Что такое системная шина в компьютере. Типы, назначение и функционирование шин

Знать строение компьютера обычному пользователю совершенно не обязательно. Но если вы хотите считать себя продвинутым пользователем, который без труда справляется с любой поставленной компьютерной задачей, да к тому же собирается в ближайшем будущем самостоятельно собрать свой первый системный блок, то подобные знания просто необходимы.

Функционирование компьютера невозможно без наличия в нем хотя бы одной из перечисленных ниже систем:

1. Процессора.
2. Видеоплаты.
3. Оперативного запоминающего устройства.

Но даже все эти компоненты в совокупности не смогут функционировать. Для этого необходимо организовать между ними связь, посредством которой осуществлялись бы логические и вычислительные операции. Подобные системы связи организуют системные шины компьютера. Поэтому можно сказать, что это еще один незаменимый компонент системного блока.

Системная шина

Системная шина - это совокупность путей передачи данных, которые обеспечивают взаимосвязанную работу между остальными элементами компьютера: процессором, видеоадаптером, жесткими дисками и другими компонентами. Данное устройство состоит из нескольких уровней:

• механического;
• электрического или физического;
• логического и уровня управления.

Первостепенное деление системных шин

Деление шин основывается на нескольких факторах. Первенствующим показателем является месторасположение. Согласно этому показателю шины бывают:

1. Внутренними, которые обеспечивают взаимосвязь внутренних компонентов системного блока, таких как процессор, ОЗУ, материнская плата. Такая системная шина называется еще локальной, так как служит для связи местных устройств.
2. Внешними, которые служат для подключения наружных устройств (адаптеров, флеш-накопителей) к материнской плате.

В самом общем случае системной шиной можно назвать любое устройство, которое служит для объединения в одну систему нескольких устройств. Даже сетевые подключения, например, сеть Интернет, в некотором роде является системной шиной.

Самая важная система связи

Вся деятельность, которую мы осуществляем посредством компьютера - создание разнообразных документов, воспроизведение музыки, запуск компьютерных игр - была бы невозможна без процессора. В свою очередь, микропроцессор не смог бы выполнять свою работу, если бы не имел каналов связи с другими важными элементами, такими как ОЗУ, ПЗУ, таймеры и разъема ввода-вывода информации. Именно для обеспечения этой функции в компьютере имеется системная шина процессора.

Быстродействие компьютера

Для функционирования микропроцессора в состав системы каналов связи входит сразу несколько шин. Это шины:

Количество представленных типов системных каналов связи процессора может быть от одного и более. Причем считается, что чем больше шин установлено, тем больше общая производительность компьютера.

Важным показателем, который также затрагивает производительность ПК, является пропускная способность системной шины. Она определяет скорость передачи информации между локальными системами электронно-вычислительной машины. Рассчитать ее довольно просто. Необходимо лишь найти произведение между тактовой частотой и количеством информации, то есть байт, которая передается за один такт. Так, для давно устаревшей шины ISA пропускная способность составит 16 Мбайт/с, для современной шины PCI Express это значение будет находиться на отметке в 533 Мбайт/с.

Виды компьютерных шин

История компьютерной техники насчитывает уже не одно десятилетие. Совместно с развитием новых компонентов разрабатывались и новые типы системных шин. Самым первым таким каналом связи была система ISA. Этот компонент компьютера обеспечивает передачу данных на довольно медленной скорости, но ее достаточно для одновременного функционирования клавиатуры, монитора и некоторых других компонентов.

Несмотря на то что она была изобретена более полувека назад, данная системная шина активно применялась и в настоящее время, уверенно конкурируя с более современными представителями. Это смогло осуществиться благодаря выпуску большого количества расширений, которые увеличивали ее функционал. Лишь в последние годы процессоры стали выпускаться без использования ISA.

Современные системные шины

Шина VESA стала новым словом в области компьютерной техники. Разработанная специально для непосредственного подключения внешних устройств к самому процессору, она и по сей день обладает высокими показателями скорости передачи информации и обеспечивает высокую производительность процессора.

Но подобная система каналов связи не в состоянии обеспечить надлежащее функционирование микропроцессора. Поэтому она внедряется в систему совместно с ISA и выступает в роли еще одного расширения.

Вот и вся краткая справочная информация, которая должна пролить свет на один из важнейших компонентов современных компьютеров. Следует сказать, что здесь представлена лишь малейшая частичка информации о компьютерных шинах. Полным их изучением занимаются в специальных заведениях на протяжении нескольких лет. Подобная детальная информация необходима непосредственно для разработки новых моделей микропроцессоров или для модернизации уже существующих. Шина PCI является ближайшим конкурентом предыдущего представителя каналов передачи данных. Эта системная шина была разработана компанией Intel специально для производства процессоров собственной торговой марки. Данное устройство способно обеспечить еще большую скорость передачи данных и при этом не нуждается в дополнительных элементах, как в предыдущем примере.

