Ibm совместимые персональные компьютеры. IBM PC своими руками — это очень просто

Краткие сведения об IBM РС - совместимых компьютерах

В этом реферате мы постараемся достаточно кратко объяснить некоторые особенности IBM РС-совместимых компьютеров, а также введем некоторые базовые понятия, на которые впоследствии будем не раз ссылаться.

Открытая архитектура (блочно-модульный принцип построения)

Привлекательность IBM РС-совместимых компьютеров заключается в их открытой архитектуре. Это, в частности, означает, что подобные компьютеры имеют модульный принцип построения, то есть их основные узлы и блоки выполнены в виде отдельных модулей. Таким образом, установка новых или замена старых устройств, входящих в состав компьютера, не представляют особых сложностей. Усовершенствование таких компьютеров вполне под силу самим пользователям.

В составе IBM РС-совместимого персонального компьютера можно выделить три основных компонента: системный блок, монитор и клавиатуру. В системном блоке находится вся основная электронная начинка компьютера: блок питания, материнская (системная) плата и приводы накопителей (дисководы) со сменным или несменным носителем. Клавиатура является стандартным устройством ввода информации, позволяющим передавать компьютеру определенные символы или

управляющие сигналы. Монитор (или дисплей) предназначен для отображения на своем экране монохромной или цветной, символьной или графической информации. Все перечисленные выше основные компоненты соединяются друг с другом посредством специальных кабелей с разъемами.

От типа корпуса системного блока зависят, в частности, размеры и размещение используемой системной платы, минимальная мощность блока питания (то есть возможное число, подключаемых устройств) и максимальное количество устанавливаемых приводов накопителей. Корпуса компьютеров бывают напольного (tower) и настольного (desktop) исполнения. Основным отличием этих типов корпусов можно считать различное количество установочных мест для накопителей и соответственно мощность блока питания. Кстати, установочные места (монтажные отсеки) для накопителей могут быть двух типов: с внешним доступом и внутренним доступом. Таким образом, по определению, доступ к накопителям, установленным в монтажные отсеки последнего типа может осуществляться только при открытой крышке корпуса системного блока. Такие установочные места могут использоваться только для накопителей с несменным носителем, например, винчестеров.

Системная плата является основой компьютера и представляет собой плоский лист фольгированного стеклостекстолита, на котором находятся основные электронные элементы: базовый микропроцессор, оперативная память, кварцевый резонатор и другие вспомогательные микросхемы.

В соответствии с принципом открытой архитектуры большая часть

IBM РС-совместимых компьютеров имеет системные платы, которые содержат лишь основные узлы, а элементы связи, например, с приводами накопителей, монитором и другими периферийными устройствами, отсутствуют. В таком

случае эти отсутствующие элементы располагаются на отдельных печатных платах, которые вставляются в специальные разъемы расширения, предусмотренные для этого на системной плате. Эти дополнительные платы называют дочерними, а системную плату - материнской. Функциональные устройства, выполненные на дочерних платах, часто называют контролерами или адаптерами, а сами дочерние платы - платами расширения.

Микропроцессоры и системные шины

В IBM РС-совместимых компьютерах используются только микропроцессоры Intel или их клоны, имеющие подобную архитектуру.

С основными устройствами компьютера микропроцессор связан через так называемую системную шину. По этой шине осуществляется не только передача информации, но и адресация устройств, а также обмен специальными служебными сигналами. Как правило, подключение дополнительных устройств к системной шине производится через разъемы расширения.

