Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ

П

ри рассмотрении компьютеров принято различать их архитектуру и структуру.Структура компьютера – это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства – от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера представляется графически в виде структурных схем с различным уровнем детализации.

Архитектура компьютера – это его описание на общем уровне. Под архитектурой понимают логическую организацию и структуру аппаратных и программных ресурсов вычислительной системы компьютера, то есть все то, что однозначно определяет процесс обработки информации на данном компьютере. Архитектура заключает в себе требования к функциональности и принципы организации основных узлов ЭВМ.

К архитектуре относятся следующие принципы построения ЭВМ:

– структура памяти ЭВМ;

– способы доступа к памяти и внешним устройствам;

– возможность изменения конфигурации;

– система команд;

– форматы данных;

– организация интерфейса.

Архитектура состоит из тех же основных подсистем, которые характерны для классической модели ЭВМ: ввод-вывод, память, связь, управление и обработка. Различают внешнюю архитектуру – это то, что видит пользователь, и внутреннюю – то, из чего состоит компьютер и на чем основан процесс накопления, обработки и передачи данных внутри ЭВМ и между компьютерами.

С точки зрения пользователя общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость, то есть способность различных объектов (устройств и программ) к взаимодействию. Важнейшую роль в развитии и распространении IBM PC-совместимых компьютеров (клонов) сыграл заложенный фирмой IBM принцип открытой архитектуры, который означает применение при сборке компьютера готовых блоков и устройств (модулей), а также стандартизацию способов их соединения. Любой узел может быть заменен другим и, кроме того, к компьютеру могут быть дополнительно подсоединены другие узлы. Реализация открытости архитектуры была обеспечена благодаря использованию общей шины (магистрали) – принципиально нового устройства связи между отдельными узлами ЭВМ. Принцип построения ЭВМ, в соответствии с которым обмен информацией между устройствами организуется с помощью магистрали, получил название магистрально-модульного принципа. Таким образом, модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между модулями.

Один из признаков, по которым классифицируют архитектуры компьютеров, – это разрядность интерфейсов и машинного слова. Разрядности компьютеров могут быть равными 8, 16, 32, 64 двоичных разрядов. Некоторые ЭВМ имеют другие разрядности.

Принцип однородности памяти характерен для принстонской (фон-неймановской) архитектуры вычислительной системы. Так, например IBM PC-совместимые компьютеры имеют фон-неймановскую архитектуру. В настоящее время существуют модели компьютеров, архитектура которых несколько отличается от фон-неймановской. Например, в гарвардской архитектуре память программ и данных разделена, что позволяет распараллелить выборку данных из памяти.

Любая вычислительная система достигает своей наивысшей производительности благодаря использованию высокоскоростных элементов и параллельному выполнению большого числа операций. Параллельное выполнение нескольких процессов (программ) реализуется путем следующих аппаратных решений:

– многомашинности;

– мультипроцессорности (многопроцессорности);

– однопроцессорности с несколькими исполнительными устройствами;

– конвейеризации обработки данных.

В настоящее время все параллельные вычислительные системы являются мультипроцессорными с различной архитектурой. Главная задача многопроцессорных систем – обеспечение надежности и сверхбольших скоростей на основе распараллеливания вычислений. При их описании часто используют классификацию Флинна, в которой определен параллелизм потока команд и параллелизм потока данных в системе. Согласно этой классификации системы делятся на четыре категории.

– SISD (Single Instruction stream over a Single Data stream) – вычислительная система с одним потоком команд и данных. SISD относят к типу однопроцессорных ЭВМ. Архитектура вычислительной системы с одним процессором является фон-неймановской.

– SIMD (Single Instruction Multiple Data) – многопроцессорная вычислительная система с общим потоком команд (одиночный поток команд) и множественным потоком данных. Архитектура SIMD характеризуется тем, что все процессоры выполняют одну и ту же команду, но каждый над своими данными из своей локальной памяти. Такую архитектуру часто называют векторной.