Системная шина - это основная интерфейсная система ПК, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Основной функцией системной шины является передача информации между процессором и остальными устройствами ЭВМ . Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие разъемы подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры).

Управление системной шиной осуществляется непосредственно, либо, чаще через контроллер шины . Обмен информацией между ВУ и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов. Системная шина состоит из трех шин: шины управления, шины данных и адресной шины. По этим шинам циркулируют управляющие сигналы, данные (числа, символы), адреса ячеек памяти и номера устройств ввода-вывода. Важнейшими функциональными характеристиками системной шины являются: количество обслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность, т.е. максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит от ее разрядности (есть шины 8-, 16-, 32- и 64-разрядные) и тактовой частоты, на которой шина работает.

· Адресная шина.У процессоров Intel Pentium (а именно они наиболее распростра­нены в персональных компьютерах) адресная шина 32-разрядная, то есть состоит из 32 параллельных линий. В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комби­нация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.

· Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на базе про­цессоров Intel Pentium, шина данных 64-разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.

· Шина команд . Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, из тех областей, где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. Самые простые команды укла­дываются в один байт, однако, есть и такие, для которых нужно два, три и более байтов. В большинстве современных процессоров шина команд 32-разрядная (напри­мер, в процессоре Intel Pentium), хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже 128-разрядные.

Процессор.

Процессор (ЦП) выполняет логические и арифметические операции, определяет порядок выполнения операций, указывает источники данных и приемники результатов. Работа процессора происходит под управлением программы.

Процессор - основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления. Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки опе­ративной памяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изме­няться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Регистры - быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имею­щих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие);

При первом знакомстве с ЭВМ считают, что процессор состоит из пяти устройств: арифметико-логического устройства (АЛУ), устройства управления (УУ), регистров общего назначения (РОН), кэш-памяти и генератора тактовых частот.

устройство управления (УУ)- формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импуль­сы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ, т.е. отвечает за порядок выполнения команд, из которых состоит программа.

арифметико-логическое устройство (АЛУ)- предназначено для вы­полнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор), Промежуточные результаты сохраняются в РОН .

местная память (МПП) - служит для кратковременного хра­нения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. МПП строится на регистрах общего назначения (РОН) и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо оперативная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.

· Кэш- память служит для повышения быстродействия процессора, путем уменьшения времени его непроизводительного простоя. Она применяется для кратковременного хра­нения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. Кэш- память строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо оперативная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.

Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память.

Нередко кэш-память распределяют по нескольким уровням кеш L1 (level1-первого уровня) и L2 (level2 – второго уровня). Кэш первого уровня выполняется в том же кристалле, что и сам процессор, имеет объем порядка десят­ков Кбайт и обычно работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора. Кэш второго уровня находится либо в кристалле процессора, либо она размещена на материнской плате вблизи процессора, тогда ее объемы могут достигать нескольких Мбайт, но работает она на частоте материнской платы.

· генератор тактовых импульсов. Он генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины.

Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая опера­ция в машине выполняется за определенное количество тактов:

Система команд процессора. В процессе работы процессор обслуживает данные, находящиеся в его регистрах, в поле оперативной памяти. Часть данных он интерпретирует непосред­ственно как данные, часть данных - как адресные данные, а часть - как команды. Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора. Процессоры, относя­щиеся к одному семейству, имеют одинаковые или близкие системы команд. Про­цессоры, относящиеся к разным семействам, различаются по системе команд и не взаимозаменяемы.

Совместимость процессоров. Если два процессора имеют одинаковую систему команд, то они полностью совместимы на программном уровне. Это означает, что программа, написанная для одного процессора, может исполняться и другим процес­сором. Процессоры, имеющие разные системы команд, как правило, несовмести­мы или ограниченно совместимы на программном уровне.

Группы процессоров, имеющих ограниченную совместимость, рассматривают как семейства процессоров. Так, например, все процессоры Intel Pentium относятся к так называемому семейству х86.

Основные параметры процессоров. Основными параметрами процессоров являются: рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты (множитель) и размер кэш-памяти.

Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). По мере развития процессорной техники происходит постепенно! понижение рабочего напряжения. Ранние модели процессоров х86 имели рабочее напряжение 5 В, а в настоящее время оно составляет менее 3 В. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать его производительность.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Первые процессоры х86 был 16-разрядными. Начиная с процессора 80386, они имеют 32-разрядную архитектуру. Современные процессоры семейства Intel Pentium остаются 32-разрядными, хотя и работают с 64-разрядной шиной данных (разрядность процессора определяете не разрядностью шины данных, а разрядностью командной шины).

