через какие устройства взаимодействуют устройства внешней памяти и ввода вывода с процессором
Урок 7
Устройство персонального компьютера и его основные характеристики. Знакомство с комплектацией устройств ПК, подключение внешних устройств
§7. Как устроен персональный компьютер
§8. Основные характеристики персонального компьютера
Как устроен персональный компьютер
Основные темы параграфа:
— что такое ПК;
— основные устройства ПК;
— магистральный принцип взаимодействия устройств ПК.
Изучаемые вопросы:
— Персональный компьютер – компьютер для личного пользования.
— Основные устройства персонального компьютера.
— Минимальный комплект устройств.
— Магистральный принцип взаимодействия устройств персонального компьютера.
— Характеристики микропроцессора: тактовая частота, разрядность.
— Объём – основная характеристика оперативной памяти.
— Характеристики устройств внешней памяти.
Что такое ПК
В § 5 мы познакомились с основными устройствами компьютера — электронно-вычислительной машины (ЭВМ). Современные ЭВМ бывают самыми разными: от больших, занимающих целый зал, до маленьких, помещающихся на столе, в портфеле и даже в кармане. Разные ЭВМ используются для разных целей. Сегодня самым массовым видом ЭВМ являются персональные компьютеры. Персональные компьютеры (ПК) предназначены для личного (персонального) использования. Существуют различные типы ПК: стационарные (настольные) и мобильные (ноутбуки, планшетные ПК, карманные ПК).
Несмотря на разнообразие моделей ПК, в их устройстве существует много общего. Об этих общих свойствах и пойдет сейчас речь.
Основные устройства ПК
Основной «деталью» персонального компьютера является микропроцессор (МП). Это миниатюрная электронная схема, созданная путем очень сложной технологии, выполняющая функцию процессора компьютера.
Персональный компьютер представляет собой набор взаимосвязанных устройств. В стационарном ПК центральным устройством является системный блок. В системном блоке находится «мозг» машины: микропроцессор и внутренняя память. Там же помещаются: блок электропитания, дисководы, контроллеры внешних устройств. Системный блок снабжен вентиляторами для охлаждения нагревающихся при работе элементов.
С наружной стороны системного блока имеются сетевой выключатель, кнопка перезагрузки компьютера, разъемы (которые называют портами) для подключения внешних устройств, выдвижной лоток для установки оптического диска.
К системному блоку подключены клавиатура (клавишное устройство), монитор (другое название — дисплей) и мышь (манипулятор). Иногда используются другие типы манипуляторов: джойстик, трекбол и пр. Дополнительно к ПК могут быть подключены: принтер (устройство печати), модем (для выхода в компьютерную сеть) и другие устройства (рис. 2.7).
На рисунке 2.7 показана стационарная модель ПК, на рис. 2.8 — ноутбук.
В ноутбуке все необходимые компоненты объединены в одном корпусе, который складывается как книжка (отсюда название компьютера).
Все устройства внешней памяти, а также устройства ввода/вывода взаимодействуют с процессором ПК через специальные блоки, которые называются контроллерами (от английского controller — контролер, управляющий). Существуют контроллер дисковода, контроллер монитора, контроллер принтера и т. п.
Сравнительно недавно в составе ПК появился универсальный контроллер, позволяющий подключать через универсальный разъем (USB) различные виды устройств: принтер, монитор, клавиатуру, мышь и др.
Магистральный принцип взаимодействия устройств ПК
Принцип, по которому организована информационная связь между устройствами компьютера, называется магистральным принципом взаимодействия. Процессор через многопроводную линию, которая называется магистралью (другое название — шина), связывается с другими устройствами (рис. 2.9).
Каждое подключаемое к ПК устройство получает свой номер, который выполняет роль адреса этого устройства. Информация, передаваемая от процессора к устройству, сопровождается его адресом и подается на контроллер. Далее работой устройства управляет контроллер.
Характерная организация магистрали такая: по одной группе проводов (шина данных) передается обрабатываемая информация, по другой (шина адреса) — адреса памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор. Есть еще третья часть магистрали — шина управления; по ней передаются управляющие сигналы (например, проверка готовности устройства к работе, сигнал к началу работы устройства и др.).