– MISD (Multiple Instruction Single Data) – многопроцессорная вычислительная система со множественным потоком команд и одиночным потоком данных (конвейерная ЭВМ). Конвейерная архитектура – это принцип построения компьютера, состоящий в параллельном выполнении команд множеством процессоров над одним потоком данных. Каждый процессор цепочки использует в качестве входных данных выходные данные предыдущего процессора.

– MIMD (Multiple Instruction Multiple Data) – многопроцессорная вычислительная система со множественным потоком команд и данных. Каждый процессор здесь функционирует под управлением собственного потока команд, то есть компьютер может параллельно выполнять совершенно разные программы. Современные суперкомпьютеры, как правило, строятся по данной архитектуре.

Тесты

№ п/п	Вопрос	Варианты ответов
	Логическая организация и структура аппаратных и программных ресурсов вычислительной системы составляет …	1. Чипсет. 2. Топологию. 3. Архитектуру. 4. Системную шину.
	В фон-неймановской архитектуре компьютера часть процессора, которая выполняет команды, называется…	1. Памятью. 2. Устройством управления (УУ). 3. Устройством ввода. 4. Арифметико-логическим устройством.
	К принципам работы вычислительной системы, сформулированным Джоном фон Нейманом, не относитсяпринцип…	1. Программного управления. 2. Адресности. 3. Однородности памяти. 4. Разделения памяти программ и данных.
	Гарвардская архитектура вычислительной системы отличается от принстонской …	1. Принципом программного управления. 2. Принципом однородности памяти. 3. Принципом адресности. 4. Раздельной памятью для команд и данных.
	Согласно классификации параллельных архитектур по Флинну ЭВМ, построенные по принципам фон Неймана, относят к типу …	1. SIMD – одиночный поток команд и множественный поток данных. 2. MISD – множественный поток команд и одиночный поток данных. 3. SISD – один поток команд, один поток данных. 4. MIМD – множественный поток команд, множественный поток данных.
	Конвейерной обработке данных наиболее соответствует архитектура ЭВМ …	1. SIMD – одиночный поток команд и множественный поток данных. 2. MIМD – множественный поток команд, множественный поток данных. 3. MISD – множественный поток команд и одиночный поток данных. 4. SISD – один поток команд, один поток данных.
	Вычислительная система объединяет …	1. Технические и программные средства. 2. Интерфейс пользователя и прикладные программы. 3. Модели и системы компьютерного моделирования. 4. Служебное программное обеспечение и техническое обслуживание.
	Укажите, какие из следующих высказываний являются ИСТИННЫМИ.	1. IBM PС-совместимые компьютеры относят к типу фон-неймановских. 2. Компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. 3. Счетчик команд – это регистр арифметико-логического устройства (АЛУ). 4. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка памяти.
	Методы и средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами называются _________________ интерфейсом	1. Аппаратно – программным. 2. Пользовательским. 3. Программным. 4. Аппаратным.
	Состав вычислительной системы называют…	1. Классификацией. 2. Аппаратным обеспечением. 3. Информационным обеспечением. 4. Конфигурацией.
	Компьютер – это…	1. Электронный прибор, предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки и транспортировки данных. 2. Устройство записи, хранения и считывания информации. 3. Устройство для автоматизации создания, хранения и обработки информации.
	Основу современных компьютеров составляют _________ элементы.	1. Катодные. 2. Электроламповые. 3. Диодные. 4. Полупроводниковые.
	Обязательным критерием качества вычислительных систем является…	1. Понятный интерфейс. 2. Мобильность. 3. Функциональность. 4. Легкость применения.
	Центральный процессор, оперативная память, устройства обмена информацией, это…	1. Внешняя часть вычислительной системы. 2. Интерфейсный блок. 3. Периферийная часть вычислительной системы. 4. Внутренняя часть вычислительной системы.
	Что такое драйвер?	1. Средство обеспечения пользовательского интерфейса. 2. Программа, отвечающая за взаимодействие с конкретным устройством ПК. 3. Графический редактор. 4. Средство для просмотра Web-документов.
	Теоретические основы функционирования и структуры ЭВМ разработаны группой ученых под руководством…	1. Джона фон Неймана. 2. Билла Гейтса. 3. Эмиля Поста. 4. Алана Тьюринга.
	Драйвер устройства – это…	1. Программа, управляющая работой конкретного устройства ввода-вывода. 2. Устройство сопряжения компьютера с конкретным устройством. 3. Программа, управляющая работой всех внешних устройств. 4. Плата, управляющая работой всех устройств компьютера.
	К основным принципам организации современного компьютера относятся: А. Программное управление. Б. Открытая архитектура. В. Самообучаемость. Г. Модульность. Д. Магистральность. Е. Взаимозаменяемость устройств.	1. БВГД 2. АБВГ 3. АБГД 4. АБГЕ
	Какое из приведенных словосочетаний не относится к принципам организации работы современных ПК?	1. Drag&Drop. 2. Plug&Play. 3. What You See Is What You Get. 4. Wash&Go.
	Принцип открытой архитектуры был впервые применен в ПК…	1. ЭНИАК. 2. IBM PC. 3. Apple Macintosh. 4. Commodore Amiga.
	Арифметико-логическое устройство входит в состав…	1. Системной шины. 2. Оперативной памяти. 3. Процессора. 4. Контроллера.
	Преимущества концепции открытой архитектуры состоят в том, что…	1. Пользователь сам может модифицировать свой ПК. 2. Нет необходимости замены системы в целом. 3. Возможно обновление ПК по частям. 4. Возможно оптимизировать структуру ПК.
	Выберите наиболее точное высказывание. Кластер – это совокупность ЭВМ…	1. Процессоры которых используют единую ОС. 2. Объединенных в региональную сеть. 3. Совместно используемых для обеспечения высокой производительности при решении задач повышенной сложности. 4. Единой архитектуры в составе сети.
	Функциональная схема ЭВМ была предложена …	1. Готфридом Лейбницем. 2. Норбертом Винером. 3. Дж. фон Нейманом. 4.Биллом Гейтсом.

