Организация и функционирование компьютеров

1.5. Основные устройства компьютера, его архитектура.

Рассмотрим более детально, из каких устройств состоит компьютер и как эти устройства взаимодействуют друг с другом. Для нашего рассмотрения наиболее интересен вопрос устройства миникомпьютеров: персональных компьютеров, серверов, рабочих станций, ноутбуков. Современные компьютеры конструируются на основе идеологии открытых систем. Согласно этой идеологии отдельные устройства, составляющие компьютер, достаточно независимы друг от друга, могут иметь различную конструкцию и выпускаться различными фирмами. Однако они должны удовлетворять строгим предписаниям, касающимся взаимодействия друг сдругом. Эти предписания относятся как к техническим характеристикам устройств (например, величина напряжения на выходных контактах, форма и количество контактов в разъеме), так и содержания сигналов, которыми обмениваются устройства компьютера. Те компоненты устройства, назначением которых является взаимодействие с другими устройствами, называются его интерфейсом, а те правила, которым интерфейс обязан удовлетворять, называются протоколами.

Для устройств одинакового предназначения может существовать несколько протоколов. В этом случае можно объединять в одно целое только те устройства, которые работают по одинаковым протоколам. Например, очевидно, что в корпус компьютера можно вставить только те детали, которые подходят по размерам к специальным креплениям. Менее очевидны протоколы, относящиеся к синтаксису построения сигналов, которыми обмениваются устройства между собой. Большинство современных устройств могут работать с несколькими информационными протоколами.

Между собой все устройства компьютера соединяются шинами. (Более точно говорить о каналах связи, так как существуют и беспроводные соединения). В миникомпьютерах обычно все внешние устройства подсоединены к единому каналу связи, который называется общей шиной. Если ограничиться персональным компьютером, то в его состав могут входить устройства ручного ввода – клавиатура и мышь, устройство графического ввода – сканер, устройства вывода – монитор, принтер, графопостроитель (плоттер), внешние накопители информации – жесткий диск (винчестер), дисковод для гибкого диска (флоппи-диска), CD-ROM, звуковые колонки, сетевой выход. В более мощных компьютерах используются специализированные внешние устройства.

Фактически устройства компьютера подключены к шине не непосредственно, а через промежуточные устройства, которые называются контроллерами или адаптерами. Использование контроллеров и адаптеров вызывается двумя обстоятельствами. Во-первых, характеристики сигналов в каналах связи отдельного устройства компьютера и в общей шине различны, и поэтому необходимо преобразование сигнала из одного вида в другой. Во-вторых, контроллер берет на себя некоторые стандартные операции процесса обмена информацией (такие, как опрос готовности устройства или контроль правильности передачи), освобождая от этих функций центральный процессор. Фактически контроллеры и адаптеры имеют свой процессор (который зачастую можно даже программировать) и представляют собой самостоятельный компьютер в миниатюре.

Выше уже было сказано, что весь комплекс средств, предназначенных для обеспечения связи конкретного устройства компьютера с другими устройствами, назывыается интерфейсом. Интерфейс включает в себя и соединительные каналы, и контроллеры или адаптеры, и алгоритмы, обеспечивающие управление устройством. От характеристик интерфейса зависит быстродействие и надежность устройства. Интерфейс стандартизирован согласно протоколам, описывающим устройства такого функционального предназначения. Стандартизация касается как технических параметров устройства, так и команд управления устройством. Схемы управления обычно помещаются внутри устройства.