Лекция 2. АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

Мир аппаратных средств ПК очень сложен и разнообразен. В этом разделе мы рассмотрим только некоторые из устройств ПК, не вдаваясь в подробности их аппаратной реализации.

Конфигурации персональных компьютеров

Платформа – это концепция разработки компьютера, его внутреннего устройства. В нашей стране наибольшее распространение получила платформа IBM PC. Первая особенность компьютеров, построенных на этой платформе, состоит в тесной взаимосвязи операционной системы и аппаратной ее части. Вторая особенность – подавляющее число компьютеров на базе этой платформы создано с использованием модульного принципа. Каждый модуль представляет собой некоторое унифицированное устройство. Полное описание набора и характеристик устройств, составляющих данных компьютер, называется конфигурацией ПК. Можно назвать несколько типовых конфигураций.

Рабочая станция представляет собой мощный компьютер, основанный обычно на двухпроцессорной платформе, оснащенный максимальным объемом быстрой оперативной памяти, массивом жестких дисков и часто включенный в локальную сеть предприятия. В зависимости от решаемых задач рабочие станции бывают графическими, для научных расчетов или иного назначения. Графическую рабочую станцию комплектуют ЗD–видеокартой профессионального класса, устройствами оцифровки и захвата сигналов телевизионного формата, высокоточными сканерами и другим необходимым оборудованием.

Настольный компьютер предусматривает самый обширный спектр возможных конфигураций как платформы, так и дополнительных устройств. Принято классифицировать настольные компьютеры по предназначению или по производительности. По назначению компьютеры подразделяют на офисные, домашние, игровые, дизайнерские.

Офисный компьютер ориентирован на работу с программами офисного класса, может подключаться к локальной сети и не отличается высокой производительностью. Главное требование к нему – надежность.

Домашний компьютер обычно используют для развлечений и выполнения не слишком сложных учебных (рабочих) заданий. Мультимедийная направленность домашнего ПК выражается в оснащении его процессором и видеокартой среднего класса, приводом DVD, качественным монитором, ТВ–тюнером, сканером, WEB–камерой.

Игровой компьютер требует наличия мощной графической подсистемы. Поэтому главным его элементом является графическая карта и адекватный потребностям процессор при большом объеме оперативной памяти. Игровой компьютер комплектуют джойстиком и другими игровыми приставками .

Дизайнерский компьютер предназначен для выполнения сложных графических работ (кроме ЗD–графики кинематографического уровня) и обработки видео в режиме реального времени. Конкретная конфигурация дизайнерского ПК зависит от специфики решаемых задач. Для работы с ЗD–графикой требуется мощная видеокарта, для работы с видео – самый производительный процессор.

Ноутбук является переносным персональным компьютером. Помимо компактных габаритов, ноутбук отличается от настольного компьютера возможностью работы от аккумуляторов.

Планшетный ПК (Tablet PC) характеризуется наличием отдельного сенсорного дисплея с возможностью рукописного ввода и специального электронного пера. Некоторые модели комплектуются клавиатурой, трекболом, приводом CD–ROM, жестким диском.

Карманный ПК (Personal Digital Assistant, PDA) также примыкает к нише персональных компьютеров. КПК можно подключать к настольному компьютеру для переноса данных, читать литературные произведения в электронном виде, просматривать видео и т.д.

Независимо от конфигурации аппаратные средства ПК по их функциональному отношению к работе с информацией можно разделить на устройства:

· обработки информации (центральный процессор, специализированные процессоры);

· хранения информации (внутренняя и внешняя память);

· ввода информации (клавиатура, мышь, микрофон, сканер и т.д.);

· вывода информации (монитор, принтер, акустическая система и т.д.);

· передачи информации (последовательный, параллельный, USB–порты, сетевые карты).

Структурная схема персонального компьютера с архитектурой «Северный/Южный мост» приведена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Структурная схема персонального компьютера

Базовая система ввода–вывода – BIOS

Функции BIOS

В современных компьютерах границу между аппаратным и программным обеспечением провести непросто. По мере прогресса компьютерных технологий функции аппаратного и программного обеспечения изменялись. BIOS не похож на стандартное программное обеспечение, поскольку находится в микросхемах, установленных на системной плате или платах–адаптерах внешних устройств. BIOS можно встретить в следующих компонентах ПК:

· в ПЗУ системной платы;

· в ПЗУ плат–контроллеров внешних устройств (например, в видеокарте);

· в файлах данных на дисках, загружаемых в память при загрузке ОС (обычно это драйверы устройств).

Системная BIOS содержит программы для управления основными компонентами ПК, которые необходимы для начального запуска компьютера. При запуске DOS или Windows в режиме защиты от сбоев используются драйверы устройств только из BIOS.

Выделение BIOS в отдельный аппаратно–программный модуль позволяет обеспечить независимость программного обеспечения от специфики конкретной конфигурации компьютера. По мере появления новых устройств (накопителей CD–ROM, жестких дисков с интерфейсом SCSI и т. д.) их процедуры инициализации не добавлялись в системную BIOS. Острая необходимость в таких устройствах при запуске компьютера отсутствует, поэтому нужные драйверы загружаются с жесткого диска во время загрузки операционной системы. Это относится к звуковым адаптерам, сканерам, принтерам и другим многочисленным устройствам.