2.2. Состав и назначение основных элементов персонального компьютера,
их характеристики

Базовая аппаратная конфигурация персонального компьютера

П

ерсональный компьютер– это универсальная вычислительная система, архитектура которой ориентирована на индивидуальное использование. Персональные компьютеры можно установить на любом рабочем месте, их довольно часто применяют как рабочие станции и в качестве серверов для управления небольшими компьютерными сетями. Для персональных компьютеров были созданы операционные системы ипакеты офисных программ с наглядным графическим интерфейсом, понятным и доступным самому широкому кругу пользователей. Кроме того, для ПК разработано большое число пакетов профессиональных и обучающих программ, а также самых различных игр. Первый коммерчески распространяемый ПК Альтаир-8800 на основе микропроцессора Intel-8080 появился в начале1975 г. В настоящее время наиболее известны и распространены персональные компьютеры IBM PCиMacintosh.

Для функционирования любого персонального компьютера необходимо наличие процессора, оперативной памяти, устройств ввода и вывода. Процессор выполняет все вычисления и управление другими устройствами; память служит для хранения программ, исходных данных и результатов вычислений; устройство ввода позволяет вводить команды программ и исходные данные; устройство вывода дает возможность отобразить результаты вычислений.

На практике существует понятие базовой конфигурации, включающей минимальный комплект устройств, необходимых для нормальной работы ПК. Базовый состав современных персональных компьютеров включает четыре устройства:

– системный блок;

– монитор (дисплей);

– клавиатура;

– манипулятор «мышь».

Ниже приведена упрощенная структурная схема персонального компьютера IBM PC.