Коротко о главном
В состав системного блока входят: микропроцессор, внутренняя память, дисководы, блок питания, контроллеры внешних устройств.
Внешние устройства (устройства ввода/вывода, устройства внешней памяти) взаимодействуют с процессором ПК через контроллеры.
Все устройства ПК связаны между собой по многопроводной линии, которая называется информационной магистралью, или шиной.
Каждое внешнее устройство имеет свой адрес (номер). Передаваемая к нему по шине данных информация сопровождается адресом устройства, который передается по адресной шине.
Вопросы и задания
1. Назовите минимальный комплект устройств, составляющих персональный компьютер, и сделайте фотографии этих устройств.
2. Какие устройства входят в состав системного блока?
3. Что такое контроллер? Какую функцию он выполняет?
4. Как физически соединены между собой различные устройства ПК?
5. Как информация, передаваемая по шине, попадает на нужное устройство?
Основные характеристики персонального компьютера
Основные темы параграфа:
— характеристики микропроцессора;
— объем внутренней (оперативной) памяти;
— характеристики устройств внешней памяти;
— устройства ввода/вывода.
Изучаемые вопросы:
— Персональный компьютер – компьютер для личного пользования.
— Основные устройства персонального компьютера.
— Минимальный комплект устройств.
— Магистральный принцип взаимодействия устройств персонального компьютера.
— Характеристики микропроцессора: тактовая частота, разрядность.
— Объём – основная характеристика оперативной памяти.
— Характеристики устройств внешней памяти.
Все чаще персональные компьютеры используются не только на производстве и в учебных заведениях, но и в домашних условиях. Их можно купить в магазине так же, как покупают бытовую технику. При покупке любого товара желательно знать его основные характеристики, для того чтобы приобрести именно то, что вам нужно. Такие основные характеристики есть и у ПК.
Характеристики микропроцессора
Существуют различные модели микропроцессоров, выпускаемые разными фирмами. Основными характеристиками МП являются тактовая частота и разрядность процессора.
Режим работы микропроцессора и других связанных с ним устройств задается микросхемой, которая называется генератором тактовой частоты. Это своеобразный метроном внутри компьютера. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Ясно, что если метроном «стучит» быстрее, то и процессор работает быстрее. Тактовая частота измеряется в мегагерцах — МГц. Частота в 1 МГц соответствует миллиону тактов в одну секунду. Вот некоторые характерные тактовые частоты микропроцессоров: 600, 800, 1000 МГц. Последняя величина называется гигагерцем — ГГц. Современные модели микропроцессоров работают с тактовыми частотами в несколько гигагерц.
Следующая характеристика — разрядность процессора. Разрядностью называют максимальную длину двоичного кода, который может обрабатываться или передаваться процессором целиком. Разрядность процессоров на первых моделях ПК была равна 8 битам. Затем появились 16-разрядные процессоры. На современных ПК чаще всего используются 32-разрядные процессоры. Наибольшая разрядность у современных микропроцессоров, используемых в ПК, — 64 бита.
Объем внутренней (оперативной) памяти
Про память компьютера мы уже говорили. Она делится на оперативную (внутреннюю) и долговременную (внешнюю) память. Производительность машины очень сильно зависит от объема внутренней памяти. Если для работы каких-то программ не хватает внутренней памяти, то компьютер начинает переносить часть данных во внешнюю память, что резко снижает его производительность. Скорость чтения/записи данных в оперативную память на несколько порядков выше, чем во внешнюю.
Объем оперативной памяти влияет на производительность компьютера. Для эффективной работы современных программ требуется оперативная память объемом в сотни и тысячи мегабайтов (гигабайты).
Назначение кэш-памяти
Для сокращения времени выполнения программы в состав ПК входит специальный вид внутренней памяти, который называется кэш-памятью. Это небольшой по объему, но имеющий самое короткое время чтения/записи раздел памяти компьютера. В кэш-памяти дублируются данные и команды из оперативной памяти, к которым процессор наиболее часто обращается при выполнении программы. Поэтому первоначально процессор ищет требуемую информацию в кэш-памяти, и только если ее там не обнаруживает, обращается к более медленной оперативной памяти.
