АРХИТЕКТУРА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

АРХИТЕКТУРА
ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

ИНФОРМАЦИОННО-ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ

ГЛАВА4.2. ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

МИКРОПРОЦЕССОРЫ

ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ПК

4.5. ОСНОВНЫЕ ВНЕШНИЕ УСТРОЙСТВА ПК

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ В ЭВМ

Информация в ЭВМ кодируется, как правило, в двоичной или в двоично-десятичной системе счисления. Система счисления— это способ наименования и изображения чисел с помощью… В зависимости от способа изображения чисел системы счисления делятся на позиционные и непозиционные.

Варианты представления информации в ПК

Вся информация (данные) представлена в виде двоичных кодов. Для удобства работы введены следующие термины, обозначающие совокупности двоичных разрядов (табл. 4.2). Эти термины обычно используются в качестве единиц измерения объемов информации, хранимой или обрабатываемой в ЭВМ.

Таблица 4.2. Двоичные совокупности

Количество двоичных разрядов в группе				8*1024	8*1024²	8*1024³	8*1024⁴
Наименование единицы измекрения	Бит	Байт	Параграф	Килобайт (Кбайт)	Мегабайт (Мбайт)	Гигабайт (Гбайт)	Терабайт (Тбайт)

Последовательность нескольких битов или байтов часто называют полем данных.
Биты в числе (в слове, в поле и т.п.) нумеруются справа налево, начиная с 0-го разряда.

В ПК могут обрабатываться поля постоянной и переменной длины.

Поля постоянной длины:

слово — 2 байта двойное слово — 4 байта

полуслово — 1 байт расширенное слово — 8 байт

слово длиной 10 байт — 10 байт

Числа с фиксированной запятой чаще всего имеют формат слова и полуслова, числа с
плавающей запятой — формат двойного и расширенного слова.

Поля переменной длины могут иметь любой размер от 0 до 256 байт, но обязательно равный целому числу байтов.

Пример 4.9.Структурно запись числа -193(10) ⁼ -11000001(2) в разрядной сетке ПК

выглядит следующим образом.

Число с фиксированной запятой формата слово со знаком:

Знак числа

Абсолютная величина числа

N разряда

Число

Число с плавающей запятой формата двойное слово:

Знак числа

Порядок

Мантисса

N разряда

Число

Двоично-кодированные десятичные числа могут быть представлены в ПК полями
переменной длины в так называемых упакованном и распакованном форматах.

В упакованном формате для каждой десятичной цифры отводится по 4 двоичных разряда (полбайта), при этом знак числа кодируется в крайнем правом полубайте числа (1100 — знак "+" и 1101 — знак"-").

Структура поля упакованного формата:

Здесь и далее: Цф — цифра, Знак — знак

Упакованный формат используется обычно в ПК при выполнении операций сложения
и вычитания двоично-десятичных чисел.

В распакованном формате для каждой десятичной цифры отводится по целому байту, при этом старшие полубайты (зона) каждого байта (кроме самого младшего) в ПК заполняются кодом 0011 (в соответствии с ASCII-кодом), а в младших (левых) полубайтах обычным образом кодируются десятичные цифры. Старший полубайт (зона) самого младшего (правого) байта используется для кодирования знака числа.

Структура поля распакованного формата:

Распакованный формат используется в распакованный формат используется в ПК при вводе-выводе информации в ПК, а также при выполнении операций умножения и деления двоично-десятичных чисел.

Коды ASCII

Код ASCII (American Standard Code for Information Interchange — Американский стандартный код для обмена информацией) имеет основной стандарт и его… (табл. 4.3), Основной стандарт для кодирования символов использует… Таблица 4.3. Таблица кодов ASCII

ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ПК

Основы алгебры логики

Алгебра логики— это раздел математической логики, значения всех элементов (функций и аргументов) которой определены в двухэлементном множестве: 0 и… Высказывание— это любое предложение, в отношении которого имеет смысл… Пример 4.11.Высказывания: "Сейчас идет снег" — это утверждение может быть истинным или ложным;…

Логический синтез вычислительных схем

а Ь f(a,b) = S f2(a,b) = P … где f(a,b) = S — значение цифры суммы в данном разряде; fi(a,b) =?Р — цифра… Согласно соотношению (2), можно записать:

ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭВМ

Решение задач на ЭВМ реализуется программным способом, т. е. путем выполнения последовательно во времени отдельных операций над информацией,… Алгоритм— это точно определенная последовательность действий, которые… Алгоритм решения задачи, заданный в виде последовательности команд на языке вычислительной машины (в кодах машины),…

Состав машинных команд

• операции пересылки информации внутри ЭВМ; • арифметические операции над информацией; т логические операции над… • операции обращения к внешним устройствам ЭВМ;

ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

• Основные блоки ПК и их назначение

• Внутримашинный системный интерфейс

• Функциональные характеристики ПК

ОСНОВНЫЕ БЛОКИ ПК И ИХ НАЗНАЧЕНИЕ Понятие архитектуры и структуры

Основные функции определяют назначение ЭВМ: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами. Дополнительные функции повышают… Структура компьютера — это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и… Персональный компьютер —это настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и…

Структура персонального компьютера

Примечание, Здесь и далее организация ПК рассматривается применительно к самым распространенным в настоящее время ЮМ PC-подобным компьютерам (см.… Рис. 4.2. Структурная схема персонального компьютера

Элементы конструкции ПК

Системный блок обычно включает в себя системную плату, блок питания, накопители на дисках, разъемы для дополнительных устройств и платы расширения с… На системной плате (часто ее называют материнской платой — Mother Board), как… • микропроцессор;

ВНУТРИМАШИННЫЙ СИСТЕМНЫЙ ИНТЕРФЕЙС

Характеристика виутримашинного системного интерфейса

Существуют два варианта организации внутримашинного интерфейса. 1. Многосвязный интерфейс: каждый блок ПК связан с прочими блоками своими… 2. Односвязный интерфейс: все блоки ПК связаны друг с другом через общую или системную шину.

Шины расширений

Шина PC/XT bus — 8-разрядная шина данных и 20-разрядная шина адреса, рассчитанная на тактовую частоту 4,77 МГц; имеет 4 линии для аппаратных… Шина PC/AT bus — 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая… Шин a ISA (Industry Standard Architecture — архитектура промышленного стандарта) — 16-разрядная шина данных и…

Локальные шины

• стремительным ростом быстродействия микропроцессоров (например, МП Pentium может выдавать данные со скоростью 528 Мбайт/с по 64-разрядной шине… • появлением программ, требующих выполнения большого количества интерфейсных… В этих условиях пропускной способности шин расширения, обслуживающих одновременно несколько устройств, оказалось…

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПК

1. Быстродействие, производительность, тактовая частота, Единицами измерения быстродействия служат: • МИПС (MIPS — Mega Instruction Per Second) — миллион операций над числами с… • МФЛОПС (MFLOPS — Mega FLoating Operations Per Second) — миллион операций над числами с плавающей запятой…

МИКРОПРОЦЕССОРЫ

• Типы микропроцессоров

• Структура микропроцессора

• Последовательность работы блоков ПК

ТИПЫ МИКРОПРОЦЕССОРОВ Общая характеристика

Для МП на БИС или СБИС характерны: • простота производства (по единой технологии); • низкая стоимость (при массовом производстве);

Микропроцессоры типа CISC

Таблица 4.5. Характеристики наиболее распространенных CISC МП Модель МП Разряди данных ость, бит адреса Тактовая … Примечания: . У микропроцессоров МП 80386, 80486 есть модификации с буквами… 2. Число элементов — это количество элементарных полупроводниковых элементов, размещенное в интегральной схеме МП.

Микропроцессоры типа RISC

Некоторые микропроцессоры типа RISC: один из первых МП — ARM (на его основе выпускались ПК IBM PC RT) — 32-разрядный МП, имеющий 118 различных… Микропроцессоры типа RISC имеют очень высокое быстродействие, но программно не… Все новые МП создаются на основе технологий, обеспечивающих формирование элементов с линейным размером порядка 0,5 мкм…

СТРУКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРА

Устройство управления

Упрощенная функциональная схема УУ показана на рис. 4.5. Здесь представлены: Регистр команд — запоминающий регистр, в котором хранится код команды: код выполняемой операции и адреса операндов, участвующих в операции. Регистр команд

Арифметико-логическое устройство

Функционально АЛУ (рис. 4.6) состоит обычно из двух регистров, сумматора и схем управления (местного устройства управления), Рис. 4.6.Функциональная схема АЛУ

Микропроцессорная память

Она предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно в ближайшие такты работы машины участвующей в… Микропроцессорная память состоит из быстродействующих регистров с разрядностью… Регистры микропроцессора делятся на регистры общего назначения и специальные.

Интерфейсная часть микропроцессора

Интерфейсная часть МП предназначена для связи и согласования МП с системной шиной
ПК, а также для приема, предварительного анализа команд выполняемой программы и формирования полных адресов операндов и команд.

Интерфейсная часть включает в свой состав адресные регистры МПП, узел формирования адреса, блок регистров команд, являющийся буфером команд в МП, внутреннюю интерфейсную шину МП и схемы управления шиной и портами ввода-вывода.