Системный блок является главным компонентом ПК. Он содержит процессор и основную (внутреннюю) память. Во всех современных ПК в системный блок входят также накопители на магнитных дисках (внешняя память). Возможности компьютеров (их производительность) зависят от типа и быстродействия процессора, а также от объемов оперативной (внутренней) и долговременной (внешней) памяти. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называются внутренними, а устройства, подключаемые к системному блоку снаружи, называются внешними дополнительными устройствами или периферийными.

Системные блоки выпускают с различной формой корпуса: в горизонтальном (desktop) и вертикальном (tower) исполнении. Корпуса, имеющие вертикальное исполнение, могут быть полноразмерными, среднеразмерными и малоразмерными. Среди корпусов, имеющих горизонтальное исполнение, выделяют плоские и особо плоские. Кроме формы, для корпуса важен параметр, называемый форм-фактором. От этого параметра зависят требования к размещаемым устройствам. Прежним стандартом корпуса был форм-фактор AT, в настоящее время в основном используются корпуса форм-фактора ATX. Корпуса ПК поставляются вместе с блоком питания. Блок питания преобразует электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, который подается на электронные схемы ПК. Мощность блока питания является одним из параметров корпуса. Для массовых моделей ПК достаточной является мощность 250–300 Вт.

Монитор – это главное (стандартное) устройство вывода информации, основанное на использовании электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) или плоского жидкокристаллического (ЖК) экрана. Основными характеристиками мониторов являются размер экрана по диагонали, измеряемый в дюймах (1 дюйм = 2,54 см), и разрешающая способность, которая определяется количеством точек, отображаемых на экране по горизонтали и вертикали. У современных мониторов размер диагонали экрана составляет 15, 17 и более дюймов, а разрешающая способность – 1024´768 или 1600´1200 точек. Еще одной важной характеристикой монитора является частота кадровой развертки, которая влияет на видимое мелькание экрана. Изображение на экране формируется путем считывания содержимого видеопамяти и отображения его на экране. Частота кадровой развертки непосредственно связана с частотой считывания и обновления изображения на экране. Нормативной считается частота, равная 85 обновлений в секунду (85 Гц), а комфортной – 100 Гц. Для сравнения можно сказать, что частота смены кадров в кино составляет 24 кадра в секунду (24 Гц).

Клавиатура – стандартное клавишное устройство ввода информации и управления ПК. Комбинация монитора и клавиатуры обеспечивает простейший интерфейс пользователя. Обычная современная клавиатура имеет, как правило, 104 клавиши, среди которых выделяют алфавитно-цифровые клавиши, необходимые для ввода текста, клавиши управления курсором и ряд специальных и управляющих клавиш. Стандартное расположение клавиш имеет раскладку QWERTY, что соответствует отечественной раскладке ЙЦУКЕН. Раскладку принято именовать по символам, закрепленным за первыми клавишами верхней строки алфавитной группы.

Манипулятор «мышь» – устройство управления манипуляторного типа, облегчающее взаимодействие пользователя с ПК. Перемещение мыши по плоской поверхности синхронизировано с перемещением на экране монитора графического объекта, называемого указателем мыши. Действия над объектом, на который установлен указатель мыши, определяются кратковременными нажатиями (щелчками) на одну из кнопок мыши (левую или правую). Комбинация монитора и мыши обеспечивает наиболее современный интерфейс пользователя, который называется графическим.

Внутренние устройства системного блока

С

истемный блок– это центральная часть компьютера. В нем находится целый ряд взаимосвязанных устройств, необходимых для функционирования компьютера. Основными элементами системного блока являются:

– системная плата;

– внешняя дисковая память;

– платы (карты) расширения.

В системном блоке располагаются также блок питания и аккумулятор. Блок питания содержит вентилятор для охлаждения системного блока. К аккумулятору подключен таймер – внутримашинные электронные часы, обеспечивающие показания текущего времени (дату и время). Таймер продолжает работать и при отключении компьютера от сети.

