2. Склад пк та характеристика його пристроїв
Магістрально-модульний принцип будови полягає в тому, що комп’ютер складається з окремих модулів, обмін інформацією між якими здійснюється через системну шину.
Звичайно ПЭВМ включає три основних пристрої: системний блок, клавіатуру і дисплей (монітор). Однак для розширення функціональних можливостей ПЕОМ можна підключити різні додаткові периферійні пристрої, зокрема: друкувальні пристрої (принтери), накопичувачі на магнітній стрічці (стриммери), різні маніпулятори (миша, джойстик, трекбол, світлове перо), пристрої оптичного зчитування зображень (сканери), графобудівники (плоттери) і ін.
Ці пристрої приєднуються до системного блоку за допомогою кабелів через спеціальні гнізда (розйоми), що розміщуються звичайно на задній стінці системного блоку. У деяких моделях ПЕОМ при наявності вільних гнізд додаткові пристрої вставляються безпосередньо в системний блок, наприклад, модем для обміну інформацією з іншими ПЕОМ через телефонний зв'язок чи стриммер для збереження великих масивів інформації на магнітній стрічці.
ПЕОМ, як правило, має модульну структуру (мал. 6.1). Усі модулі зв'язані із системною магістраллю (шиною).
Системна магістраль. Вона виконується у виді сукупності шин, використовуваних для передачі даних, адрес і керуючих сигналів. Кількість ліній в адресно-інформаційній шині визначається розрядністю кодів адреси і даних, а кількість ліній у шині керування - числом керуючих сигналів, використовуваних у ПЕОМ.
Системний блок. Є головним у ПЕОМ і включає у свій склад: центральний мікропроцесор, співпроцесор, модулі оперативної і постійної пам'яті, контролери, накопичувачі на магнітних дисках і інші функціональні модулі. Набір модулів визначається типом ПЕОМ. Користувачі за своїм бажанням можуть змінювати конфігурацію ПЕОМ, підключаючи додаткові периферійні пристрої.
У системний блок може бути вбудований звуковий пристрій, за допомогою якого користувачу зручно стежити за роботою машини, вчасно звертати увагу на виниклі збої в окремих пристроях чи на виникнення незвичайної ситуації при рішенні задачі на ПЕОМ.
Зі звуковим пристроєм часто зв'язаний таймер, що дозволяє вести відлік часу роботи машини, фіксувати календарний час, указувати на закінчення заданого проміжку часу при виконанні тієї чи іншої задачі.
Контролери. Ці пристрої служать для керування зовнішніми пристроями. Кожному зовнішньому пристрою (ЗП) відповідає свій контролер. Електронні модулі-контролери реалізуються на окремих друкованих платах, що вставляються усередину системного блоку. Такі плати часто називають адаптерами ЗП (від адаптувати - пристосовувати). Після одержання команди від мікропроцесора контролер функціонує автономно, звільняючи мікропроцесор від виконання специфічних функцій, необхідних для того чи іншого конкретного ЗП.
Контролер містить регістри двох типів - регістр стану (керування) і регістр даних. Ці регістри часто називають портами введення-виведення. За кожним портом.закріплений визначений номер - адреса порту. Через порти користувач може керувати ЗП, використовуючи команди введення-виведення. Програма, що виконує за
Рисунок 1.1.- Архітектура персональноїЕОМ
звертанням з основної виконуваної програми операції введення-виведення для конкретного пристрою чи групи пристроїв ПЕОМ, входить до складу ядра операційної системи ПЕОМ.
Для прискорення обміну інформацією між мікропроцесором і зовнішніми пристроями в ПЕОМ використовується прямий доступ до пам'яті (ПДП). Контролер ПДП, одержавши сигнал запиту від зовнішнього пристрою, приймає керування обміном на себе і забезпечує обмін даними з ОП, минаючи центральний мікропроцесор. У цей час мікропроцесор продовжує без переривання виконувати поточну програму. Прямий доступ до пам'яті, з одного боку, звільняє мікропроцесор від безпосереднього обміну між пам'яттю і зовнішніми пристроями, а з іншого боку, дозволяє значно швидше в порівнянні з режимом переривань задовольняти запити на обмін.