В основе работы процессора лежит тот же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. В настенных часах такты колебаний задает маятник, а в персональном компью­тере тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессор­ный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в еди­ницу времени, тем выше его производительность.

По чисто физическим причинам, так как она представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводни­ков и микросхем, материнская плата не может рабо­тать со столь высокими частотами, как процессор. Сегодня ее предел составляет 100-133 МГц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внут­реннее умножение частоты на коэффициент 3; 3,5; 4; 4,5; 5 и более, т.о. если частота системной шины 133 Мгц, а коэффициент (множитель ядра) равен 8, то рабочая тактовая частота составит 1Ггц.

Вся история IBM PC связана с процессорами фирмы Intel, которая выпускает эти микросхемы с 1970г, начиная с четырехразрядного 4004. Дадим неформальную характеристику основных параметров этих процессоров.

Компьютер состоит из множества различных компонентов, это центральный процессор, память, жесткий диск, а также огромное количество дополнительных и внешних устройств, таких как экран, мышка клавиатура, подключаемые флешки и так далее. Всем этим должен управлять процессор, передавать и получать данные, отправлять сигналы, изменять состояние.

Для реализации этого взаимодействия все устройства компьютера связаны между собой и с процессором через шины. Шина - это общий путь, по которому информация передается от одного компонента к другому. В этой статье мы рассмотрим основные шины компьютера, их типы, а также для соединения каких устройств они используются и зачем это нужно.

Как я уже сказал - шина - это устройство, которое позволяет связать между собой несколько компонентов компьютера. Но к одной шине могут быть подключены несколько устройств и у каждой шины есть свой набор слотов для подключения кабелей или карт.

Фактически, шина - это набор электрических проводов, собранных в пучок, среди них есть провода питания, а также сигнальные провода для передачи данных. Шины также могут быть сделаны не в виде внешних проводов, а вмонтированы в схему материнской платы.

По способу передачи данных шины делятся на последовательные и параллельные. Последовательные шины передают данные по одному проводнику, один бит за один раз, в параллельных шинах передача данных разделена между несколькими проводниками и поэтому можно передать большее количество данных.

Виды системных шин

Все шины компьютера можно разделить за их предназначением на несколько типов. Вот они:

• Шины данных - все шины, которые используются для передачи данных между процессором компьютера и периферией. Для передачи могут использоваться как последовательный, так и параллельный методы, можно передавать от одного до восьми бит за один раз. По размеру данных, которые можно передать за один раз такие шины делятся на 8, 16, 32 и даже 64 битные;
• Адресные шины - связаны с определенными участками процессора и позволяют записывать и читать данные из оперативной памяти;
• Шины питания - эти шины питают электричеством различные, подключенные к ним устройства;
• Шина таймера - эта шина передает системный тактовый сигнал для синхронизации периферийных устройств, подключенных к компьютеру;
• Шина расширений - позволяет подключать дополнительные компоненты, такие как звуковые или ТВ карты;

В то же время, все шины можно разделить на два типа. Это системные шины или внутренние шины компьютера, с помощью которых процессор соединяется с основными компонентами компьютера на материнской плате, такими как память. Второй вид - это шины ввода/вывода, которые предназначены для подключения различных периферийных устройств. Эти шины подключаются к системной шине через мост, который реализован в виде микросхем процессора.

Также к шинам ввода/вывода подключается шина расширений. Именно к этим шинам подключаются такие компоненты компьютера, как сетевая карта, видеокарта, звуковая карта, жесткий диск и другие и их мы более подробно рассмотрим в этой статье.

Вот наиболее распространенные типы шин в компьютере для расширений:

• ISA - Industry Standard Architecture;
• EISA - Extended Industry Standard Architecture;
• MCA - Micro Channel Architecture;
• VESA - Video Electronics Standards Association;
• PCI - Peripheral Component Interconnect;
• PCI-E - Peripheral Component Interconnect Express;
• PCMCIA - Personal Computer Memory Card Industry Association (также известна как PC bus);
• AGP - Accelerated Graphics Port;
• SCSI - Small Computer Systems Interface.

А теперь давайте более подробно разберем все эти шины персональных компьютеров.

Шина ISA

Раньше это был наиболее распространенный тип шины расширения. Он был разработан компанией IBM для использования в компьютере IBM PC-XT. Эта шина имела разрядность 8 бит. Это значит что можно было передавать 8 бит или один байт за один раз. Шина работала с тактовой частотой 4,77 МГц.

Для процессора 80286 на базе IBM PC-AT была сделана модификация конструкции шины, и теперь она могла передавать 16 бит данных за раз. Иногда 16 битную версию шины ISA называют AT.

Из других усовершенствований этой шины можно отметить использование 24 адресных линий, что позволяло адресовать 16 мегабайт памяти. Эта шина имела обратную совместимость с 8 битным вариантом, поэтому здесь можно было использовать все старые карты. Первая версия шины работала на частоте процессора - 4,77 МГц, во второй реализации частота была увеличена до 8 МГц.