Для подключения плат расширения на системной шине компьютеров на базе микропроцессора i8088 (IBM РС и IBM РС/ХТ) используются 62-контактные разъемы. В частности, эта системная шина включает 8 линий данных и 20 адресных линий, которые ограничивают адресное пространство компьютера пределом в

1 Мбайт. В компьютерах PC/AT286 впервые стала применяться новая системная шина ISA (Industry Standart Architecture), по которой можно было передавать параллельно уже 16 разрядов данных, а благодаря 24 адресным линиям напрямую обращаться к 16 Мбайтам системной памяти. Эта системная шина отличается от предыдущей наличием дополнительного З6-контактного разъема для соответствующих плат расширения. Компьютеры на базе микропроцессоров i80386/486 стали применять специальные шины для памяти, что позволило максимально использовать ее быстродействие. Тем не менее некоторые устройства, подключаемые через разъемы расширения системной шины, не могут достичь скорости обмена, сравнимой с микропроцессором. В основном это касается работы с контролерами накопителей и видеоадаптерами. Для решения этой проблемы, стали использовать так называемые локальные (local) шины, которые непосредственно связывают микропроцессор с контролерами этих периферийных устройств. В настоящее время известны две стандартные локальные шины: VL-bus (VESA Local-bus) и PCI (Peripheral Component Interconnect). Для подключения устройств к таким шинам на системной плате компьютера имеются специальные разъемы.

Порты, прерывания, прямой доступ к памяти

Все устройства на системной шине микропроцессор рассматривает либо как адресуемую память, либо как порты ввода-вывода. Вообще говоря, под портом понимают некую схему сопряжения, которая обычно включает в себя один или несколько регистров ввода-вывода (особых ячеек памяти).

О совершении некоего события микропроцессор может узнать по сигналу, называемому прерыванием. При этом исполнение текущей последовательности команд приостанавливается (прерывается), а вместо нее начинает выполняться другая последовательность, соответствующая данному прерыванию. Обычно прерывания подразделяются на аппаратные, логические и программные.

Аппаратные прерывания (IRQ) передаются по специальным линиям системной шины и связаны с запросами от внешних устройств (например, нажатие клавиши на клавиатуре). Логические прерывания возникают при работе самого микропроцессора (например, деление на ноль), а программные инициируются выполняемой программой и обычно используются для вызова специальных подпрограмм.

В первых компьютерах IBM PC использовалась микросхема контролера прерываний i8259 (Interrupt Controller), которая имеет восемь входов для сигналов прерываний (IRQ0-IRQ7). Как известно, в одно и то же время микропроцессор может обслуживать только одно событие и в выборе данного события ему помогает контролер прерываний, который устанавливает для каждого из своих входов определенный уровень важности - приоритет. Наивысший приоритет имеет линия запроса прерывания IRQ0, а наименьший - IRQ7, то есть приоритет убывает в порядке возрастания номера линии. В IBM PC/AT восьми линий прерывания стало уже недостаточно и их количество было увеличено до 15. В первых моделях для этого использовалось каскадное включение двух микросхем i8259. Оно осуществлялось путем подсоединения выхода второго контролера ко входу IRQ2 первого.

Важно для понимания здесь следующее. Линии прерывания IRQ8 - IRQ15 (то есть входы второго контролера) имеют приоритет ниже чем IRQ1, но выше IRQ3.

В режиме прямого доступа (DMA, Direct Memory Access) периферийное устройство связано с оперативной памятью непосредственно, а не через внутренние регистры микропроцессора. Наиболее эффективной такая передача данных бывает в ситуациях, когда требуется высокая скорость обмена для большого количества информации. Для инициализации процесса прямого доступа на системной шине используются соответствующие сигналы.

В компьютерах, совместимых с IBM РС и PC/XT, для организации прямого доступа в память используется одна 4-канальная микросхема DMA i8237, канал 0 которой предназначен для регенерации динамической памяти. Каналы 2 и 3 служат для управления высокоскоростной передачей данных между дисководами гибких дисков, винчестером и оперативной памятью соответственно.

IBM PC/AT-совместимые компьютеры имеют 7 каналов прямого доступа к памяти. В первых компьютерах это достигалось каскадным включением двух микросхем i8237, как и в случае контролеров прерываний.

Память компьютера

Все персональные компьютеры используют три вида памяти: оперативную, постоянную и внешнюю (различные накопители). Оперативная память предназначена для хранения переменной информации, так как она допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения микропроцессором соответствующих операций. Поскольку в любой момент времени доступ может осуществляться к произвольно выбранной ячейке, то этот вид памяти называют также памятью с произвольной выборкой - RAM (Random Access Memory).

