Архитектура персональных компьютеров IBM PC
 
ПЛАН
ВВЕДЕНИЕ 
1. ОСНОВНЫЕ БЛОКИ IBM PC 
2. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА 
3. ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРА
 
Введение
Распространение персональных компьютеров к концу 70-х годов привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и мини ЭВМ. 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. 
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 - в "наколенном" (лэптор) или "блокнотом" (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; 
накопители (или дисководы) для гибких магнитных дисков, используемые для чтения и записи на гибкие магнитные диски (дискеты) ;
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 с кнопкой, употребляется в основном для компьютерных игр; 
а также другие устройства. 
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; 
стример - для хранения данных на магнитной ленте. 
Некоторые устройства, например, многие разновидности сканеров (приборов для ввода рисунков и текстов в компьютер) , используют смешанный способ подключения: в системный блок компьютера вставляется только электронная плата (контроллер) , управляющая работой устройства, а само устройство подсоединяется к этой плате кабелем. 
ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРА
МИКРОПРОЦЕССОР. Самым главным элементом в компьютере, его "мозгом", является микропроцессор 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 (за исключением, о которых говорится ниже) . 
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 для магнитных дисков 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: 
1. 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. 
2. 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. Схемы, управляющие внешними устройствами компьютера (контроллеры или адаптеры) , находятся на отдельных платах, вставляющихся в унифицированные разъемы (слоты) на материнской плате. Через эти разъемы контроллеры устройств подключаются непосредственно к системной магистрали передачи данных в компьютере шине. Таким образом, наличие свободных разъемов шины обеспечивает возможность добавления к компьютеру новых устройств. Чтобы заменить одно устройство другим (например, устаревший адаптер монитора на новый) , надо просто вынуть соответствующую плату из разъема и вставить вместо нее другую. Несколько сложнее осуществляется замена самой материнской платы. 
БЛОК - СХЕМА. На блок-схеме контроллер клавиатуры обычно находится на системной плате, поскольку это упрощает изготовление компьютера. Иногда на системной плате размещаются и контроллеры других устройств. 
КОНТРОЛЛЕРЫ ПОРТОВ ВВОДА - ВЫВОДА. Одним из контроллеров, которые присутствуют почти в каждом компьютере, является контроллер портов ввода-вывода. Эти порты бывают следующих типов: 
# параллельные (обозначаемые LPT1-LPT4) , к ним обыкновенно подключаются принтеры; 
# асинхронные последовательные (обозначаемые СОМ1-СОМ3) . 
Через них обычно подсоединяются мышь, модем и т.д. 
# игровой порт - для подключения джойстика. 
Некоторые устройства могут подключаться и к параллельным, и к последовательным портам. Параллельные порты выполняют ввод и вывод с большей скоростью, чем последовательные (за счет использования большего числа проводов в кабеле) . 
МИКРОПРОЦЕССОР. Микропроцессор является "мозгом" компьютера. Он осуществляет выполнение программ, работающих на компьютере, и управляет работой остальных устройств компьютера. Скорость его работы во многом определяет быстродействие компьютера. В IBM PC используются микропроцессоры, разработанные фирмой Intel, а иногда - совместимые с ними микропроцессоры других фирм. 
ХАРАКТЕРИСТИКИ МИКРОПРОЦЕССОРОВ. Микропроцессоры отличаются друг от друга двумя характеристиками: типом (моделью) и тактовой частотой. Наиболее распространены модели Intel - 8088,80286,80386SX, 80386,80486 и Pentium, они приведены в порядке возрастания производительности и цены. Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую частоту - чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена микропроцессора. 
ТАКТОВАЯ ЧАСТОТА указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет в одну секунду. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц) . Следует заметить, что разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции (например, сложение или умножение) за разное число тактов. Чем выше модель микропроцессора, тем, как правило, меньше тактов требуется для выполнения одних и тех же операций. Поэтому, например, микропроцессор Intel-80386 работает раза в два быстрее Intel-80286 с такой же тактовой частотой. 
