Тема 1

Устройство и элементная база основных программно аппаратных модулей компьютера

Вопросы:

1. Архитектура современного компьютера.

2. BIOS и его назначение.

3. Специфика 32- и 64-битных платформ.

4. Основные аппаратные интерфейсы для связи с внешними устройствами.

1. Архитектура современного

компьютера Архитектура

структура

ЭВМ

— концептуальная вычислительной машины, определяющая информации и проведение включающая обработки методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.

Классификация:

по разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-,16-,32-,64-, 128-разрядные;

по особенностям набора регистров, формата команд и данных:

-CISC (Complicated Instruction Set Computers – компьютеры с усложненной системой команд); -RISC (Reduced Instruction упрощенной системой команд); Set Computers – компьютеры с -VLIW (Very Long Instruction Word – компьютеры с широким командным словом); -EPIC (Explicit Parallelism Instruction Computers – компьютеры с явным распараллеливанием); -Multi-core computers (многоядерные компьютеры); -Hybrid processor процессорами), computers (компьютеры с гибридными по количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные;

Рис 1.1 Иерархическая структура программно аппаратных средств компьютера

• •

Интерпретация

– покомандное выполнение программы интерпретатором без предварительной компиляции, «на лету».

Трансляция программы — преобразование

программы, представленной на одном из языков программирования, транслятором в программу на другом языке.

Аппаратное обеспечение компьютера (Hardware – Железо ПК).

• • Шина - подсистема, которая передаёт данные между функциональными блоками компьютера.

Обычно шина управляется драйвером. В отличие от связи точка-точка, к шине можно подключить несколько устройств по одному набору проводников.

Каждая шина набор коннекторов (соединений) для физического подключения устройств и кабелей.

определяет свой Контроллер - устройство управления в электронике и вычислительной технике, например контроллер прерываний, микроконтроллер, системный контроллер и т.д.

• • • • • • • • • Южный мост (контроллер-концентратор ввода-вывода). Функционально южный мост включает в себя: контроллеры шин PCI, PCI Express… DMA контроллер; контроллер прерываний; PATA (IDE) и SATA контроллеры; часы реального времени (Real Time Clock); управление питанием; энергонезависимую память BIOS (CMOS); звуковой контроллер; Ethernet, USB-контроллеры и т.д.

Это микросхема, которая реализует «медленные» взаимодействия на материнской плате между чипсетом материнской платы и её компонентами.

Северный мост (системный контроллер), также известен как контроллер-концентратор памяти от англ. Memory Controller Hub (MCH) — один из основных объем моста и элементов скорость является чипсета компьютера, отвечающий за работу с процессором, памятью и видеоадаптером. Северный мост определяет частоту системной шины, возможный тип оперативной памяти (SDRAM, DDR, другие), её максимальный обмена обеспечение информацией с процессором. Северный мост связывает южный мост с ЦПУ. Одной из основных функций северного взаимодействия системной платы и процессора, а также определение скорости работы. Частью северного моста во многих современных материнских платах является встроенный видеоадаптер.

Центральный процессор (CPU) - central

processing unit -

электронный блок либо микросхема— аппаратного исполнитель машинных инструкций (кода программ), главная часть обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера.

Под производительностью понимается в данном случае тактовая частота процессора

(ядра) – время выполнения им одной самой

простой машинной команды. Однако есть и другие важные факторы, определяющие общую производительность системы, - тактовая частота памяти и системной шины.

• • • • • Оперативная память - энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой временно хранятся данные и команды, необходимые процессору для выполнения им операции.

Порты – устройства с разъемами для подключения к компьютеру внешних устройств. Каждый порт имеет свой контроллер (и, соответственно, свой драйвер).

Триггер — один из базовых (основных) элементов цифровой техники.

Класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов. Предназначен для хранения одного бита информации, то есть лог. 0 или лог. 1.

Регистр процессора — сверхбыстрая память внутри процессора, предназначенная для хранения адресов и промежуточных результатов вычислений (регистр общего назначения/регистр данных) или данных, необходимых для работы самого процессора.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) (англ. arithmetic and logic unit, ALU) — блок процессора, который под управлением устройства управления (УУ) служит для выполнения арифметических и логических преобразований.