Шина MCA

Компания IBM разработала эту шину в качестве замены для ISA, для компьютера PS/2, который вышел в 1987 году. Шина получила еще больше усовершенствований по сравнению с ISA. Например, была увеличена частота до 10 МГц, а это привело к увеличению скорости, а также шина могла передавать 16 или 32 бит данных за раз.

Также была добавлена технология Bus Mastering. На плате каждого расширения помещался мини-процессор, эти процессоры контролировали большую часть процессов передачи данных освобождая ресурсы основного процессора.

Одним из преимуществ этой шины было то, что подключаемые устройства имели свое программное обеспечение, а это значит что требовалось минимальное вмешательство пользователя для настройки. Шина MCA уже не поддерживала карты ISA и IBM решила брать деньги от других производителей за использование этой технологии, это сделало ее непопулярной с сейчас она нигде не используется.

Шина EISA

Эта шина была разработана группой производителей в качестве альтернативы для MCA. Шина была приспособлена для передачи данных по 32 битному каналу с возможностью доступа к 4 Гб памяти. Подобно MCA для каждой карты использовался микропроцессор, и была возможность установить драйвера с помощью диска. Но шина все еще работала на частоте 8 МГц для поддержки карт ISA.

Слоты EISA в два раза глубже чем ISA, если вставляется карта ISA, то она использует только верхний ряд разъемов, а EISA использует все разъемы. Карты EISA были дорогими и использовались обычно на серверах.

Шина VESA

Шина VESA была разработана для стандартизации способов передачи видеосигнала и решить проблему попыток каждого производителя придумать свою шину.

Шина VESA имеет 32 битный канал передачи данных и может работать на частоте 25 и 33 МГц. Она работала на той же тактовой частоте, что и центральный процессор. Но это стало проблемой, частота процессора увеличивается и должна была расти скорость видеокарт, а чем быстрее периферийные устройства, тем они дороже. Из-за этой проблемы шина VESA со временем была заменена на PCI.

Слоты VESA имели дополнительные наборы разъемов, а поэтому сами карты были крупными. Тем не менее сохранялась совместимость с ISA.

Шина PCI

Peripheral Component Interconnect (PCI) - это самая новая разработка в области шин расширений. Она является текущем стандартом для карт расширений персональных компьютеров. Intel разработала эту технологию в 1993 году для процессора Pentium. С помощью этой шины соединяется процессор с памятью и другими периферийными устройствами.

PCI поддерживает передачу 32 и 64 разрядных данных, количество передаваемых данных равно разрядности процессора, 32 битный процессор будет использовать 32 битную шину, а 64 битный - 64 битную. Работает шина на частоте 33 МГц.

В PCI можно использовать технологию Plug and Play (PnP). Все карты PCI поддерживают PnP. Это значит, что пользователь может подключить новую карту, включить компьютер и она будет автоматически распознана и настроена.

Также тут поддерживается управление шиной, есть некоторые возможности обработки данных, поэтому процессор тратит меньше времени на их обработку. Большинство PCI карт работают на напряжении 5 Вольт, но есть карты, которым нужно 3 Вольта.

Шина AGP

Необходимость передачи видео высокого качества с большой скоростью привела к разработке AGP. Accelerated Graphics Port (AGP) подключается к процессору и работает со скоростью шины процессора. Это значит, что видеосигналы будут намного быстрее передаваться на видеокарту для обработки.

AGP использует оперативную память компьютера для хранения 3D изображений. По сути, это дает видеокарте неограниченный объем видеопамяти. Чтобы ускорить передачу данных Intel разработала AGP как прямой путь передачи данных в память. Диапазон скоростей передачи - 264 Мбит до 1,5 Гбит.

PCI-Express

Это модифицированная версия стандарта PCI, которая вышла в 2002 году. Особенность этой шины в том что вместо параллельного подключения всех устройств к шине используется подключение точка-точка, между двумя устройствами. Таких подключений может быть до 16.

Это дает максимальную скорость передачи данных. Также новый стандарт поддерживает горячую замену устройств во время работы компьютера.

PC Card

Шина Personal Computer Memory Card Industry Association (PCICIA) была создана для стандартизации шин передачи данных в портативных компьютерах.

Шина SCSI

Шина SCSI была разработана М. Шугартом и стандартизирована в 1986 году. Эта шина используется для подключения различных устройств для хранения данных, таких как жесткие диски, DVD приводы и так далее, а также принтеры и сканеры. Целью этого стандарта было обеспечить единый интерфейс для управления всеми запоминающими устройствами на максимальной скорости.