Мікропроцесор. Ядром будь-якої ПЕОМ є центральний мікропроцесор, що виконує функції обробки інформації і керування роботою всіх блоків ПЕОМ.
Конструктивно МП, як правило, виконаний на одному кристалі (на одній СБІС). До складу МП входять:
центральний пристрій керування;
арифметико-логічний пристрій;
внутрішня реєстрова пам'ять;
Кеш-пам'ять;
схема формування дійсних адрес операндов для звертання до оперативної пам'яті;
схеми керування системною шиною й ін.
Розглянемо структуру і функціонування мікропроцесора.
АЛУ виконує логічні операції, а також арифметичні операції в двійковій системі числення і у двійково-десятковому коді, причому арифметичні операції над числами, представленими у формі з крапкою, що плаває, реалізуються в спеціальному блоці. У деяких конфігураціях з цією метою використовується арифметичний співпроцесор. Він має власні регістри даних і керування, працює паралельно з центральним МП, обробляє дані з крапкою, що плаває.
Пристрій керування мікропроцесорного типу забезпечує конвеєрну обробку даних за допомогою блоку попередньої вибірки (черги команд).
Блок попередньої вибірки команд і даних здійснює заповнення черги команд довжиною 32 байта, причому вибірка байтів з пам'яті виконується в проміжках між магістральними циклами команд.
Продуктивність мікропроцесора значно підвищується за рахунок буферизації часто використовуваних команд і даних у внутрішній Кеш-пам'яті розміром (наприклад) 8 Кбайт. При цьому скорочується число звертань до зовнішньої пам'яті. Внутрішня Кеш-пам'ять має кілька режимів роботи, що забезпечує гнучкість налагодження і виконання робочих програм.
Блоки формування адрес операндов (диспетчер пам'яті) складається з блоку сегментації і блоку сторінкової адресації. Фізична адреса комірки пам'яті формується послідовно: спочатку в межах сегмента, а потім у межах сторінки.
У МП реалізуються два режими роботи - режим реальних адрес і многозадачный режим (захищений режим).
У режимі реальних адрес виконується розширений набір команд над 32-розрядними операндами. У цьому режимі МП працює сумісно з сопрцесором. При роботі МП у режимі реальних адрес застосовується відносна адресація.
У многозадачном (захищеному) режимі роботи МП застосовується віртуальна адресація, що з'єднує сегментацію пам'яті і сторінкову адресацію.
Сегментація пам'яті є засобом керування простором логічних адрес. Сегментована пам'ять являє собою набір блоків, характеризуємих визначеними атрибутами, такими, як розташування, розмір, тип (стек, програма, дані), клас захисту пам'яті. Наприклад, якщо в МП кожній задачі доступно до 16384 сегментів розміром до 4 Гбайт кожний, то тоді кожна задача може використовувати до 64 Тбайт віртуальної пам'яті.
Сторінкова адресація діє на більш низькому рівні. Кожен сегмент поділяється на сторінки розміром по 4 Кбайт, що можуть розміщатися в будь-якому місці пам'яті.
Сегментація корисна для організації в пам'яті локальних модулів. Це інструмент прикладного програміста, у той час як сторінковий розподіл зручний системному програмісту для ефективного використання фізичної пам'яті ПЕОМ.
До складу внутрішньої пам'яті МП входять доступні програмісту функціональні регістри: регістри загального призначення, покажчик команд, регістр прапорів і регістри сегментів.
Вісім 32-розрядних регістрів загального призначення використовуються для збереження даних і адрес. Вони забезпечують роботу з даними розрядністю 1, 8, 16, 32 і 64 біта й адресами розміром 16 і 32 біта. Кожний з таких регістрів має своє ім'я, наприклад ЕАХ чи ESP.
32-розрядний покажчик команд містить зсув при визначенні адреси наступної команди.