• •

Операционная система, сокр. ОС (англ. operating system, OS)

— комплекс управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс между устройствами управления вычислительной устройствами, надёжных вычислений.

системы управления и прикладными программами, а с другой стороны — предназначены для вычислительными процессами, эффективного распределения вычислительных ресурсов между вычислительными процессами и организации Операционная среда – это программная среда, образуемая операционной системой, определяющая интерфейс прикладного путем программирования (API) как множество системных функций и сервисов (системных вызовов), которые предоставляются прикладным программам. Операционная среда может включать несколько интерфейсов прикладного программирования. Кроме основной операционной среды, называемой естественной (native), могут быть организованы эмуляции (моделирования) дополнительные программные среды, позволяющие выполнять приложения, которые рассчитаны на другие операционные системы и даже другие компьютеры.

2. BIOS и его назначение.

BIOS (Basic I/O System) - базовая система ввода-вывода — реализованная в виде микропрограмм - часть системного программного обеспечения, которая предназначается для обеспечения операционной системы API доступа к аппаратуре компьютера и подключенным к нему устройствам.

• • • • •

Назначение:

Инициализация и проверка работоспособности аппаратуры; Конфигурирование оборудования; Загрузка операционной системы; Содержит доступные без загрузки ОС утилиты; Содержит простейшие драйвера.

Обычно BIOS размещается в микросхеме ПЗУ (ROM), размещенной на материнской плате компьютера (поэтому этот чип часто называют ROM BIOS). Эта технология позволяет BIOS всегда быть доступным, несмотря на повреждения, например, дисковой системы. Это также позволяет компьютеру самостоятельно загружаться.

Поскольку доступ осуществляется значительно быстрее, чем к ROM, многие производители к RAM компьютеров (оперативной создают системы копирование BIOS из ROM в оперативную память.

памяти) таким образом, чтобы при включении компьютера выполнялось

3. Специфика 32- и 64-битных платформ.

x64 — 64-битная аппаратная платформа (чипсет, архитектура микропроцессора разрядных приложений.

и команд), разработанная компанией AMD для выполнения 64 Процессоры архитектуры поддерживают два режима работы: Long mode («длинный» режим) и Legacy mode («наследственный», режим совместимости с x86).

«Длинный» режим — «родной» для процессоров AMD64.

Этот режим дает возможность воспользоваться AMD64.

Для всеми дополнительными преимуществами, предоставляемыми архитектурой использования этого режима необходима 64-битная операционная система

• • Этот режим позволяет выполнять 64-битные программы; также (для обратной совместимости) предоставляется поддержка выполнения 32-битного кода, например, 32 битных приложений, хотя 32-битные программы не смогут использовать 64-битные системные библиотеки, и наоборот.

Чтобы справиться с этой проблемой, большинство 64 разрядных операционных систем предоставляют два набора необходимых системных файлов: один — для родных 64 битных приложений, и другой — для 32-битных программ.

Основной отличительной особенностью AMD64 является поддержка 64-битных регистров общего назначения, 64 битных арифметических и логических операций над целыми числами и 64-битных виртуальных адресов. Для адресации новых регистров для команд введены так называемые «префиксы расширения регистра», для которых был выбран диапазон кодов 40h-4Fh, использующихся для команд INC <регистр> и DEC <регистр> в 32-битных режимах. Команды INC и DEC в 64-битном режиме должны кодироваться в более общей, двухбайтовой форме.

• • • • •

Архитектура x86-64 имеет:

16 целочисленных 64-битных регистра общего назначения (RAX, RBX, RCX, RDX, RBP, RSI, RDI, RSP, R8 — R15); 8 80-битных регистров с плавающей точкой (ST0 — ST7); 8 64-битных регистров Multimedia Extensions (MM0 — MM7, имеют общее пространство с регистрами ST0 — ST7); 16 128-битных XMM15); регистров SSE (XMM0— 64-битный указатель RIP и 64-битный регистр флагов RFLAGS.

4. Основные аппаратные интерфейсы для связи с внешними устройствами.