Шина USB

Это стандарт внешней шины, который поддерживает скорость передачи данных до 12 Мбит/сек. Один порт USB (Universal Serial Bus) позволяет подключить до 127 периферийных устройств, таких как мыши, модемы, клавиатуры, и другие устройства USB. Также поддерживается горячее удаление и вставка оборудования. На данный момент существуют такие внешние шины компьютера USB, это USB 1.0, USB 2.0, USB 3.0, USB 3.1 и USB Type-C.

USB 1.0 был выпущен в 1996 году и поддерживал скорость передачи данных до 1,5 Мбит/сек. Стандарт USB 1.1 уже поддерживал скорость 12 Мбит/сек для таких устройств, как жесткие диски.

Более новая спецификация - USB 2.0 появилась в 2002 году. Скорость передачи данных выросла до 480 Мбит/сек, а это в 40 раз быстрее чем раньше.

USB 3.0 появился в 2008 году и поднял стандарт скорости еще выше, теперь данные могут передаваться со скоростью 5 Гбит/сек. Также было увеличено количество устройств, которые можно питать от одного порта. USB 3.1 был выпущен в 2013 и тут уже поддерживалась скорость до 10 Гбит/с. Также для этой версии был разработан компактный разъем Type-C, к которому коннектор может подключаться любой стороной.

От них зависит производительность всей системы. На материнской плате для каждого устройства – , дисководов и т. д. имеется управляющая электронная схема – адаптер, или контроллер. Некоторые контроллеры могут управлять сразу несколькими устройствами.

Все контроллеры компьютера взаимодействуют с процессором и через системную магистраль передачи данных, которая называется также системной шиной . Кроме системной шины на современных материнских платах имеется несколько шин и соответствующих им разъемов для подключения устройств:

1. шина памяти – для обмена информацией между оперативной памятью и центральным процессором;
2. шина AGP – для подключения видеоадаптера.
3. шина кэш-памяти – для обмена информацией между кэш-памятью и центральным процессором;
4. шины ввода-вывода (интерфейсные шины) – служат для подключения различных устройств.

Существует три основных показателя работы шины компьютера: тактовая частота, разрядность, скорость передачи данных или пропускная способность.

Работа любого компьютера зависит от тактовой частоты, определяемой кварцевым генератором, который представляет собой оловянный контейнер с помещенным в нем кристаллом кварца. Под воздействием электрического напряжения в кристалле возникают электрические колебания. Частота этих колебаний и называется тактовой частотой. Все изменения логических сигналов в любой микросхеме компьютера происходит через определенные интервалы времени, называемыми тактами. Таким образом, наименьшей единицей измерения времени для большинства логических устройств компьютера есть период тактовой частоты. На каждую операцию требуется минимум один такт, хотя некоторые современные устройства успевают выполнить несколько операций за один такт. Тактовая частота компьютера измеряется в мегагерцах (МГц или ГГц). Существуют так называемые пустые такты (циклы ожидания), когда устройство находится в процессе ожидания ответа от какого-либо другого устройства. Так организована работа оперативной памяти и процессора компьютера, тактовая частота которого значительно выше тактовой частоты оперативной памяти.

Для передачи электрических сигналов шины используют множество каналов. Если используются 32 канала, то шины считаются 32-разрядными, если 64 канала – то шины 64-разрядные. В действительности шины любой разрядности имеют большее количество каналов. Дополнительные каналы предназначены для передачи специфической информации.

Каждая шина компьютера отличается от простого проводника тем, что имеет три типа линий: линии данных, линии адреса, линии управления.

По шине данных происходит обмен между центральным процессором, установленными в слоты картами расширения и оперативной памятью компьютера.

Процесс обмена данными возможен лишь в том случае, когда известен отправитель и получатель этих данных. Каждый компонент персонального компьютера и каждая имеют свой адрес и входят в общее адресное пространство. Для адресации к какому-либо устройству служит шина адреса, по которой передается уникальный адрес устройства. Максимальный объем оперативной памяти зависит от разрядности адресной шины компьютера (числа линий) и равен 2 в степени n, где n – число линий шины адреса. Например, компьютеры с процессором 80486 и выше имеют 32-разрядную шину адреса, с помощью которой можно адресовать 4 Гб памяти.

Для успешной передачи данных по шине недостаточно установить их на шине данных и задать адрес на шине адреса. Необходим еще ряд служебных сигналов, которые передаются по шине управления компьютера.

Быстродействие каждой шины компьютера характеризуется ее пропускной способностью, максимально возможному , передаваемому по шине в единицу времени, и измеряется в Мбайт/с или Гбайт/c. Пропускная способность шины определяется произведением разрядности линии данных и тактовой частоты. Чем выше пропускная способность, тем выше производительность всей системы.

В действительности на пропускную способность шины компьютера влияет множество всевозможных факторов: неэффективная проводимость материалов, недостатки конструкции и сборки и многое другое. Разность между теоретической скоростью передачи данных и практической может составлять до 25 %.