32-розрядний регістр прапорів вказує ознаки результату виконання команди.
Регістри сегментів містять значення селекторів сегментів, що визначають поточні адресуємі сегменти пам'яті.
Крім вищевказаних, реєстрова пам'ять МП містить регістри процесора обробки чисел із крапкою, що плаває, системні і деякі інші регістри.
Пристрій керування мікропроцесора забезпечує багатозадачність. Багатозадачность - спосіб організації роботи ПЕОМ, при якому в її пам'яті одночасно містяться програми і дані для виконання декількох задач. У складі МП є апаратно-програмні засоби, що дозволяють ефективно організувати багатозадачний режим, у тому числі системи переривання і захист пам'яті.
Система переривань обробляє запити на переривання як від зовнішніх пристроїв, так і від внутрішніх блоків МП. Надходження запиту на переривання від внутрішнього блоку МП свідчить про виникнення виняткової ситуації, наприклад про переповнення розрядної сітки. Зовнішнє переривання може бути зв'язане з обслуговуванням запитів від периферійних пристроїв. Вимагаючи своєчасного обслуговування, зовнішній пристрій надсилає запит переривання мікропроцесору. Мікропроцесор у відповідь припиняє нормальне виконання поточної програми і переходить на обробку цього запиту, щоб надалі виконати визначені дії по введенню-виведенню даних. Після здійснення таких дій відбувається повернення до перерваної програми. МП здатний обробляти до 256 різних типів переривань, причому перші 32 типи відведені для внутрісистемних цілей і недоступні користувачу.
Захист пам'яті від несанкціонованого доступу в багатозадачному режимі здійснюється за допомогою системи привілеїв, що регулюють доступ до того чи іншого сегмента пам'яті в залежності від рівня його захищеності і ступеня важливості.
Захищеність визначається рівнем привілею, необхідним для доступу до відповідного сегменту. Рівні привілею задаються номерами від 0 до 3. Найбільш захищена область пам'яті - відведена під ядро операційної системи -має рівень 0. При звертанні програми до сегментів чи програм даних у захищеному режимі відбувається перевірка рівня привілею, і у випадку, якщо цей рівень недостатній, відбувається переривання.
Обмін інформацією між блоками МП відбувається через магістраль мікропроцесора, що включає 32-розрядну шину адреси, 32-розрядну двунаправленную шину даних і шину керування.
Шина адреси використовується для передачі адрес комірок пам'яті і регістрів для обміну інформацією з зовнішніми пристроями.
Шина даних забезпечує передачу інформації між МП, пам'яттю і периферійними пристроями. По цій шині можливе пересилання 32, 16 і 8-розрядних даних. Шина двунаправлена, тобто дозволяє здійснювати пересилання даних як у прямому, так і в зворотному напрямку.
Шина керування призначена для передачі керуючих сигналів - керування пам'яттю, керування обміном даних, запитів на переривання і т.ін.
Внутрішня пам'ять ПЕОМ складається з оперативної пам'яті і постійної пам'яті (ПП).
Оперативна пам'ять (ОП) ПЕОМ. Вона, побудована на БІС чи СБІС і є енергозалежною: при відключенні споживання інформація в ОП губиться. В оперативній пам'яті зберігаються машинні програми, що виконуються, вихідні і проміжні дані і результати. Ємність ОП у ПЕОМ виміряється в Кілобайтах і Мегабайтах. Іноді адресний простір збільшується до Гігабайта. У найбільш розповсюджених конфігураціях ПЕОМ ємність ОП складає 128-256 Мбайт.
В ОП звичайно виділяється область, що називається стеком. Звертання до стековой пам'яті можливе тільки в тім осередку, що адресується покажчиком стека. Стік зручний при організації переривань і звертанні до підпрограм.
Постійна пам'ять (ПП). Вона є енергонезалежною, використовується для збереження системних програм, зокрема, так називаємої базової системи введення-виведення (BIOS - Basic Input and Output System), допоміжних програм і т.ін. Програми, що зберігаються в ПП, призначені для постійного використання мікропроцесором.