Все программы, в том числе и игровые, выполняются именно в оперативной памяти. Постоянная память обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в течение длительного времени. Постоянная память имеет собственное название - ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, что ею обеспечиваются только режимы считывания и хранения.

Логическая организация памяти

Как известно, используемый в IBM РС, PC/XT микропроцессор i8088 через свои 20 адресных шин предоставляет доступ всего к 1-Мбайтному пространству памяти. Первые 640 Кбайт адресуемого пространства в IBM РС-совместимых компьютерах называют обычно стандартной памятью (conventional memory). Оставшиеся 384 Кбайта зарезервированы для системного использования и носят название памяти в верхних адресах (UMB, Upper Memory Blocks, High DOS Memory или UM Area - UMA).Эта область памяти резервируется под размещение системной ROM BIOS (Read Only Memory Basic Input Output System), под видеопамять и ROM-память дополнительных адаптеров.

Дополнительная (expanded) память

Почти на всех персональных компьютерах область памяти UMB редко оказывается заполненной полностью. Пустует, как правило, область расширения системного ROM BIOS или часть видеопамяти и области под дополнительные модули ROM. На этом и базируется спецификация дополнительной памяти EMS (Ехpanded Memory Specification), впервые разработанная фирмами Lotus Development, Intel и Microsoft (поэтому называемая иногда LIM-cпeцификацией). Эта спецификация позволяет использовать оперативную память свыше стандартных 640 Кбайт для прикладных программ. Принцип использования дополнительной памяти основан на переключении блоков (страниц) памяти. В области UMB, между видеобуфером и системным RGM BIOS, выделяется незанятое 64-Кбайтное "окно", которое разбито на страницы. Программные и аппаратные средства позволяют отображать любой сегмент дополнительной памяти в любую из выделенных страниц "окна(TM). Хотя микропроцессор всегда обращается к данным, хранимым в "окне" (адрес ниже 1 Мбайта), адреса этих данных могут быть смещены в дополнительной памяти относительно "окна" на несколько мегабайт (см. рис. 1).

В компьютерах на процессоре i8088 для реализации дополнительной памяти должны применяться специальные платы с аппаратной поддержкой "подкачки" блоков (страниц) памяти и соответствующий программный драйвер. Разумеется, платы дополнительной памяти могут устанавливаться и в компьютер на базе процессоров i80286 и выше.

Расширенная (extended) память

Компьютеры, использующие процессор l80286 с 24-разрядными адресными шинами, физически могут адресовать 16 Мбайт, а в случае процессоров i80386/486 - 4 Гбайта памяти. Такая возможность имеется только для защищенного режима работы процессора, который операционная система MS-DOS не поддерживает. Расширенная память (extended) располагается выше области адресов 1 Мбайт (не надо путать 1 Мбайт ОЗУ и 1 Мбайт адресного пространства). Для работы с расширенной памятью микропроцессор должен переходить из реального в защищенный режим и обратно. В отличие от l80286 микропроцессоры i80386/486 выполняют эту операцию достаточно просто, именно поэтому для них в составе MS-DOS имеется специальный драйвер - менеджер памяти ЕММ386 (см. рис. 2).

Кстати, при наличии соответствующего драйвера расширенную память можно эмулировать как дополнительную. Аппаратную поддержку в этом случае должен обеспечивать микропроцессор не ниже i80386 или вспомогательный набор специальных микросхем (например, наборы NEAT фирмы Chips and Technologies). Следует заметить, что многие платы памяти, поддерживающие стандарт LIM/EMS, могут использоваться также и в качестве расширенной памяти.

	Expanded- память
	Область HMA		Область НМА - память

	Системный ROM BIOS

	Расширение ROM BIOS
			" Окно EMS "

	Hard Disk ROM BIOS

	EGA/VGA ROM BIOS
			Видеопамять
	Дисплей CGA

	Монохромный дисплей
	Дисплей EGA/VGA
			Драйвер ЕМM.SYS
	TSR-прогрсммы


Рис. 1 Дополнительная память		Рис. 2 Расширенная память

Кэш-память

Кэш-память предназначена для согласования скорости работы сравнительно медленных устройств, таких, например как динамическая память с быстрым микропроцессором. Использование кэш-памяти позволяет избежать циклов ожидания в его работе, которые снижают производительность всей системы.