Системная (материнская) плата– главная аппаратная компонента современного компьютера, от надежности которой зависит работа вычислительной системы. Тип установленной системной платы определяет общую производительность системы, а также возможности по модернизации компьютера и подключению дополнительных устройств.

Системная плата представляет собой печатную электронную плату, на которой размещены все основные элементы компьютера, линии соединения и разъемы для подключения внешних устройств. Ниже перечислен основной набор элементов, который в том или ином виде находится на системной плате:

– процессор – основная микросхема для обработки данных и управления работой всех устройств компьютера;

– оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) – набор микросхем для временного хранения данных при включенном компьютере;

– ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) – микросхема для длительного хранения данных даже в случае выключенного компьютера;

– микропроцессорный комплект (чипсет) – набор микросхем, обеспечивающих взаимодействие всех устройств компьютера;

– шины – совокупность проводников (линий) для обмена данными;

– разъемы для подключения внешней памяти;

– последовательные и параллельные порты для подключения периферийных устройств;

– разъемы (слоты) для подключения модулей оперативной памяти и карт расширения.

С целью экономии места и увеличения количества свободных слотов на некоторые системные платы устанавливают видеоадаптеры, звуковые и сетевые карты и т. д. Такие устройства называются интегрированными или встроенными.

Системные платы различаются по выпускающей фирме и по типу процессоров, которые могут на них устанавливаться. Они содержат специальные перемычки – джамперы, позволяющие подстроить системную плату под тип процессора и другие устанавливаемые на ней устройства.

Процессор (микропроцессор, или центральный процессор) – это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет большинство математических и логических операций, заданных программой, размещаемой в оперативной памяти, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера. Аппаратно процессор реализуется на сверхбольшой интегральной схеме (СБИС), представляющей собой плоскую полупроводниковую пластину, заключенную в пластмассовый корпус с рядом металлических контактов (штырьков). В ПК IBM PC используются процессоры фирмыIntel. В компьютерах младших моделей фирмы Intel применялись процессоры 8086, 80286, 80386 и 80486, а в старших моделях – процессоры серииPentium: Pentium, Pentium II, Pentium III и т. д. В персональных компьютерах Macintosh применяются процессоры фирмыMotorola. В настоящее время на компьютерном рынке наиболее распространены две серии процессоров: Intel Pentium и AMD Athlon.

Конструктивно процессор представляет собой микропроцессорную память (МПП), которая строится на регистрах. Во время работы процессор обслуживает данные, находящиеся в его регистрах, в ячейках оперативной памяти, а также во внешних портах процессора. Часть данных он интерпретирует как непосредственно данные, часть – как адресные данные, а часть – как команды. Обмен информацией между процессором и другими устройствами осуществляется через порты ввода-вывода.

Под архитектурой процессора понимают принцип его действия, состав регистров, систему команд, конфигурацию и взаимное соединение основных его узлов. Система команд процессора представляет собой совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными. Чем шире набор системных команд, тем сложнее архитектура процессора. В зависимости от набора команд используются два различных подхода к архитектуре процессоров.

RISC (Reduced Instruction Set Computer) – это концепция построения процессоров по следующему принципу: более компактные и простые инструкции (команды) выполняются быстрее. RISC-процессоры имеют сокращённый набор команд. Простая архитектура позволяет удешевить процессор, поднять тактовую частоту, а также распараллелить исполнение команд между несколькими блоками. Первые RISC-процессоры были разработаны в середине 1980-х годов в Стэнфордском и Калифорнийском университетах США. Они выполняли небольшой (50-100) набор команд. В настоящее время RISC-процессоры используют в специализированных вычислительных системах или устройствах, ориентированных на выполнение единообразных операций.