Аппаратный интерфейс определяет способ взаимодействия аппаратных компонентов ПК.

COM -

двунаправленный Последовательным битом.

данный последовательный порт называется интерфейс.

потому, что информация через него передаётся по одному биту, бит за LPT - параллельный порт — тип интерфейса, разработанный для компьютеров (персональных двунаправленный вариант и других) для порта, который подключения различных периферийных устройств. В вычислительной технике параллельный порт является физической реализацией принципа параллельного соединения. Стандарт IEEE 1284 определяет позволяет одновременно передавать и принимать биты данных.

USB - Universal Serial Bus — «универсальная последовательная шина» — последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств в вычислительной технике. Символом USB являются четыре геометрические фигуры: большой круг, малый круг, треугольник и квадрат, расположенные на концах древовидной блок-схемы.

• • Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырёхпроводный кабель, при этом два встроенным провода линиям (витая питания USB пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода — для питания периферийного устройства. Благодаря позволяет подключать устройства периферийные без собственного источника питания (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна превышать 500 мА, у USB 3.0 — 900 мА). Кабель USB состоит из 4 медных проводников — 2 проводника питания и 2 проводника данных в витой паре, и заземленной оплётки (экрана).

Первые спецификации для представлены в 1994—1995 гг.

USB 1.0

были

• • • • • • • • •

USB 1.0

Спецификация выпущена 15 января 1996 года.

Технические характеристики: два режима данных: – – режим с высокой пропускной способностью (Full-Speed) — 12 Мбит/с режим с низкой пропускной способностью (Low-Speed) — 1,5 Мбит/с максимальная длина кабеля для режима с высокой пропускной способностью — 5 м максимальная длина кабеля для режима с низкой пропускной способностью — 3 м максимальное количество подключённых устройств (включая размножители) — 127 возможно подключение устройств, работающих в режимах с различной пропускной способностью к одному контроллеру USB напряжение питания для периферийных устройств — 5 В максимальный ток, устройством — 500 мА потребляемый периферийным

• • • • • • •

USB 2.0

Логотип USB 2.0 High Speed Спецификация выпущена в апреле 2000 года.

USB 2.0 отличается от USB 1.1 введением режима Hi speed.

Для устройств USB 2.0 регламентировано три режима работы: Low-speed, джойстики) 10—1500 Кбит/c (клавиатуры, мыши, Full-speed, 0,5—12 Мбит/с (аудио-, видеоустройства) Hi-speed, 25—480 Мбит/с (видеоустройства, устройства хранения информации) Спецификация USB 3.0 повышает максимальную скорость передачи информации до 4,8 Гбит/с — что на порядок больше 480 Мбит/с, которые может обеспечить USB 2.0.

Таким образом, скорость передачи возрастает с 60 Мбайт/с до 600 Мбайт/с.

• • •

Совместимость

Все разъемы и вилки USB 3.0 Тип А совместимы со всеми USB 2.0

Тип А устройствами.

К разъемам USB 3.0 Тип A подходят вилки USB 2.0 и более ранние. А вот вилку USB 3.0 Тип B вставить в USB 2.0 не получится.

eSATAp (eSATA/USB) порты также совместимы с USB 2.0

устройствами.

USB 3.0

VGA -

построчно, 15-контактный аналоговых мониторов по стандарту VGA. VGA передаёт сигнал при этом светового пятна на экране).

разъём изменение для подключения напряжения означает изменение яркости (напряжение сигнала составляет 0,7–1 В), для ЭЛТ оно означает изменение интенсивности луча электронных пушек кинескопа (и, соответственно, яркость

Digital Visual

видеоинтерфейс) Interface, — сокр.

стандарт

DVI

на (англ.

цифровой

интерфейс соответствующий разъём, предназначенный для передачи видеоизображения на цифровые устройства отображения, такие как жидкокристаллические мониторы и проекторы.

и High-Definition Multimedia Interface (HDMI) —интерфейс для мультимедиа высокой чёткости, позволяющий передавать цифровые копирования.

видеоданные высокого разрешения и многоканальные цифровые аудиосигналы с защитой от