С помощью кэш-памяти обычно делается попытка согласовать также работу внешних устройств, например, различных накопителей, и микропроцессора. Соответствующий контролер кэш-памяти должен заботиться о том, чтобы команды и данные, которые будут необходимы микропроцессору в определенный момент времени, именно к этому моменту оказывались в кэш-памяти.

Запоминающие устройства

Запоминающие устройства можно классифицировать по следующим критериям:

по типу запоминающих элементов

по функциональному назначению

по типу способу организации обращения

по характеру считывания

по способу хранения

по способу организации

По типу запоминающих элементов

Полупроводниковые

Магнитные

Конденсаторные

Оптоэлектронные

Голографические

Криогенные

По функциональному назначению

По типу способу организации обращения

С последовательным поиском

С прямым доступом

Адресные

Ассоциативные

Стековые

Магазинные

По характеру считывания

С разрушением информации

Без разрушения информации

По способу хранения

Статические

Динамические

По способу организации

Однокоординатные

Двухкоординатные

Трехкоординатные

Двух- трехкоординатные

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://referat2000.bizforum.ru/

Итак, почему современные настольные компьютеры (за исключением компьютеров фирмы Apple) до сих пор величают IBM-совместимыми, хотя доля ПК, произведенных непосредственно самой фирмой IBM, достаточно мала? Дело в том, что только фирма IBM на заре производства персональной компьютерной техники в своем варианте компьютера продекларировала принцип «открытой архитектуры». Это означало, что фирма IBM, в отличие от всех других производителей, не была намерена делать секрета из того, что именно находится внутри ее персональных
компьютеров, а главное - она открыто поощряла другие фирмы как выпускать комплектующие для IBM-совместимых компьютеров, так и производить точно такие же компьютеры, которые с того момента и стали называться IBM-совместимыми

Именно благодаря такой политике IBM-совместимые компьютеры плотно оккупировали рынок, совершенно вытеснив всех имеющихся на тот момент конкурентов, коих было немало: многие
совершенно случайно фирмы выпускали свои собственные персональные компьютеры, архитектура которых была совершенно закрытой- Commodore, Olivetti...

Однако парадокс заключался в том, что, подарив миру IBM-совместимые компьютеры, сама фирма достаточно быстро потеряла главенствующие позиции в их производстве. Пользуясь полностью открытой и хорошо документированной архитектурой этих машин, различные производители стали выпускать свои собственные модификации, которые часто были намного лучше IBM моделей, в результате чего на арену вышли такие известные фирмы, как Compaq, Hewlett Packard, Acer, Dell и прочие.

Кроме того, открытость архитектуры привела к появлению так называемых Noname (безымянных) компьютеров, которые, как игрушечный компьютер, были составлены из комплектующих совершенно различных, не слишком известных производителей. Впрочем, нужно отметить, что практически все из так называемых brand-name (бренд-нейм - известная марка) компьютеров собираются из комплектующих различных фирм. А задача фирмы, которая ставит свою марку, - обеспечить подбор этих комплектующих и высокий контроль качества.

Существует, впрочем, один-единственный, совершенно отдельный тип персональных компьютеров, который не является IBM-совместимым. Это компьютеры фирмы Apple, которые производит только она. Apple-компьютеры нередко используются как персональные машины, но основное их предназначение - издательство и полиграфия.

Не следует забывать, что хотя IBM PC – совместимые компьютеры и являются наиболее популярными, занимая львиную долю рынка, существуют и динамично развиваются коспьютеры, в которых нет процессоров линейки х86. В частности, компьютеры, не совместимые с IBM PC – ноутбуки и карманные персональные компьютеры (КПК) с процессорами разработки компаний Motorola и IBM, игровые приставки марки Playstation, обладают совсем другой внутренней архитектурой и собираются на чипах, которые разрабатываются специально для них. Хотя внешне, например, отличить ноутбук на процессоре корпорации Intel от фирменного ноутбука Apple, в котором использован процессор корпорации Motorola, практически невозможно.