CISC (Complex Instruction Set Computing) – концепция проектирования процессоров, которая характеризуется расширенной системой команд со следующим набором свойств: нефиксированное значение длины команды; кодирование арифметических действий в одной инструкции; небольшое число регистров, каждый из которых выполняет строго определенную функцию. CISC-процессоры используют в универсальных вычислительных системах. Персональные компьютеры платформы IBM PC вплоть до Pentium IV ориентированы также на использование CISC-процессоров.

Если два процессора имеют одинаковую систему команд, то они полностью совместимы на программном уровне. Группу процессоров, имеющих ограниченную (неполную) совместимость, рассматривают как семейства процессоров. Так, например, процессоры фирмы Intel относятся к семейству x86 и обладают совместимостью по принципу «сверху вниз». Это означает, что каждый новый процессор этого семейства «понимает» команды своих предшественников, но не наоборот. Процессоры, относящиеся к разным семействам, различаются по системе команд и невзаимозаменяемые.

Главными характеристиками процессора являются рабочее напряжение, тактовая частота, разрядность, объем встроенной кэш-памяти.

Рабочее напряжение – важный параметр процессора. Понижение рабочего напряжения с 5 В для ранних моделей до 2 В и менее для современных процессоров позволило уменьшить расстояние между элементами в кристалле процессора, не опасаясь электрического пробоя. Пропорционально квадрату напряжения уменьшилось тепловыделение в процессоре, а это позволило увеличить его производительность без угрозы перегрева.

Тактовая частота характеризует быстродействие (производительность) компьютера, которое определяется количеством операций (команд) выполняемых процессором в секунду. Быстродействие современных персональных компьютеров составляет десятки, и даже сотни миллионов операций в секунду. Скорость выполнения команд непосредственно связана с тактовой частотой. Время исполнения каждой команды занимает определенное количество тактов и называется машинным циклом. В ПК тактовые импульсы вырабатывает специальная микросхема (генератор тактовых импульсов), входящая в чипсет. Чем выше частота тактовых импульсов, тем больше команд может выполнить процессор в единицу времени, а, следовательно, тем выше его производительность. Для большинства процессоров тактовая частота измеряется в мегагерцах (1 МГц = 1 миллион тактов в секунду). На сегодняшний день частота некоторых процессоров уже превосходит 3 миллиарда тактов в секунду (3 ГГц). Более совершенные процессоры выполняют за машинный цикл не одну, а несколько команд.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может обработать в своих регистрах за один такт. Разрядность процессора определяется разрядностью командной шины. Процессоры с большей разрядностью при использовании соответствующей операционной системы имеют более высокую производительность. Первые процессоры семейства x86 были 16-разрядными. Начиная с процессора 80836 и по настоящее время, все процессоры имеют 32-разрядную архитектуру.

Объем встроенной кэш-памяти существенно влияет на производительность процессора. В процессоре есть центральная часть – ядро процессора, которая работает с частотой более высокой, чем частота работы других устройств. Для уменьшения количества обращений к оперативной памяти внутри процессора создают буферную область – «сверхоперативную» кэш-память, работающую на частоте ядра процессора. Для получения данных процессор сначала обращается в кэш-память, и если там нужных данных нет, он обращается в оперативную память. «Удачные» обращения в кэш-память называются попаданиями в кэш. Чем больше объем кэш-памяти, тем выше процент попадания и, как следствие, тем выше производительность процессора.

Шины – это совокупность нескольких групп проводников (линий), используемых для связи всех устройств компьютера. проводников, по которым происходит обмен данными между компонентами и устройствами компьютера, называют информационной шиной или просто шиной (Bus). Важнейшим свойством шины является возможность параллельного подключения нескольких внешних устройств. Если шина связывает только два устройства, то она называется портом.

Шина обеспечивает три направления передачи информации:

– между процессором и основной памятью;

– между процессором и портами ввода-вывода периферийных устройств;

– между основной памятью и портами ввода-вывода периферийных устройств.