Изучив эту тему, вы узнаете:

Какова структурная схема компьютера;
- что такое принцип программного управления;
- в чем состоит назначение системной шины;
- что означает принцип открытой архитектуры, используемый при построении компьютера.

Структурная схема компьютера

В предыдущих темах вы познакомились с назначением и характеристиками основных устройств компьютера. Очевидно, что все эти устройства не могут работать по отдельности, а только в составе всего компьютера. Поэтому для понимания того, как компьютер обрабатывает информацию, нёобходимо рассмотреть структуру компьютера и основные принципы взаимодействия его устройств.

В соответствии с назначением компьютера как инструмента обработки информации взаимодействие входящих в него устройств должно быть организовано таким образом, чтобы обеспечить основные этапы обработки данных.

Для пояснения сказанного рассмотрим приведенную на рисунке 21.1 структурную схему обработки информации компьютером, на которой в верхнем ряду указаны уже знакомые вам по разделу 1 основные этапы этого процесса. Выполнение каждого из этих этапов определяется наличием в структуре компьютера соответствующих устройств. Очевидно, что ввод и вывод информации осуществляется с помощью устройств ввода (клавиатура, мышь и др.) и вывода (монитор, принтер и др.). Для хранения информации используются внутренняя и внешняя память на различных носителях (магнитные или оптические диски, магнитные ленты и пр.).

Рис. 21.1. Структурная схема компьютера

Темные стрелки обозначают обмен информацией между различными устройствами компьютера. Пунктирные линии со стрелками символизцруют управляющие сигналы, которые поступают от процессора. Светлые пустые стрелки отображают потоки входной и выходной информации соответственно.

Компьютер представляет собой систему взаимосвязанных компонентов. Конструктивно все основные компоненты компьютера объединены в системном блоке, который является важнейшей частью персонального компьютера.

Системный блок и системная плата

Внутри системного блока располагаются следующие устройства:

♦ микропроцессор;
♦ внутренняя память компьютера;
♦ дисководы - устройства внешней памяти;
♦ системная шина;
♦ электронные схемы, обеспечивающие связь различных компонентов компьютера;
♦ электромеханическая часть компьютера, включающая блок питания, системы вентиляции, индикации и защиты. 

Компоновка компьютера IBM 286

Компоновка современного ПК

Все перечисленные устройства, входящие в состав системного блока, помещены в корпус, причем существуют различные типы корпусов. Тип корпуса системного блока зависит от вида персонального компьютера и определяет размер, размещение и количество устанавливаемых компонентов системного блока. Для стационарных персональных компьютеров наиболее распространенными корпусами являются горизонтальные или настольные (desktop) либо в виде башни (tower). В портативных компьютерах системный блок объединен с монитором и выполнен в стандарте booksize, то есть размером с книгу.

Технической (аппаратной) основой персонального компьютера является системная, или материнская, плата.

Системная плата является главной платой в системном блоке компьютера. На ней расположены важнейшие микросхемы - процессор и память. Системная плата связывает в единое целое различные устройства, обеспечивает условия работы и связь основных компонентов персонального компьютера. Процессор обеспечивает не только преобразование информации, но и управление работой всех остальных устройств компьютера.

В основе работы компьютера лежит так называемый принцип программного управления. В соответствии с ним команды программы и данные хранятся в закодированном виде в оперативной памяти. При работе компьютера команды, которые необходимо выполнить, и данные, которые им требуются, вчитываются по очереди из памяти и поступают в процессор, где они расшифровываются, а затем выполняются. Результаты выполнения различных команд, в свою очередь, могут быть записаны в память или переданы на различные устройства вывода. Скорость выполнения процессором операций по обработке информации является решающим фактором, определяющим его производительность. Дело в том, что любая информация (числа, текст, рисунки, музыка и т. д.) хранится и обрабатывается на компьютере только в цифровой форме. Поэтому ее обработка сводится к выполнению процессором различных арифметических и логических операций, предусмотренных его системой команд.

Системная шина

Для обеспечения информационного обмена между различными устройствами компьютера в нем должна быть предусмотрена ка- кая-то магистраль для перемещения потоков информации. Поясним эту мысль небольшим примером.

Вы знаете, что жизнь большого города - это постоянные потоки людей и транспортных средств, двигающихся в различных направлениях. Часто скорость транспортного или людского потока зависит не от скорости машины, велосипеда или пешехода, а от пропускной способности транспортной сети города, от его подземных и наземных магистралей.

В компьютере происходит движение не транспортных, а информационных потоков по соответствующей информационной магистрали. Роль такой информационной магистрали, связывающей друг с другом все устройства компьютера, выполняет системная шина, расположенная внутри системного блока. Упрощенно системную шину можно представить как группу кабелей и электрических (токопроводящих) линий на системной плате.