Пор ты ввода-вывода — это пункты системного интерфейса ПК, через которые МП обменивается информацией с другими устройствами. Всего портов у МП может
быть 65536. Каждый порт имеет адрес — номер порта, соответствующий адресу ячейки памяти, являющейся частью устройства ввода-вывода, использующего этот порт, а не частью основной памяти компьютера.

Порт устройства содержит аппаратуру сопряжения и два регистра памяти — для обмена данными и обмена управляющей информацией. Некоторые внешние устройства используют и основную память для хранения больших объемов информации, подлежащей обмену.
Многие стандартные устройства (НЖМД, НГМД, клавиатура, принтер, сопроцессор и др.)
имеют постоянно закрепленные за ними порты ввода-вывода.

Схема управления шиной и портами выполняет следующие функции;

• формирование адреса порта и управляющей информации для него (переключение
порта на прием или передачу и др.);

• прием управляющей информации от порта, информации о готовности порта и его состоянии;

• организацию сквозного канала в системном интерфейсе для передачи данных между
портом устройства ввода-вывода и МП.

Схема управления шиной и портами использует для связи с портами кодовые шины
инструкций, адреса и данных системной шины: при доступе к порту МП посылает сигнал
по КШИ, который оповещает все устройства ввода-вывода, что адрес на КША является адресом порта, а затем посылает и сам адрес порта. То устройство, адрес порта которого совпадает, дает ответ о готовности, после чего по КШД осуществляется обмен данными.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ РАБОТЫ БЛОКОВ ПК

После этого автоматически начинается выполнение команд программы друг за другом. Каждая команда требует для своего исполнения нескольких тактов… Пример4.15.При выполнении ранее рассмотренной машинной команды будут выполнены следующие действия:

ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ПК

• Регистровая КЭШ-память

• Основная память

• Внешняя память

• Сравнительные характеристики
запоминающих устройств

РЕГИСТРОВАЯ КЭШ-ПАМЯТЬ

pa 40 МГц и более. Регистры КЭШ-памяти недоступны для пользователя, отсюда и название КЭШ (Cache), в переводе с английского означает… В КЭШ-памяти хранятся данные, которые МП получили будет использовать в… По принципу записи результатов различают два типа КЭШ-памяти:

Логическая структура основной памяти

Адресное пространство определяет максимально возможное количество непосредственно адресуемых ячеек основной памяти. Адресное пространство зависит от разрядности адресных шин, ибо максимальное… Для ПК характерно стандартное распределение непосредственно адресуемой памяти между ОЗУ, ПЗУ и функционально…

ВНЕШНЯЯ ПАМЯТЬ

Носитель — материальный объект, способный хранить информацию. Один из возможных вариантов классификации ВЗУ приведен на рис. 4. 9. В зависимости от типа носителя все ВЗУ можно подразделить на накопители на магнитной ленте и дисковые накопители. …

Накопители на гибких магнитных дисках

Основные характеристики некоторых типов НГМД приведены в табл. 4.7. Таблица 4.7. Основные характеристики НГМД … Конструктивно дискета диаметром 133 мм изготовляется из гибкого пластика (лавса- на), покрытого износоустойчивым…

Накопители на жестких магнитных дисках

Термин винчестер возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска ем- костью 16 Кбайт (IBM, 1973 г.), имевшего 30 дорожек по 30 секторов,… В этих накопителях один или несколько жестких дисков, изготовленных из сплавов… Максимальные значения на 1995 г.:

Накопители на оптических дисках

Неперезаписываемые лазерно-оптические диски обычно называют компакт-дисками ПЗУ — Compact Disk CD-ROM. Эти диски поставляются фирмой-изготовителем… CD-ROM ввиду чрезвычайно плотной записи информации имеют емкость от 250 Мбайт… Перезаписываемые лазерно-оптические диски с однократной (CD-R — CD Recordable) и многократной (CD-E — CD Erasable)…

Накопители на магнитной ленте

Кассеты с магнитной лентой (картриджи) весьма разнообразны: они отличаются как шириной применяемой магнитной ленты, так и конструкцией. Объемы… Лентопротяжные механизмы для картриджей носят название стриммеров — это… Скорость считывания информации с магнитной ленты в стриммерах также невысокая обычно составляет около 100 Кбайт/с,…

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Примечание. Быстродействие МПП, КЭШ-памяти и ОП измеряется временем обращения /обр к ним (сумма времени поиска, считывания и записи информации), а… Таблица 4.8. Сравнительные характеристики запоминающих устройств Тип памяти Емкость Быстродействие мпп Десятки байт Гобр=0,001-…

ОСНОВНЫЕ ВНЕШНИЕ УСТРОЙСТВА ПК

• Клавиатура

• Видеотерминальные устройства

• Принтеры

• Сканеры

КЛАВИАТУРА

Чаще всего клавиатура содержит 101 клавишу, но встречаются еще и старые клавиатуры с 84 клавишами и новые, удобные для использования в системе… Типичная адаптированная под русский алфавит клавиатура ПК IBM PC, содержащая…

ВИДЕОТЕРМИНАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Видеомониторы Видеомонитор, дисплей'или просто монитор — устройство отображения текстовой и… Рассмотрим дисплей на базе ЭЛТ.