В зависимости от типа передаваемых данных линии шины делятся на три группы: шину данных, адресную шину, шину управления (команд).

Шина данных предназначена для обмена данными между процессором, оперативной памятью и внешними устройствами. В ПК с процессором Intel Pentium используется 64-разрядная шина данных. Это означает, что за один такт на обработку поступает сразу 8 байтов.

Адресная шина служит для адресации к какому-либо устройству ПК. Каждый компонент ПК, ячейки оперативной памяти или порты ввода-вывода имеют свой адрес (уникальный идентификационный код) и входят в общее адресное пространство ПК. От разрядности адресной шины зависит максимально возможное число адресов, генерируемых процессором на адресной шине. Очевидно, что объем адресуемой оперативной памяти не должен превышать 2ⁿ, где n – разрядность адресной шины. Например, у процессора Intel Pentium адресная шина состоит из 32 параллельных проводников. Это означает, что в адресной шине формируется 32-разрядный адрес, указывающий на ячейку оперативной памяти, к которой подключается процессор для считывания данных в один из своих регистров, или, наоборот, для записи данных из регистра процессора в эту ячейку.

Шина команд (управления) используется для передачи из оперативной памяти кодов команд в процессор. По шине управления также передаются сигналы управления обменом, запросы прерывания, сигналы синхронизации и т. п. В большинстве современных процессоров командная шина является 32-разрядной, хотя существуют 64-разрядные и даже 128-разрядные.

В зависимости от функционального назначения в ПК различают системную шину и шины ввода-вывода.

Системная шина используется микросхемами чипсета для обмена информацией между процессором, памятью и другими устройствами.

Шины ввода-вывода ответвляются от системной шины и специализируются на обслуживании устройств определенного типа. Они подразделяются на локальные и стандартные.

Локальная шина ввода-вывода – это скоростная шина, предназначенная для обмена данными между быстродействующими устройствами (видеоадаптерами, сетевыми картами, картами сканера и др.) и системной шиной. В настоящее время в качестве локальной шины наибольшее распространение получила шина PCI. Она имеет 32- или 64-битовую разрядность и обеспечивает частоту до 66 МГц. Для ввода-вывода видеоданных при обработке трехмерных изображений корпорация Intel разработала специальную высокоскоростную шину AGP, которая фактически является портом, так как соединяет только два устройства (видеоадаптер и оперативную память).

Стандартная шина ввода-вывода используются для подключения более медленных устройств (например, мыши, клавиатуры, модемов). В настоящее время в качестве этой шины используются шины LPC, USB.

Весь набор шин ввода-вывода не ограничивается названными выше шинами. Современные ПК могут иметь шины стандарта SCSI, Fire Wire (IEEE 1394), которые устанавливаются в слоты расширения или интегрированы в системную плату.

Подключение устройств к шинам осуществляется посредством шинного интерфейса. Под шинным интерфейсом понимается совокупность характеристик подключаемого устройства (электрические и временные параметры), набор управляющих сигналов, протокол обмена данными и конструктивные особенности подключения. При этом обмен данными возможен только в случае совместимости их интерфейсов, что подразумевает стандартизацию интерфейсов отдельных компонентов ПК. В случае несовместимости интерфейсов (например, интерфейс системной шины и интерфейс винчестера) используются контроллеры, которые обеспечивают управление процессом обмена данными. Кроме того, гибкость и унификация системы обеспечивается введением стандартных интерфейсов последовательной и параллельной передачи данных, необходимых для работы таких важных периферийных устройств ввода-вывода как клавиатура, мышь, монитор, принтер. Для подключения этих устройств используются параллельные (LPT) и последовательные (COM) порты, разъемы которых выведены на заднюю панель системного блока.

Различают системный (внутренний) интерфейс и внешние интерфейсы (интерфейсы периферийного оборудования). Системный интерфейс задает правила подключения модулей к системной шине, а внешние интерфейсы определяют правила сопряжения с устройствами ввода-вывода, использующими шины ввода-вывода.

