Архитектура IBM PC

               BINAC. США, апрель или август 1949 года;

               CSIR Mk 1. Австралия, ноябрь 1949 года;

               SEAC. США, 9 мая 1950 года.

 

2.Основная часть

История создания. Принцип  архитектуры IBM PC

Архитектура IBM PC использует архитектуру фон Неймана.

         Распространение персональных компьютеров к концу 70-х го-дов  привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и миниЭВМ. Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IBM (International Bussines Machines Corporation) ведущей компании по производству больших ЭВМ, и в 1979 году фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров.

         Однако руководство фирмы недооценило будущую важность этого рынка и рассматривало создание компьютера всего лишь как мелкий эксперимент что-то вроде одной из десятков проводившихся в фирме работ по созданию нового оборудования.

         Чтобы не тратить  на этот эксперимент слишком много денег, руководство фирмы предоставило подразделению ,ответственному за данный проект, невиданную в фирме свободу. В частности, ему было разрешено не конструировать персональный компьютер "с нуля", а использовать блоки, изготовленные другими фирмами. И это подразделение сполна использовало предоставленный шанс.

         Прежде всего, в качестве основного микропроцессора компьютера был выбран новейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intel-8088.

         Его использование  позволило значительно увеличить потенциальные возможности компьютера, так как новый микропроцессор позволял работать с 1 Мбайтом памяти, а все имевшиеся тогда компьютеры были ограничены 64 Кбайтами. В компьютере были использованы и другие комплектующие различных фирм, а его программное обеспечение было поручено разработать небольшой фирме Microsoft.

         В августе 1981 года новый компьютер под названием IBM PC был официально представлен публике и вскоре после этого он приобрел большую популярность у пользователей. Через один-два года компьютер IBM PC занял ведущее место на рынке, вытеснив модели 8-битовых компьютеров. Фактически IBM PC стал стандартом персонального компьютера. Сейчас такие компьютеры ("совместимые с IBM PC") составляют около 90% всех производимых в мире персональных компьютеров.

         В основу архитектуры IBM PC-компьютеров положен принцип  шинной организации связей между процессором и остальными компонентами компьютера. Хотя с тех пор неоднократно менялись типы используемых шин и их устройство, но архитектура основной принцип внутренней организации компьютера осталась без изменений. Устройство компьютера изображено на схеме ниже.

         Центральный процессор (CPU) является ядром компьютерной системы. Связь с остальными компонентами осуществляется посредством внешней  шины процессора. Внутри процессора имеются  шины для взаимодействия между собой  АЛУ, устройства управления и регистров памяти. Внешняя шина процессора состоит из линий, по которым передаются данные, адреса (указывающие, откуда берутся и куда передаются эти данные) и команды управления. Поэтому общая шина подразделяется на шину данных, шину адреса и шину управления. По каждой линии может передаваться один бит данных, адреса или команды управления. Количество линий в шине называется разрядностью шины. Разрядность шины определяет максимальное количество одновременно передаваемых бит, отчего в свою очередь зависит общая производительность компьютера. То есть чем больше разрядность шины, тем больше данных одновременно может передаваться, тем выше производительность. Вторым параметром, влияющим на производительность, является скорость передачи данных по шине, которая определяется тактовой частотой шины.

         Частота шины достаточно важная характеристика, но все же не определяющая производительность компьютера. Наиболее важными параметрами для  общей производительности компьютера являются тактовая частота и разрядность  центрального процессора. И это естественно по многим причинам. Именно процессор выполняет основные задачи по обработке данных, часто инициирует и управляет обменом данных. Тактовая частота определяет скорость выполнения операций, а разрядность количество данных, обрабатываемых в процессе одной операции.  
 
 
 
 
 

         Блок-схема устройства компьютера

         

         Поскольку данные в  процессе работы хранятся в оперативной  памяти, важным параметром является скорость записи в память и чтения из памяти, определяемая как время доступа к памяти. Если в процессе работы CPU приходится считывать данные и программы с внешних устройств и накопителей, на общее быстродействие начинает влиять скорость обмена данными, обеспечиваемая контроллером устройства, и быстродействие самого устройства.

         Из внешних устройств  очень большое влияние на производительность мультимедийного компьютера оказывает  видеоконтроллер или видеокарта. При большом потоке видеоданных, используемом в современных играх, требуются быстродействующие видеокарты с видеоускорителями, или акселераторами.

         Кроме рассмотренных  устройств немаловажную роль играют: BIOS (базовая система ввода-вывода) и набор системных программ, определяющий многие параметры взаимодействия элементов компьютера. BIOS записывается и хранится в микросхеме постоянной памяти. В современных компьютерах для этих целей применяются микросхемы на основе флэш-технологии, позволяющие многократно перепрограммировать или, как говорят, перепрошивать BIOS.

         К одной из микросхем  или, как часто говорят, чипе хранятся установки конфигурации компьютера и показания часов реального  времени. Выполняется эта микросхема по технологии CMOS, характеризующейся  малым энергопотреблением. Для сохранения конфигурационных данных и обеспечения хода часов реального времени после выключения компьютера микросхема питается от встроенного в материнскую плату аккумулятора.