Видеоконтроллеры

хранящую воспроизводимую на экране информацию и использующую поле видеобуфера в ОП), сменные микросхемы ПЗУ (матрицы знаков), порты ввода-вывода. … Основные характеристики видеоконтроллера: режимы работы (текстовый и… Важная характеристика — емкость видеопамяти, она определяет количество хранимых в памяти пикселей и их атрибутов.…

ПРИНТЕРЫ

Принтеры являются наиболее развитой группой ВУ ПК, насчитывающей до 1000 различных модификаций. Принтеры разнятся между собой по различным… цветность (черно-белые и цветные); способ формирования символов (знакопечатающие и знакосинтезирующие);

СКАНЕРЫ

Сканеры являются важнейшим звеном электронных систем обработки документов и необходимым элементом любого "электронного стола". Записывая… Сканеры весьма разнообразны, и их можно классифицировать по целому ряду… Черно-белые сканеры могут считывать штриховые изображения и полутоновые. Штриховые изображения не передают полутонов…

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

Общие положения

• ПК группы Brand Name, собранные в широко известных фирмах, часто производите- лях основных блоков компьютера, гарантирующих высокое качество… • прочие компьютеры группы No Name, сборку которых осуществляли не на фирмах,… Компьютеры Brand Name должны иметь товарные знаки, указывающие на изготовителя ПК, производителей его комплектующих,…

Выбор блоков и устройств персонального компьютера

Системный интерфейс. Интерфейс ISA несколько устарел; ISA совместно с локальным интерфейсом — приемлемый вариант, но лучше EISA; из локальных… Основная память. Объем ОП должен быть не менее 8 Мбайт, а лучше 16 и более,… Внешняя память. Номенклатура устройств внешней памяти:

Принятые в рекламе условные обозначения параметров ПК

Compaq: Intel Pentium-100 /Cache 256 Kb/ RAMS Mb/ 4PCI.2ISA, 1 Combo PCI/ISA/HDD 850 Mb Enhanced IDE /FDD3,5"/SVGA VESA 1 Mb IMS Mouse 2.01MS… Указанный в рекламе компьютер относится к категории Brand Name (фирмы Compaq),…

КЛЮЧЕВЫЕ ПОНЯТИЯ

Адрес операнда Адресное пространство Алгебра логики

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

2. Как представляются числа в форме с фиксированной и плавающей запятой? 3. Что такое: бит, байт, килобайт, мегабайт? 4. Каковы структура и назначение кодов ASCII?

ЛИТЕРАТУРА

l.ФибвльманX., Крамер М. Аппа-
ратные средства PC. - СПб: BHV, 1996.

2. Богумирский Б.С. Руководство пользовате-
ля ПК. Части 1 и 2. - СПб.: Ассоциация OILCO,
1992.

3. БорзенкоА.Е. IBM PC: устройство, ремонт
и модернизация. - М: Компьютер Пресс, 1995.

4. Бройдо BJJ. Персональные ЭВМ: архитек-
тура и программирование на Ассемблере. - СПб.:
ГИЭА, 1994.

5. Гукин Д, IBM-совместимый персональный
компьютер: устройство и модернизация. - М.: Мир,
1993.

6. Каган Б.М.Электронные вычислительные
машины и системы.-М.: Энергоатомиздат, 1991.

7. Макарова Н.В., Гуревич В.И. Работаем на
персональном компьютере единой системы. - Л;
Машиностроение, 1989,

8. Мячев А.А. Персональные ЭВМ: краткий
энциклопедический справочник. - М.: Финансы и
статистика, 1992.

9. Нортон IT. Программно-аппаратная орга-
низация IBM PC. - М.: Радио и связь, 1992.

10. Основы компьютерной грамоты / Под ред,
Н.В. Макаровой. - Л.: Машиностроение, Ленингр.
отд-ние, 1987.

11. Скляров ВЛ. Применение ПК. Организа-
ция и управление ресурсами ПК. - М.: Высшая
школа, 1992.

12. Холиоей К. Секреты ПК. - Киев: Диалек-
тика, 1996.