МОДЕЛИ МИКРОПРОЦЕССОРОВ. Исходный вариант компьютера IBM PC и модель IBM PC ХТ использовали микропроцессор Intel-8088. В начале 80-х годов эти микропроцессоры выпускались с тактовой частотой 4,77 МГц, затем были созданы модели с тактовой частотой 12 МГц (т.е. новые модели работают в 1,7-2,1 раза быстрее) . Модели с увеличенной производительностью (тактовой частотой) иногда называются Turbo-ХТ. Сейчас микропроцессоры типа Intel-8088 производятся в небольших количества, и для использования не в компьютерах, а в различных специализированных устройствах. 
Модель IBM PC АТ использует более мощный микропроцессор Intel-80286, и ее производительность приблизительно в 4-5 раз больше, чем у IBM PC ХТ. Исходные варианты IBM PC АТ работали на микропроцессорах с тактовой частотой 6 МГц, затем были созданы модели этого микропроцессора с тактовой частотой от 12 до 25 МГц, т.е. работающие в 2-3 раза быстрее. Микропроцессор Intel-80286 имеет несколько больше возможностей по сравнению с Intel-8088, но эти дополнительные возможности используются с Intel-8088, но эти дополнительные возможности используются очень редко, так что большинство программ, работающих на АТ, будет работать и на ХТ. Сейчас микропроцессоры типа Intel-80286 также считаются устаревшими и для применения в компьютерах не производятся. 
ВЫБОР ТИПА МИКРОПРОЦЕССОРА. Быстродействие основного микропроцессора во многом определяет скорость работы всего компьютера и, тем самым, диапозон применения компьютера: 
компьютеры на основе микропроцессоров Intel-8088 (или Intel-8086) работают очень медленно, они уже полностью устарели и почти полностью вышли из употребления;
компьютеры на основе микропроцессора Intel-80286 обеспечивают необходимое быстродействие для набора текстов, ввода исходных данных для бухгалтерских и аналогичных задач, многих компьютерных игр и т.д. Однако новые компьютеры такого класса уже не выпускаются (поскольку считаются морально устаревшими) , а покупать их вряд ли целесообразно даже по бросовым ценам, так как для работы с большинством современных программ с графическим интерфейсом (например, с программами, выполняемыми в среде Windows) они практически не пригодны; 
компьютеры на основе микропроцессоров Intel - 80386SX и DX, Intel-80486SX обеспечивают приемлемую вычислительную мощность для большинства рабочих мест под управлением как DOS, так и Windows: для программирования, работы с не очень большими базами данных, макетирования (верстки) несложных изданий и т.д. Однако для комфортной работы в среде Windows лучше приобрести более мощный компьютер; 
микропроцессоры Intel-80486DX и DX2 применяются для тех задач, где требуется высокое быстродействие компьютера: для файл-серверов больших локальных сетей, для профессиональных издательских, графических или анимационных программ, для решения серьезных вычислительных задач и т. 
д. А для пользователей, постоянно работающих с компьютером, может быть целесообразно приобретение компьютера на основе Intel-80486DX или DX2 даже и в том случае, если они используют самые обычные программы типа Word for Windows 6.0, Excel 5.0 и т.д., поскольку эти микропроцессоры сейчас стоят не намного дороже Intel-80386 и 80486SX, а обеспечивают заметно большую производительность; 
микропроцессоры Pentium и рассчитанные на его использование системные платы пока что стоят весьма дорого, поэтому их целесообразно применять для таких приложений, как воспроизведение видеоизображений в реальном времени, большие задачи трехмерного проектирования и моделирования, создания мощных файл-серверов и многопроцессорных систем. 
МАТЕМАТИЧЕСКИЙ СОПРОЦЕССОР. Микропроцессоры Intel-80286 и Intel-80386 не содержат специальных команд для работы с числами с плавающей точкой. При проведении расчетов с такими числами каждая операция над ними моделируется с помощью нескольких десятков операций микропроцессора. Это сильно снижает эффективность применения компьютера для научных вычислений, при использовании машинной графики и для других применений с интенсивным использованием чисел с плавающей точкой. Поэтому в этих случаях следует использовать компьютеры IBM PC с установленным математическим сопроцессором Intel-8087, Intel-80287 или Intel-80387. Наличие сопроцессора может увеличить скорость выполнения операций с плавающей точкой в 5-15 раз. Микропроцессоры Intel-80486DX и DX2 и Pentium сами поддерживают операции с плавающей точкой, поэтому при их использовании математический сопроцессор не требуется. 
ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ. Оперативная память компьютера IBM PC с процессором Intel-8088 или Intel-8086 (например, IBM PC XT) может иметь размер не более 1 Мбайта, поскольку эти микропроцессоры могут обращаться не более чем к 1 Мбайту памяти. Эта память состоит из двух частей. Первые 640 Кбайт памяти могут использоваться прикладными программами и операционной системой. Остальные адреса памяти ("верхняя память") зарезервированы для служебных целей: 
для хранения части операционной системы DOS, которая обеспечивает тестирование компьютера, начальную загрузку операционной системы, а также выполнение основных низкоуровневых услуг ввода-вывода; 
для передачи изображения на экран; 
для хранения различных расширений операционной системы, которые поставляются вместе с дополнительными устройствами компьютера. 
Как правило, когда говорят об объеме оперативной памяти компьютера, то имеют в виду именно первую ее часть, которая может использоваться прикладными программами и операционной системой. Мы тоже будем в дальнейшем поступать таким образом. 
КЭШ - ПАМЯТЬ. Для достаточно быстрых компьютеров (например, на основе Intel-80386 с тактовой частотой более 25 МГц или Intel-80486) необходимо обеспечить быстрый доступ к оперативной памяти, иначе микропроцессор будет простаивать и быстродействие компьютера уменьшится. Для этого такие компьютеры могут оснащаться кэш-памятью, т.е. "сверхоперативной" памятью относительно небольшого объема (обычно от 64 до 256 Кбайт) , в которой хранятся наиболее часто используемые участки оперативной памяти. Кэш-память располагается "между" микропроцессором и оперативной памятью, и при обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные содержаться в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается. Для компьютеров на основе Intel-80386DX или 80486SX размер кэш-памяти в 64 Кбайт является удовлетворительным, 128 Кбайт - вполне достаточным. Компьютеры на основе Intel-80486DX и DX2 обычно оснащаются кэш-памятью емкостью 256 Кбайт. 
МОНИТОРЫ. Монитор (дисплей) компьютера IBM PC предназначен для вывода на экран текстовой и графической информации. Мониторы бывают цветными и монохромными. Они могут работать в одном из двух режимов: текстовом и графическом. 
ТЕКСТОВЫЙ РЕЖИМ. В текстовом режиме экран монитора условно разбивается на отдельные участки знакоместа, чаще всего на 25 строк по 80 символов (знакомест) . В каждое знакоместо может быть выведен один из 256 заранее заданных символов. В число этих символов входят большие и малые латинские буквы, цифры, символы, а также псевдографические символы, используемые для вывода на экран таблиц и диаграмм, построения рамок вокруг участков экрана и т.д. 
ГРАФИЧЕСКИЙ РЕЖИМ. Графический режим монитора предназначен для вывода на экран графиков, рисунков и т.д. Разумеется, в этом режиме можно также выводить и текстовую информацию в виде различных надписей, причем эти надписи могут иметь произвольный шрифт, размер букв и т.д. 
В графическом режиме экран монитора состоит из точек, каждая из которых может быть темной или светлой на монохромных мониторах или одного из нескольких цветов на цветном. Количество точек по горизонтали и вертикали называется разрешающей способностью монитора в данном режиме. Следует заметить, что разрешающая способность не зависит от размера экрана монитора, подобно тому как и большой, и маленький телевизоры имеют на экране 625 строк развертки изображения. 
ЧАСТО ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МОНИТОРЫ. Наиболее широкое распространение в компьютере IBM PC получили мониторы типов MDA, CGA, Hercules, EGA и VGA. 
В настоящее время мониторы MDA и CGA используются уже очень редко, так как они не обладают надлежащей разрешающей способностью, что приводит к быстрому утомлению глаз. Кроме того, не имеют возможности программной загрузки шрифтов символов, поэтому для изображения букв кириллицы в текстовом режиме приходится заменять электронные схемы, хранящие шрифты (знакогенераторы) . Иногда, впрочем, можно не заменять знакогенератор, а записать в него с помощью специальных приборов нужные шрифты символов. 