Области данных системной BIOS – это либо области ОЗУ, в которых хранится текущая информация о состоянии ПК, либо микросхема ПЗУ, в которой записаны программы для управления устройствами компьютера. На старых материнских платах BIOS обычно размещался в микросхеме ПЗУ (ROM – Read Only Memory). Поэтому этот чип часто называют ROM BIOS. Такая технология позволяет BIOS всегда быть доступным, несмотря на повреждения дисковой системы. Поскольку доступ к RAM (оперативной памяти) осуществляется значительно быстрее, чем к ROM, производители компьютеров создают системы таким образом, чтобы при включении компьютера выполнялось копирование BIOS из ROM в оперативную память. Задействованная при этом область памяти называется Shadow Memory (теневая память). Начиная с 1996 г. материнские платы комплектуются Flash BIOS, который может быть перезаписан при помощи специальной программы. Подобно всем другим программам, BIOS устаревает, и наступает время, когда он уже не может корректно работать, к примеру, с жестким диском большой емкости. Большинство подобных проблем решается перезаписью новой версии BIOS, которую можно найти на сайте производителя материнской платы. На случай повреждения BIOS производители стали встраивать в материнские платы две микросхемы BIOS. Одна, перезаписываемая, несет свою службу каждодневно. Вторая микросхема, запись в которую невозможна, служит для восстановления первой в случае сбоев или повреждения вирусами.

Рассмотрим основные модули BIOS.

Базовая система ввода–вывода представляет собой набор программ для обработки прерываний от стандартных устройств компьютера. За процедурами BIOS закреплены прерывания с номерами int 10h – int 1ah, которые можно разделить на семь основных групп:

· управление экраном (прерывание 10h);

· управление диском (прерывание 13h);

· управление последовательным портом (прерывание 14h);

· системные функции (прерывание 15h);

· управление клавиатурой (прерывание 16h);

· управление параллельным портом (прерывание 17h);

· запрос / установка времени и даты (прерывание 1ah).

Программы BIOS изолируют операционную систему и прикладные программы от аппаратных особенностей конкретных устройств. Это позволяет создавать программы для операций ввода–вывода, не заботясь об адресах устройств или их аппаратных характеристиках. Программирование на уровне BIOS уменьшает зависимость программ от изменения параметров оборудования компьютера и тем самым повышает их переносимость. Запросы к BIOS вместо прямой манипуляции портами ввода–вывода рекомендуется использовать при написании как системных, так и прикладных программ.

С помощью специальных подпрограмм BIOS выполняет и другие важные задачи.

Программа первоначального тестирования компьютера POST (Power–On Self Test). Эта программа получает управление сразу после включения питания компьютера. Она проверяет все подсистемы компьютера. В случае обнаружения ошибки или неисправности компьютера процедура POST реагирует звуковым сигналом.

Программа загрузки компьютера. После успешного завершения тестов программой POST управление передается программе для загрузки операционной системы. Загрузчик операционной системы – подпрограмма, выполняющая поиск действующего основного загрузочного сектора на дисковых устройствах. При обнаружении загрузочного сектора, соответствующего определенному минимальному критерию (его сигнатура должна заканчиваться байтами 55AAh), выполняется код начальной загрузки ОС.

Программа Setup. Эта программа может быть запущена сразу же после включения компьютера и предназначена для просмотра и модификации энергонезависимой CMOS–памяти, в которой хранятся важнейшие параметры конфигурации. Если параметры BIOS выставлены неправильно, то производительность ПК может быть заметно утрачена. Поэтому вносить изменения в настройки BIOS нужно крайне вдумчиво и осторожно. К сожалению, по мере выхода новых процессоров и материнских плат опции BIOS становятся всё более сложными для понимания. Принципиальных различий между BIOS различных фирм не существует. Все они выполняют одинаковые функции, но могут иметь различные дополнительные возможности.

Возможность работы со стандартом P&P (Plug–And–Play– включи и работай). Стандарт P&Р состоит из следующих основных компонентов:

· Plug & Play BIOS;

· Extended System Configuration Data (ESCD);

· операционная система Plug & Play.

При загрузке компьютера P&P BIOS инициализирует конфигурирование устройств, соответствующих спецификации P&P. Если устройство уже было установлено в системе, то BIOS считывает конфигурационную информацию из ESCD, инициализирует устройство и продолжает загрузку. Если же устройство появилось впервые, BIOS запрашивает у ESCD свободные ресурсы и кооптирует их в систему. Если же с помощью свободных ресурсов нельзя сконфигурировать новое устройство, то BIOS продолжает загрузку компьютера, а конфигурированием занимается ОС и записывает их в базу данных ESCD. Насколько правильно выполнена конфигурация, можно проверить с помощью диспетчера устройств.