Обобщенная структурная схема компьютера

Структурная схема классического системного блока ПК типа IBM PC изображена на рисунке 10.1. Системный блок состоит из основной панели и расширяемой системной шины. Ядром IBM PC является микропроцессор фирмы Intel 80ххх, 8088 или 8086; затем 80х86, Pentium и т.д. Совместно с каждым процессором может быть включен сопроцессор соответствующего типа 8087, 80287... 80487. Наличие его не является обязательным. Для этого на основной (материнской – Mother Board) плате в ПК до 386 модели в непосредственной близости от ЦП, была установлена панелька (сокет), куда мог быть вставлен сопроцессор. В последующих моделях сопроцессор интегрирован в БИС основного процессора. Особенностью такого системного блока явилось то, что практически каждый функциональный узел компьютера выполнялся в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС). В последующих модификациях системного блока большинство из функциональных модулей были интегрированы в несколько сверхбольших БИС.

Тактовый генератор определяет рабочую частоту ПК. Стандартный компьютер ХТ работал на частоте 4.77 МГц, АТ 486 до 66 МГц, ПК на основе Pentium-процессора работают с частотой свыше 3 ГГц.

BIOS (ПЗУ) – содержит базовую программу ввода/вывода. Она служит для выполнения следующих функций:

1) Автоматическое тестирование аппаратных компонентов при включении; Вызов блока начальной загрузки ДОС, т.е. сначала BIOS загружает с системного диска в память специальный блок начальной загрузки, а затем передает ему управление, а тот в свою очередь осуществляет загрузку других модулей ДОС;

2) Обслуживание системных вызовов или прерываний.

Рисунок 10.1 – Структурная схема персонального компьютера

Контроллер прерываний. В качестве контроллера использовались БИС 8259 (580ВН59). В ХТ – 1 шт, в АТ – 2. В ХТ имелось 8 линий запроса на прерывание IRQ0 – IRQ7 и 8 дополнительных в РС – АТ и последующих моделях IRQ8 – IRQ15.

Таймер 8253(54) (Отечественный аналог 1810ВИ54). Один из каналов таймера зарезервирован для задания импульсной последовательности для контроллера ПДП для регенерации динамической памяти. Второй канал осуществляет прерывание с частотой 18,2 Гц для программно организованных часов. Третий канал генерирует сигнал для управления (динамическим громкоговорителем – спикером).

В первых моделях ПК для задания различных режимов использовались мини – переключатели типа DIP (). В связи с большим многообразием конфигурации в АТ комплексе ручная конфигурация больше не используется. Для задания параметров конфигурации и их хранения применяется CMOS – RAM. Для сохранения информации в ОЗУ используется питание от аккумулятора, питающего также системные часы. Из этой ИС загружается SETUP – информация.

Контроллер ПДП 8237 (1810ВТ37). В модели ХТ – 1 шт, в АТ – 2 шт. Основное задание – регенерация динамической памяти и обмен данными между устройствами ввода/вывода и ОЗУ (НГМД или НЖМД - Винчестер).

ОЗУ. Используется ОЗУ динамического типа, сгруппированные в несколько банков. 8 – разрядная организация + дополнительный контрольный бит.

Контроллер клавиатуры. Для ХТ использовался параллельный порт 8255, а для АТ микроконтроллер 8042. С помощью контроллера 8042 можно не только считывать данные, но и передавать приказы клавиатуре. Клавиатуры ХТ и АТ различаются. Основное различие состоит в форматах передачи данных. Некоторые клавиатуры позволяют с помощью переключателя менять формат с целью использования их в обоих типах ПК.

Источник питания обеспечивает подачу напряжений +3,3; +5; +12; -5 и –12 V на ПК. Напряжение +12 V используется преимущественно приводными двигателями дисководов и вентиляторов, -5 и –12 применяются для дополнительного напряжения специальных микросхем. Стандартный источник питания ХТ выпускался мощностью 150 Вт, блоки питания АТ имеют мощность 200 – 350 Вт, в последующих моделях мощность была увеличена до 500 Вт и выше. Типовые значения допустимых токов следующие: +12V (5,5A; 7,6A; 8,5A), +5V (15A; 20A; 22A), –5V, -12V (по 0,5А).

На системной плате компьютера имеется группа разъемов, позволяющая подключать к системной шине дополнительным сменные блоки, которые необходимы для управления работой различных устройств ЭВМ. Эти блоки носят название контроллер или адаптер. Следует заметить, что во многих современных ПК большинство контроллеров выполнены в виде одной или нескольких БИС, которые расположены на системной плате компьютера.