Основными параметрами шины являются разрядность и пропускная способность. Разрядностьшины определяется максимальным количеством одновременно передаваемых бит информации. На сегодняшний день существуют 16-, 32- и 64-разрядные шины. Чем выше разрядность, тем больше данных она может передать в единицу времени. Передача данных по шине осуществляется в виде электрических импульсов не непрерывно, а циклами. Количество циклов срабатывания шины в единицу времени называется частотой. Частота шины измеряется в герцах. Пропускная способность шины определяется количеством информации, передаваемой по шине в секунду. Например, для 64-разрядной системной шины с тактовой частотой 133 МГц пропускная способность составляет
(64 бит ´ 133 МГц) / 8 = 1064 Мбайт/с.

Кроме информационной шины в системном блоке имеются шина питания и шина заземления. Шина питания подводит питающее напряжение ко всем блокам, подключенным к магистрали. Шина заземления представляет собой проводник с достаточно большим поперечным сечением. К шине заземления подключают соответствующий вывод каждой микросхемы, расположенной на какой-либо плате, например на системной.

Слоты расширения представляют собой расположенные на системной плате унифицированные разъемы, в которые могут вставляться электронные платы контроллеров для подключения дополнительных устройств, платы расширения, имеющие специальное назначение (расширение оперативной памяти, управление накопителями на дисках, видеокарта, звуковая карта). Контроллер при вставке в слот подключается к соответствующей интерфейсной шине, выполняющей передачу данных между оперативной памятью и внешним устройством. Разным пользователям ПК нужен разный набор контроллеров, поэтому системная плата содержит несколько слотов. Платы, вставляемые в слоты, называют «дочерними». Их наличие и количество является характеристикой системной платы. Именно таким образом реализуется принцип открытой архитектуры.

Микропроцессорный комплект (чипсет) представляет собой набор микросхем (чипов), на основе которых исполняются системные платы. С помощью шин чипы соединяются между собой и с портами (разъемами для подключения внешних устройств). Параметры чипсета в наибольшей степени определяют свойства системной платы. Самые важные характеристики системной платы – скорость передачи данных, число поддерживаемых моделей процессоров, базовый тип и параметры работы оперативной памяти и некоторые другие напрямую зависят от типа чипсета.

Большинство чипсетов системных плат включают две основные микросхемы: контроллер оперативной памяти, получивший название северный мост, и контроллер внешних устройств – южный мост.

Северный мост обеспечивает обмен данными между процессором и оперативной памятью по системной шине. Кроме того, к северному мосту подключается шина PCI, обеспечивающая обмен данными между процессором, оперативной памятью и контроллерами периферийных устройств. Для связи видеоадаптера с процессором и оперативной памятью используется специальная шина AGP, соединенная с северным мостом и имеющая более высокую пропускную способность за счет передачи нескольких сигналов за один такт.

Южный мост обеспечивает обмен данными между северным мостом и портами для подключения периферийного оборудования. К южному мосту по шине UDMA подключаются устройства хранения информации (жесткие, гибкие и лазерные диски). Мышь и внешний модем подключаются с помощью последовательных портов COM. Принтер подключается к параллельному порту LPT, который обеспечивает более высокую скорость передачи данных, так как одновременно может передавать один байт информации. Одно из последних нововведений в архитектуре системных плат является использование шины USB. Она позволяет подключать к южному мосту до 256 различных устройств, имеющих последовательный интерфейс. Производительность шины USB вполне достаточна для подключения таких устройств как клавиатура, мышь, модем, сканер, джойстик, принтер, плоттер, WEB-камера и т. п. Удобство шины заключается в том, что она позволяет подключать и отключать устройства в «горячем режиме», не выключая компьютер. Кроме того, с помощью шины USB можно объединить нескольк