         Такой принцип построения компьютера сохранен и по сей день. Хотя, используя современную элементную базу, на материнской плате можно разместить большую часть компонентов компьютера.

         Одной из основных оригинальных идей архитектуры была ее открытость.

         Доступность спецификации стандартной системной шины ISA позволяло третьим фирмам производить комплектующий платы расширения. В конце концов эта возможность вознесла Архитектуру IBM PC на вершину популярности.  

3 Реализация архитектуры.

Составные части IBM PC. 

ОСНОВНЫЕ БЛОКИ IBM PC 

         Обычно персональные компьютеры IBM PC состоят из трех частей (блоков) :

• системного блока;
• клавиатуры,позволяющей вводить символы в компьютер;
• монитора (или дисплея) для изображения текстовой и графической информации.

 

         Компьютеры выпускаются и в портативном варианте (ноутбук) исполнении. Здесь системный блок, монитор и клавиатура заключены в один корпус: системный блок спрятан под клавиатурой, а монитор сделан как крышка к клавиатуре.

         Хотя из этих частей компьютера системный блок выглядит наименее эффектно, именно он является в компьютере "главным". В нем располагаются все основные узлы компьютера:

• электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессор, оперативная память,контроллеры устройства и т.д.);
• блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;
• дисководы для записи информации с/на переносные носители – дисководы оптических (или даже магнитных) дисков. Даже означает в данном случае архаичность последних.
• накопитель на жестом магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на несъемный жесткий магнитный диск (винчестер).

 

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ  УСТРОЙСТВА 

         К системному блоку компьютера IBM PC можно подключать различные устройства ввода-вывода информации, расширяя тем самым его функциональные возможности. Многие устройства подсоединяются через специальные гнезда (разъемы), находящиеся обычно на задней стенке системного блока компьютера. Кроме монитора и клавиатуры,такими устройствами являются:

• принтер для вывода на печать текстовой и графической информации;
• мышь устройство,облегчающее ввод информации в компьютер;
• джойстик манипулятор в виде укрепленной на шарнире ручки кнопкой, употребляется в основном для компьютерных игр;

         Некоторые устройства могут вставляться внутрь системного блока компьютера, например:

• модем для обмена информацией с другими компьютерами через телефонную сеть;
• факс-модем сочетает возможность модема и телефакса;

 

ЛОГИЧЕСКОЕ  УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРА 

         МИКРОПРОЦЕССОР. Самым главным элементом в компьютере, его "мозгом", является микропоцессор небольшая (в несколько сантиметров) электронная схема,выполняющая все вычисления и обработку информации. Микропроцессор умеет производить сотни различных операций и делает это со скоростью в несколько десятков или даже сотен миллионов операций в секунду. В компьютерах типа IBM PC используются микропроцессоры фирмы Intel,а также совместимые с ними микропроцессоры других фирм (AMD,Cyrix,IBM и др.).

          СОПРОЦЕССОР. В тех случаях,когда на компьютере приходится выполнять много математических вычислений (например,в инженерных расчетах),к основному микропроцессору добавляют математический сопроцессор. Он помогает основному микропроцессору выполнять математические операции над вещественными числами. Новейшие микропроцессоры фирмы Intel (80486 и Pentium) сами умеют выполнять операции над вещественными числами, так что для них сопроцессоры не требуются.

         ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ. Следующим очень важным элементом компьютера является оперативная память. Именно из нее процессор и сопроцессор берут программы и исходные данные для обработки,в нее они записывают полученные результаты. Название "оперативная" эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память. Однако содержащиеся в ней данные сохраняются только пока компьютер включен, при выключении компьютера содержимое оперативной памяти стирается .

         КОНТРОЛЛЕРЫ И ШИНА. Чтобы компьютер мог работать, необходимо, чтобы в его оперативной памяти находились программа и данные. А попадают они туда из различных устройств компьютера клавиатуры, дисководов и т.д. Обычно эти устройства называют внешними, хотя некоторые из них могут находиться не снаружи компьютера,а встраиваться внутрь системного блока, как это описывалось выше. Результаты выполнения программ выводятся на внешние устройства монитор, диски,принтер и т.д. Таким образом, для работы компьютера необходим обмен информацией между оперативной памятью и внешними устройствами. Такой обмен называется вводом-выводом.

         Но этот обмен  не происходит непосредственно: между любым внешним устройством и оперативной памятью в компьютере имеются целых два промежуточных звена :

• Для каждого внешнего устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером или адаптером. Некоторые контроллеры (например контроллер дисков) могут управлять сразу несколькими устройствами.
• Системная магистраль (шина). Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных,которую в просторечии обычно называют шиной.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПЛАТЫ.

         Для упрощения подключения устройств электронные схемы IBM PC состоят из нескольких модулей электронных плат. На основной плате компьютера системной, или материнской, плате обычно располагаются основной микропроцессор, сопроцессор, оперативная память и шина.