В состав первых ПК входил контроллер гибких магнитных дисков (ГМД) - контроллер дисководов. Он мог управлять двумя дисководами. Для управления жестким диском (ЖМД) применяется АТ-системный контроллер, состоящий из контроллера системной шины с дополнительной логикой.

Жесткие диски (ЖД) различаются размерами диска и емкостью. Диаметр диска указывается в дюймах (1 дм = 2,54 см). В старых типах ЖД имели диаметр 5.25”, в современных - 3.5”. Конструктивно во многих компьютерах контроллеры магнитных дисков располагались на одной плате расширения. В настоящее время они интегрированы в специальную БИС (Южный мост).

Разъемы (шины) расширения. Стандартный ПК обладал до 8-ми разъемами (слотами) расширения. Сюда могли вставляться различные цифровые и измерительные карты. В персональных компьютерах IBM XT с процессором 8086 или 8088 использовалась 8-битовая шина расширения.

Компьютеры IBM AT имели 16–битовую шину расширения, которая допускает вставлять в слоты 8–битовые платы. Эта шина расширения получила название ISA (Industry Standard Architecture). 16-битовые карты, выполняющие аналогичные функции с 8-битовыми, являются существенно более быстродействующими. Кроме 16 – разрядной ШД в ISA использовалась 24-разрядная ША, что позволяла адресовать 16 Мб памяти. =8 МГц. Шина ISA являлась тормозящим фактором на пути передачи сигналов между ЦП и другими устройствами (видеоадаптером, ввода/вывода).

В качестве альтернативы была разработана шина расширенной промышленной стандартной архитектуры EISA (Extended ISA). Это 32-разрядная шина с нисходящей совместимостью с существующими платами расширения, т.е. с ней можно использовать 8- и 16-битовую плату ISA. Контакты на EISA – разъеме располагались один под другим. Они подключаются к более глубокому соединителю, чем ISA-платы.

Шина MCA (Micro Channel Architecture) – микроканальная архитектура. Была разработана для IBM PS/2. Шина в электротехническом плане отличалась от выше рассмотренных. Одним из существенных различий между ISA и МСА является отличие в требованиях к конфигурации. В шине МСА каждый разъем пронумерован, а каждая плата имела уникальный идентификационный номер. Конфигурация плат расширения осуществлялась с помощью ПО, размещенного на установочной дискете, поставляемой с ПК PS/2. Программа диагносцировала каждый разъем и тип установленной на нем адаптерной платы. При необходимости она конфигурировала адаптер. Информация о том, какой адаптер и в каком разъеме находится, сохранялась в CMOS RAM.

PCI (Peripheral Component Interconnect) – 32-разрядная шина, функционирующая с стандартной частотой 33 МГц и пропускной способностью 132 Мбайт/с. Разработана для компьютеров с процессором Pentium. Шина обычно содержит 2 или 4 слота расширения, соединенных с мостом системных шин. Шина поддерживает ведущие устройства, которые могут генерировать свои собственные циклы работы с шиной (IDE – контроллеры, MPEG – кодеры, сетевые контроллеры). Производительность PCI интерфейса может быть значительно повышена за счет использования пакетных циклов обмена по шине.

Шина PCI Express, или PCIe, использующая программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол, основанный на последовательной передаче данных. В отличие от PCI, использующей для передачи данных общую шину, PCI Express является пакетной сетью с топологией типа звезда. Устройства PCI Express взаимодействуют между собой через коммутатор, при этом каждое устройство напрямую связано соединением типа точка-точка с коммутатором.

Кроме того, шиной PCI Express поддерживается горячая замена карт расширения, осуществляется контроль целостности передаваемых данных, управление энергопотреблением, гарантируется полоса пропускания (QoS);

Шина PCI Express предназначена на использование только в качестве локальной шины. Так как программная модель PCI Express во многом унаследована от PCI. Высокая пиковая производительность шины PCI Express позволяет использовать её вместо шин AGP и тем более PCI и PCI-X. Де-факто PCI Express заменила эти шины в персональных компьютерах. Связь между двумя устройствами PCI Express осуществляется по одной (x1) или нескольким (x2, x4, x8, x12, x16 и x32) двунаправленным последовательным линиям. Каждое устройство должно поддерживать соединение по крайней мере по одной линии (x1). Плата PCI Express помещается и корректно работает в любом слоте той же или большей пропускной способности (например, карта x1 будет работать в слотах x4 и x16);

Разработаны более производительные версии этой шины, в частности PCI Express 2.0 и PCI Express 3.0 со скоростью передачи 5 и 10 Мбит/ с соответственно. Кроме повышенной пропускной способности в шине предусмотрено динамическое управление скоростью передачи, оповещение о пропускной способности и ряд других функций.