Характеристики устройств внешней памяти
Устройства внешней памяти — это магнитные и лазерные дисководы, флэш-память. Встроенные в системный блок магнитные диски называются жесткими дисками, или винчестерами. Это очень важная часть компьютера, поскольку именно здесь хранятся все необходимые для работы компьютера программы. Чтение/запись на жесткий диск производится быстрее, чем на все другие виды внешних носителей, но все-таки медленнее, чем в оперативную память. Чем больше объем жесткого диска, тем лучше. На современных ПК устанавливают жесткие диски, объем которых измеряется в гигабайтах: десятки и сотни гигабайтов. Покупая компьютер, вы приобретаете и необходимый набор программ на жестком диске. Обычно покупатель сам заказывает состав программного обеспечения компьютера.
Все остальные носители внешней памяти — сменные, т. е. их можно вставлять в дисковод и доставать из дисковода. К ним относятся оптические диски типа CD (компакт-диски) и DVD. Об их свойствах рассказывалось в § 6. Диски удобны для длительного хранения программ и данных, а также для переноса информации с одного компьютера на другой.
В обязательный комплект современного ПК входят оптические дисководы для работы с CD и DVD. На этих носителях распространяется программное обеспечение. Вместимость CD-ROM исчисляется сотнями мегабайтов (стандартный объем — 700 Мб). Информационная емкость DVD исчисляется гигабайтами (4,7; 8,5; 17 Гб). Часто на DVD записываются видеофильмы. На одном диске можно уместить двухчасовой видеофильм с несколькими звуковыми дорожками на разных языках.
Пишущие оптические дисководы позволяют производить запись и перезапись информации на CD-RW и DVD-RW.
В последнее время основным средством переноса информации с одного компьютера на другой стала флеш-память. Флеш-память — это электронное устройство внешней памяти, используемое для чтения и записи информации в файловом формате. Флеш-память, как и диски, — энергонезависимое устройство. Емкость носителя составляет от сотен мегабайтов до нескольких гигабайтов. А скорость чтения и записи данных на флеш-носитель приближается к скорости чтения и записи на жесткий диск.
Устройства ввода/вывода
Все остальные типы устройств относятся к числу устройств ввода/вывода. Обязательными из них являются клавиатура, монитор и манипулятор (мышь; на мобильных ПК: трекбол, тачпад, джойстик и др.). Дополнительные устройства: принтер, модем, сканер, звуковая система и некоторые другие. Выбор этих устройств зависит от потребностей и финансовых возможностей покупателя. Всегда можно найти источники справочной информации о моделях таких устройств и их эксплуатационных свойствах.
Коротко о главном
Основные характеристики микропроцессора: тактовая частота и разрядность. Чем больше тактовая частота, тем выше скорость работы процессора. Увеличение разрядности ведет к увеличению объема данных, обрабатываемых компьютером за единицу времени.
Объем оперативной памяти влияет на производительность компьютера. Для эффективной работы современных программ требуется оперативная память объемом в сотни и тысячи мегабайтов (гигабайты).
Жесткий магнитный диск — обязательное устройство внешней памяти в составе компьютера.
Сменными носителями являются оптические диски, флеш-память.
Необходимый набор устройств ввода/вывода: клавиатура, манипулятор, монитор.
Дополнительные устройства ввода/вывода: принтер, сканер, модем, акустическая система и др.
Вопросы и задания
1. От каких характеристик компьютера зависит его производительность?
2. Информационный объем какого порядка имеют винчестеры, CD-ROM, DVD-ROM?
3. Какие устройства памяти являются встроенными, какие — сменными?
4. Какие устройства ввода/вывода являются обязательными для ПК, какие — дополнительными?
Электронное приложение к уроку
| Вернуться к материалам урока | ||
 |  |  |
| Презентации, плакаты, текстовые файлы |  | Ресурсы ЕК ЦОР |
| Видео к уроку |
Cкачать материалы урока
Взаимодействие с внешним устройством
Взаимодействие с периферийным устройством подразумевает передачу информации в устройство, прием информации из устройства, настройка устройства или считывание состояния устройства. Для организации такого взаимодействия каждое устройство оснащено своими регистрами входных данных, выходных данных, состояния устройства и управления устройством.