Большинство компьютеров, выпущенных в конце 80-х годов, оснащались мониторами типа VGA. Они обеспечивают достаточное количество изображения в текстовом и графическом режиме экрана при работе с DOS-программами. Несколько хуже мониторы EGA, они считаются еще более устаревшими. Но для современных программ, использующих графический интерфейс взаимодействия с пользователем, разрешение VGA (640*480 точек) уже явно недостаточно. Поэтому практически все современные компьютеры оснащаются мониторами типа Super-VGA, обеспечивающими разрешающую способность 1024*768 и 800*600. 
КЛАВИАТУРА. Клавиатура IBM PC предназначена для ввода в компьютер информации от пользователя. 
Расположение латинских букв на клавиатуре IBM PC, как правило, такое же, как на английской пишущей машинке, а букв кириллицы - как на русской пишущей машинке. 
ВВОД ПРОПИСНЫХ И СТРОЧНЫХ БУКВ. Для ввода прописных букв и других символов, располагающихся на верхнем регистре клавиатуры, имеется клавиша Shift. Например, чтобы ввести строчную букву "d", надо нажать клавишу, на которой изображено "D", а чтобы ввести прописную букву "D", надо нажать клавишу Shift и, не отпуская ее, нажать на клавишу D. 
Клавиша Caps Lock служит для фиксации режима прописных букв. Это удобно при вводе текста, состоящего из таких букв. Повторное нажатие клавиши Caps Lock отменяет режим прописных букв. В режиме Caps Lock нажатие клавиши Shift дает возможность ввода строчных букв. Иногда клавиша Caps Lock используется для других целей, например для переключения на русский алфавит. 
СПЕЦИАЛЬНЫЕ КЛАВИШИ КЛАВИАТУРЫ. Кроме алфавитно-цифровых клавиш и клавиш со знаками пунктуации, на клавиатуре имеется большое число специальных клавиш. 
Клавиша Enter предназначена для окончания ввода строки. Например, при вводе команд DOS ввод каждой команды должен оканчиваться нажатием клавиши Enter. 
Клавиша BackSpace удаляет символ, находящийся слева от курсора (курсор обычно изображается мигающим символом, похожим на знак подчеркивания) . 
Клавиша Del (Delete-удаление) используется для удаления символа, находящегося под курсором. 
Клавиша Inc (Insert-вставка) предназначена для переключения между двумя режимами ввода символов: ввода с раздвижкой символов (вставка) и ввода с замещением ранее набранных символов (замена) . 
Клавиша Esc (escape-убегать, спасаться) , как правило, используется для отмены какого-либо действия, выходя из режима программы и т.д. 
Клавиша Tab (табуляция) при редактировании текстов обычно используется для перехода к следующей позиции табуляции. В других программах ее значение может быть иным: переключение между "окошками" на экране, полями запроса и т.д. 
Функциональные клавиши F1-F12 (на некоторых клавиатурах F1-F10) предназначены для различных специальных действий. Их действие определяется выполняемой программой. 
КЛАВИШИ CTRL и ALT. На клавиатуре имеются специальные клавиши Ctrl и Alt. Как клавиша Shift, они предназначены для изменения значений других клавиш. Клавиши Ctrl и Alt вводятся в комбинации с другими клавишами, и выполняющаяся программа может особым образом реагировать на такие комбинации клавиш. 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Конечно, в пределах 1-й контрольной работы очень трудно охватить полностью такую обширную тему как предложенная - АРХИТЕКТУРА ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ. Развитие электронной промышленности и компьютеростроения осуществляется такими быстрыми темпами, что буквально через 1-2 года, сегодняшнее " чудо техники" становится морально устаревшим. Однако принципы устройства компьютера остаются неизменными еще с того момента как знаменитый математик Джон фон Нейман в 1945 году подготовил доклад об устройстве и функционировании универсальных вычислительных устройств, т.е. компьютеров. 
К тому же, каждый пользователь, эксплуатирующий персональный компьютер, знает круг задач для решения которых он использует компьютер, а следовательно и 10 лет назад приобретенная "286-я машина" исправно работающая, удовлетворяющая запросы того или иного специалиста является незаменимым его помощником в повседневном труде. 
Поэтому рассмотренная выше тема дает наглядное представление о том, какое ведущее место в жизни общества занимают в настоящее время персональные компьютеры, сфера применения которых безгранична.