Кроме того, следует упомянуть об игровой приставке Playstation 3, которая осенью 2007 года появилась в массовых количествах. В ее конструкции используется 9-ядерный процессор Cell разработки корпорации IBM. При скромной цене и габаритах ее возможности создавать на экране монитора или телевизора виртуальный мир значительно выше, чем у самых навороченных персональных компьютеров с процессорами линейки х86.

Структурная схема микропроцессора

Структурная схема базовой модели микропроцессора приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема микропроцессора

Условно микропроцессор можно разделить на две части: исполнительный блок (Execution Unit - EU) и устройство сопряжения с системной магистралью (Bus Interface Unit - ВIU).

В исполнительном блоке находятся: арифметический блок и регистры. Арифметический блок включает арифметико-логическое устройство, вспомогательные регистры для хранения операндов и регистр флагов.

Восемь регистров исполнительного блока МП (АХ, ВХ, СХ, DX, SP, ВР, SI, DI), имеющих длину, равную машинному слову, делятся на две группы. Первую группу составляют регистры общего назначения: АХ, ВХ, СХ и DX, каждый из которых представляет собой регистровую пару, составленную из двух регистров длиной в 0.5 машинного слова.

Аккумулятор, или регистр АХ, состоит из регистров АН и AL. Регистр базы (Base Register) ВХ состоит из регистров ВН и BL. Счетчик (Count Register) СХ включает регистры СН и CL. Регистр данных (Data Register) DX содержит регистры DH и DL. Каждый из коротких регистров может использоваться самостоятельно или в составе регистровой пары. Условные названия (аккумулятор, регистр базы, счетчик, регистр данных) не ограничивают применения этих регистров - эти названия говорят о наиболее частом использовании их или об особенности использования того или иного регистра в той или иной команде.

Вторую группу составляют адресные регистры SP, BP, SI и DI (в старших моделях количество адресных регистров увеличено). Эти регистры активно используются по функциональному назначению и в других целях их применятъ не рекомендуется. Основное их назначение - хранить числовые значения, реализуемые при формировании адресов операндов.

Устройство сопряжения с системной магистралью содержит управляющие регистры, конвейер команд, АЛУ команд, устройство управления исполнительным блоком МП и интерфейс памяти (соединяющий внутреннюю магистраль МП с системной магистралью ЭВМ).

Управляющие регистры BIU: CS (указатель командного сегмента), DS указатель сегмента данных), SS (указатель сегмента стека), ES (указатель дополнительного сегмента) и др. служат для определения физических адресов ОП - операндов и команд. Регистр IP (Instruction Pointer) является указателем адреса команды, которая будет выбираться в конвейер команд в качестве очередной команды (в отечественной литературе такое устройство называется счетчик команд). Конвейер команд МП хранит несколько команд, что позволяет при выполнении линейных программ совместить подготовку очередной команды с выполнением текущей.

К управляющим регистрам МП относится и регистр флагов, каждый разряд которого имеет строго определенное назначение. Обычно разряды регистра флагов устанавливаются аппаратно при выполнении очередной операции в зависимости от получаемого в АЛУ результата. При этом фиксируются такие свойства получаемого результата, как нулевой результат, отрицательное число, переполнение разрядной сетки АЛУ и т.д. Но некоторые разряды регистра флагов могут устанавливаться по специальным командам. Некоторые разряды имеют чисто служебное назначение (например, хранят разряд, выпавший из АЛУ во время сдвига, или являются резервными (т.е. не используются).

Открытая архитектура (блочно-модульный принцип построения)

В соответствии с принципом открытой архитектуры большая часть

Микропроцессоры и системные шины

Порты, прерывания, прямой доступ к памяти

Память компьютера

Логическая организация памяти

Дополнительная (expanded) память