К каждому регистру периферийного устройства процессор должен уметь обратиться. Простое периферийное устройство имеет в своем составе один или несколько таких регистров, содержимое которых можно прочитать или записать командами программы, исполняемой процессором. Сложные периферийные устройства могут содержать несколько десятков регистров.
В некоторых процессорах доступ к регистрам периферийных устройств осуществляется как ячейкам памяти: каждому регистру присвоен адрес в адресном пространстве памяти. Таким образом, для обращения к регистрам устройства используются те же команды, что и для доступа к ячейкам памяти. Для доступа к регистрам устройства, устройству выделяется фиксированный диапазон адресов.
В других процессорах регистры устройства имеют систему адресации не связанную с адресацией ячеек памяти: в этом случае для обращения к регистрам устройства в системе команд процессора имеются специальные команды ввода/ вывода. Доступные регистры периферийных устройств называют портами ввода-вывода.
Способы взаимодействия устройств
Обмен информацией вычислительной системе происходит по следующей схеме:
Можно выделить следующие способы взаимодействия устройств.
Ввод-вывод по прерываниям
Прямой доступ к памяти
Каждый способ придерживается указанной схемы обмена информацией; у каждого есть свои преимущества и недостатки. Рассмотрим подробнее каждый из них.
Программно-управляемый ввод-вывод
Хронологически это первый способ взаимодействия процессора с внешними устройствами, подключенными к общей шине.
Суть данного способа заключается в том, что процессор регулярно производится опрос присоединенных устройств, считывая регистр состояния устройства, чтобы понять, требуется ли устройству обмен.
Если текущему устройству обмен не требуется, процессор опрашивает следующее устройство. При неготовности внешних устройств к обмену, процессор продолжает выполнение своей задачи.
При готовности устройства к обмену (которое определяется битом в регистре состояния устройства) процессор, приостановив текущую задачу, переходит к выполнению программы ввод/вывода информации с данным устройством.
Сами внешние устройства в данном способе, просигнализировав о своем состоянии, в дальнейшем играют пассивную роль, принимая или отдавая данные процессору.
В современных системах данный способ не применяется.
Ввод-вывод по прерываниям
Ввод/вывод по прерываниям пришел на смену программно-управляемому вводу/выводу, который нерационально тратил время на опрос устройств, которые не готовы к обмену. Ввод/вывод по прерываниям предполагает, что процессор приостанавливает выполнение своей основной задачи только в том случае, если возникает запрос от самого внешнего устройства на обмен данными.
Алгоритм ввода/вывода по прерыванию заключается в следующем:
Возможна ситуация, когда несколько устройств одновременно заявляют о намерении обмена с процессором (то есть инициируют прерывания). Для регулирования таких ситуаций прерываниям присваивается определённый приоритет; при одновременной подаче сигнала прерывания процессор будет обслуживать прерывание с более высоким уровнем приоритета. Одновременно обрабатывается одно прерывание.
Для регулирования вопросов арбитража прерываний в архитектуру вычислительной системы введен контроллер прерываний.
Контроллер прерываний имеет функцию маскирования прерываний: процессор может запретить реагировать на прерывания тех или иных устройств через настройки регистра маски. Каждый разряд регистра маски разрешает или запрещает прерывание от соответствующего разряду устройства.
В случае, если обратились несколько устройств, и всем им разрешены прерывания, система арбитража определяет, какой запрос процессор должен обслуживать первым.
Таким образом, контроллер принимает запросы на прерывания от всех присоединенных устройств, но дает запрос процессору на обслуживание единственного прерывания. Процессор, по мере завершения очередной выполняемой команды отвечает разрешением на обслуживание данного прерывания, и обслуживает его.
Ранее функции контроллера прерываний выполняли специализированные микросхемы на материнской плате; в настоящее время контроллер прерывания вынесен на Южный мост.
Для определения адреса программы, обрабатывающей прерывание, используется таблица векторов прерываний (Interrupt Descriptor Table, IDT). В таблице представлены номера некоторых (таблица приводится не полностью) прерываний.