Все основные блоки персонального компьютера подсоединены к системной шине (рисунок 21.2). Основной ее функцией является обеспечение взаимодействия между процессором и остальными электронными компонентами компьютера. По этой шине осуществляется передача данных, адресов памяти и управляющей информации.

Рис. 21.2. Назначение системной шины

От типа системной шины, так же как и от типа процессора, зависит скорость обработки информации персональным компьютером. К основным характеристикам системной шины относятся разрядность и производительность канала связи.

Разрядность шины определяет количество бит информации, передаваемых одновременно от одного устройства к другому.

Системные шины первых персональных компьютеров могли передавать только 8 бит информации, используя для этого 8 линий данных в виде 8 параллельных проводников. Дальнейшее развитие компьютеров привело к созданию 16-битной системной шины, а затем ее разрядность увеличилась до 32 и далее до 64 бит. Увеличение разрядности шины данных привело к повышению скорости обмена информацией, а увеличение разрядности адресной шины обеспечило больший объем оперативной памяти.

Производительность шины определяется объемом информации, который можно передать по ней за одну секунду.

Подобно транспортным магистралям, пропускная способность которых зависит от количества полос движения на дороге, производительность системной шины во многом определяется ее разрядностью. Чем выше разрядность шины, тем больше бит информации одновременно может передаваться по ней, например из процессора в память. Это приводит к более быстрому обмену данными и освобождению процессора для решения других задач.

Однако системная шина как основная информационная магистраль не может обеспечить достаточную производительность для внешних устройств. Для решения этой проблемы в компьютере стали использовать локальные шины, которые связывают микропроцессор с различными устройствами памяти, ввода и вывода. Назначение локальных шин сходно с назначением окружных или кольцевых дорог вокруг большого города, которые разгружают основные магистрали.

Порты

Связь компьютера с различными устройствами ввода и вывода осуществляется через порты. Для некоторых устройств предусмотрено внешнее подключение к портам через разъемы, которые обычно тоже называют портами. Эти разъемы расположены на тыльной стороне системного блока. Дисководы гибких, жестких и лазерных дисков устанавливаются и подключаются внутри системного блока. Различают проводные (последовательные и параллельные, USB, Fire Wire ) и беспроводные (инфракрасные, Bluetooth ) порты. 

Параллельные порты

Этот тип портов используется для подсоединения внешних устройств, которым необходимо передавать большой объем информации на близкое расстояние. Через параллельный порт обычно передается одновременно 8 бит данных по 8 параллельным проводникам. К параллельному порту подключаются принтер, сканер. Число параллельных портов у компьютера не превышает трех, и они имеют соответственно логические имена LPT1, LPT2, LPT3 (от англ. Line PrinTer - линия принтера).

Последовательные порты

Данный тип портов используется для подключения к системному блоку мыши, модемов и многих других устройств. Через такой порт идет последовательный поток данных по 1 биту. Это можно сопоставить с тем, как происходит движение транспорта по дороге с одной полосой. Последовательная передача данных используется на больших расстояниях. Поэтому последовательные порты часто называют коммуникационными. Количество коммуникационных портов не превышает четырех, и им присвоены имена от СОМ1 до COM4 (англ. COMmunication port - коммуникационный порт).

USB-порт

USB-порт (англ. Universal Serial Bus) в настоящее время является наиболее распространенным средством подключения к компьютеру среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств. USB-порт использует последовательный способ обмена данными. Наибольшее распространение получил высокоскоростной порт типа USB 2.0. Если в компьютере не хватает USB-портов, то этот недостаток можно устранить приобретением USB-концентратора, имеющего несколько таких портов.

Благодаря встроенным линиям питания USB часто позволяет применять устройства без собственного блока питания.

FireWire-порт

FireWire (IEEE 1394) - долсловно - огненный провод (произносится "файр вайр") - это последовательный порт, поддерживающий скорость передачи данных в 400 Мбит/сек. Этот порт служит для подключения к компьютеру видео устройств, таких как, например, видеомагнитофон, а также других устройств, требующих быстрой передачи большого объема информации, например, внешних жестких дисков.

Порты FireWire поддерживают технологию Plug and Play и "горячего подключения".

Порты FireWire бывают двух типов. В большинстве настольных компьютерах используются 6-контактные порты, а в ноутбуках - 4-контактные.

Инфракрасный порт беспроводного подключения

Передача данных осуществляется по оптическому каналу в инфракрасном диапазоне. Аналогично работают пульты дистанционного управления бытовой техникой - телевизорами, видеомагнитофонами и пр. Радиус действия инфракрасного порта составляет несколько метров, при этом необходимо обеспечить прямую видимость между приемником и передатчиком.

