютере имеется электронная схема (контроллер или адаптер), которая им управляет. Некоторые контроллеры (например, контроллер дисков) могут управлять сразу несколькими устройствами. Контроллеры находятся на отдельных платах, вставляющихся в унифицированные разъёмы (слоты) на материнской плате.

Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, называемой шиной. Шина - системная плата, обеспечивающая ввод-вывод информации. Характеристикой шины является скорость обмена информацией.

Контроллер принимает сигнал (команду) от процессора и дешифрирует его, чтобы соответствующее устройство смогло принять этот сигнал и правильно отреагировать на него. После получения команды от процессора контроллер функционирует автономно. Поэтому внешние устройства ПК заменяемы, и набор таких модулей произволен.

Структурная схема современного IBM PC-совместимого компьютера приведена на рисунке 3.13. Ядром компьютера является процессор (CPU), один или несколько, ОЗУ (RAM), ПЗУ с BIOS (ROM BIOS) и интерфейсные средства, связывающие их между собой и с остальными компонентами. Эти средства на рисунке изображены в виде «облака», поскольку их формы разнообразны (шины, хабы). Это «облако» обычно имеет интерфейсы одной или нескольких шин расширения (PCI, ISA...), а также порта AGP. Стандартная архитектура PC определяет набор обязательных средств ввода-вывода и поддержки периферии — системы аппаратных прерываний (PIC 8259A), системы прямого доступа к памяти (DMA 8237A), трехканальный счетчик (8254), интерфейс клавиатуры и управления (KBC 8042), канал управления звуком, память и часы (CMOS RTC). На рисунке изображены лишь логические связи между этими устройствами.

Рисунок 3.13 - Структурная схема компьютера

Любой PC-совместимый компьютер имеет следующие черты:

- процессор, программно совместимый с семейством x86 фирмы Intel;

- специфическая система распределения пространства адресов памяти;

- традиционное распределение адресов пространства ввода-вывода с фиксированным положением обязательных портов и совместимостью их программной модели;

- систему аппаратных прерываний, позволяющую периферийным устройствам;

- сигнализировать процессору о необходимости исполнения некоторых обслуживающих процедур;

- систему прямого доступа к памяти, позволяющую периферийным устройствам обмениваться массивами данных с оперативной памятью, не отвлекая на это процессор;

- набор системных устройств и интерфейсов ввода-вывода;

- унифицированные по конструктиву и интерфейсу шины расширения (ISA, EISA, MCA, VLB, PCI, PC Card, Card Bus), состав которых может варьироваться в зависимости от назначения и модели компьютера;

- базовую систему ввода-вывода (BIOS), выполняющую начальное тестирование и загрузку операционной системы, а также имеющую набор функций, обслуживающих системные устройства ввода-вывода.

Для согласования быстродействия на системной плате устанавливаются специальные микросхемы (чипсеты), включающие в себя контроллер оперативной памяти (северный мост) и контроллер периферийных устройств (южный мост) (рисунок 3.14).

Северный мост обеспечивает обмен информацией между процессором и оперативной памятью по системной шине. К северному мосту подключается шина PCI (Peripherial Component Interconnect bus - шина взаимодействия периферийных устройств), которая обеспечивает обмен информацией с контроллерами периферийных устройств.

Рисунок 3.14 - Архитектура персональных компьютеров

Ранее в слот PCI устанавливалась и видеокарта. В настоящее время для подключения видеоплаты обычно используется специальная шина AGP (Accelerated Graphic Port - ускоренный графический порт), соединенная с северным мостом и имеющая частоту, в несколько раз большую, чем шина PCI.

Южный мост обеспечивает обмен информацией между северным мостом и портами для подключения периферийного оборудования.

Устройства хранения информации (жесткие диски, CD-ROM, DVD-ROM) подключаются к южному мосту по шине UDMA (Ultra Direct Memory Access - прямое подключение к памяти).

Мышь и внешний модем подключаются к южному мосту с помощью последовательных портов. Обозначаются последовательные порты как СОМ1 и COM2, а аппаратно реализуются с помощью 25-контактного и 9-контактного разъемов, которые выведены на заднюю панель системного блока.

Принтер подключается к параллельному порту, который обеспечивает передачу 8 электрических импульсов, несущих информацию в машинном коде. Обозначается параллельный порт как LPT, а аппаратно реализуется в виде 25-контактного разъема на задней панели системного блока.

Для подключения сканеров и цифровых камер обычно используется порт USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина), который обеспечивает высокоскоростное подключение к компьютеру сразу нескольких периферийных устройств. В настоящее время клавиатура подключается обычно с помощью порта PS/2.

Дополнительная информация представлена в приложении Д.

Интерфейсы