Инфракрасный порт обычно используется для соединения с мобильным телефоном, обладающим таким же портом. Это позволяет реализовать доступ в Интернет с использованием мобильного телефона, что наиболее важно для портативных ноутбуков в нестационарных условиях.

Модуль Bluetooth беспроводного подключения

Один адаптер Bluetooth позволяет осуществить беспроводное подключение порядка 100 устройств, находящихся на расстоянии до 10 м. При этом к компьютеру, оснащенному таким адаптером, можно подключать разнотипные беспроводные устройства: мобильные телефоны, принтеры, мыши, клавиатуры и пр. Передача данных осуществляется по радиоканалу в частотном диапазоне 2,2-2,4 ГГц. Главное достоинство - устойчивая связь независимо от взаиморасположения приемника и передатчика. Если в компьютере нет встроенного модуля Bluetooth, то его можно приобрести отдельно и подключить по USB-порту.

Прочие компоненты системной платы

Системная плата, кроме перечисленных выше важнейших компонентов компьютера, содержит дополнительные микросхемы, переключатели и перемычки. Все эти устройства необходимы для обеспечения взаимодействия различных устройств компьютера, установки режимов их работы. Например, на системной плате могут быть установлены микросхемы, которые требуют различного напряжения питания. Параметры работы устройств задаются переключателями на системной плате.

В любом системном блоке находятся обязательные узлы, обеспечивающие работу компьютера, - блок питания, системные часы, аккумулятор, сигнальные индикаторы передней стороны системного блока.

Системные часы определяют скорость выполнения компьютером операций, которая связана с тактовой частотой, измеряемой в мегагерцах (1 МГц равен 1 млн тактов в секунду).

Системные часы определяют ритм работы всего компьютера, синхронизируют работу большинства компонентов его системной платы.

Платы и слоты расширения обеспечивают реализацию так называемого принципа открытой архитектуры построения современного персонального компьютера. Слотом называется разъем, куда вставляется плата. Наличие слотов расширения на системной плате позволяет рассматривать персональный компьютер как устройство, которое можно модифицировать. Расширение возможностей компьютера осуществляется путем установки в слоте платы расширения. К разъему этой платы с помощью кабеля присоединяется некоторое устройство, расположенное вне системного блока.

Вместо термина «плата расширения» часто используют названия «карта», «адаптер». К наиболее распространенным платам расширения относятся видеокарты, звуковые карты и внутренние модемы. 

Представление об открытой архитектуре компьютера

Технология производства компьютеров быстро развивается, что обеспечивает непрерывный рост их производительности, объема памяти и как результат - возможностей решать все более сложные задачи. Стремительно совершенствуются одни устройства, создаются другие, принципиально новые. При столь бурном развитии технологии необходимо предусмотреть такой принцип построения компьютера, который позволял бы использовать уже имеющиеся в нем устройства (блоки), а также без изменения конструкции заменять их на новые, более совершенные. Как города строятся по законам архитектуры, так и устройство компьютера должно развиваться по определенным законам. Главный принцип построения современного персонального компьютера - это принцип открытой архитектуры: каждый новый блок должен быть программно и аппаратно совместим с ранее созданными. Это означает, что современный персональный компьютер упрощенно можно представить как знакомый всем детский конструктор из кубиков. В компьютере столь же легко можно заменять старые кубики (блоки) на новые, где бы они ни располагались, в результате чего работа компьютера не только не нарушается, но становится более производительной. Именно принцип открытой архитектуры позволяет не выбрасывать, а модернизировать ранее купленный компьютер, легко заменяя в нем устаревшие блоки на более совершенные и удобные, а также приобретать и устанавливать новые блоки и узлы. При этом места для их установки (разъемы) во всех компьютерах являются стандартными и не требуют никаких изменений в самой конструкции компьютера.

Принцип открытой архитектуры - правила построения компьютера, в соответствии с которыми каждый новый узел (блок) должен быть совместим со старым и легко устанавливаться в том же месте в компьютере.  

Контрольные вопросы

1. Какие основные блоки образуют структуру компьютера и как они связаны с этапами обработки информации?

2. Какова роль процессора персонального компьютера в обработке информации?

3. Что такое принцип программного управления?

4. Каковы назначение и основные компоненты системного блока?

5. Какие виды корпусов системного блока вам известны?

6. Для чего нужна системная плата?

7. Каково назначение системной шины в персональном компьютере?

8. В чем состоит аналогия между системной шиной и транспортными магистралями?

9. Какие вы знаете характеристики системной шины?

10. Что такое порт компьютера? Какие виды портов бывают и в чем их различие?

11. Зачем нужны платы расширения?

12. Для чего необходимо иметь слоты расширения?

13. В чем состоит принцип открытой архитектуры?

14. Что вам известно из художественной литературы, научно-популярных изданий, из телевизионных передач и кинофильмов о возможностях и использовании компьютеров будущего?