1.3. Структура и состав ПЭВМ

Типовая структура ПЭВМ изображена на рис.1.2, где использованы следующие еще не введенные сокращения:

ОП - основная память;
ПВВ – порт ввода-вывода;
АПУ – адаптер периферийного устройства;
АИ – адаптер интерфейса.

Рис. 1.2. Структура ПЭВМ

На представленной схеме не учтены многие детали, однако это не мешает иллюстрации основных архитектурных особенностей и состава ПЭВМ. Главная отличительная черта структуры персонального компьютера состоит в наличии системной шины (США), посредством которой взаимодействуют и обмениваются информацией все его устройства. Архитектура с общей СШ устройств, облегчая программирование; однако наряду с этим общая СШ является узким местом ПЭВМ, потенциально ограничивая её производительность. Последнее объясняется тем, что в каждый момент времени посредством СШ могут обмениваться информацией только 2 устройства; остальные вынуждены простаивать. И тем не менее такое архитектурное решение в ПЭВМ себя полностью оправдывает. 
Помимо СШ, в состав ПЭВМ входят следующие устройства: МП, ОП, ПУ, АПУ, ПВВ и АИ.
Важными компонентами любой ЭВМ, в частности ПЭВМ, являются также система прерываний (СП) и система управления шиной (контролер системной шины). Кроме того, в состав ПЭВМ за частую входит система прямого доступа к памяти (СПДП). Перечисленные системы на рис. 1.2 не показаны.
Кратко охарактеризуем основные устройства ПЭВМ, обращая особое внимание на выполняемые ими функции. Взаимодействие устройств при выполнении команд рассматривается не будет, так этот вопрос достаточно полно освещен в литературе, раскрывающие принципы построения ЭВМ, и в полной мере относится к ПЭВМ.
МП – это «сердце» ПЭВМ. Он осуществляет вычисления по хранящейся в ОП программе и обеспечивает общее управление компьютером. МП, как минимум содержит: 
- арифметико – логическое устройство, предназначенное для выполнения арифметических и логических операций (т. е являющееся собственно вычислителем ЭВМ);
- устройство управления, обеспечивающее общее управление вычислительным процессом по программе и координацию работы всех устройств ПЭВМ.
ОП – это запоминающее устройство, напрямую связанное с процессором и предназначенное для хранения выполняемых программ и данных, непосредственно участвующих в операциях. Она имеет достаточно высокое быстродействие, но ограниченный объем. ОП делится на различные виды, основными из которых являются ОЗУ и постоянно запоминающее устройство (ПЗУ).
ОЗУ – служит для приема, хранения и выдачи информации. В нем содержатся программы и данные, доступные для использования процессором, а также промежуточные и окончательные результаты вычислений. Процесс выполнения программы сводится к преобразованию исходного состояния памяти в заключительное (конечное). ОЗУ в ПЭВМ, как и в других классах машин, является энергозависимым, что означает исчезновение информации при отключении питания (если, конечно, отсутствуют встроенные элементы питания). Однако может использоваться и энергонезависимая память на новых физических принципах. 
ПЗУ, являясь энергонезависимым, обеспечивает надёжное хранение и выдачу информации. Содержимое ПЗУ не может быть изменено. В нем хранятся часто используемые (универсальные) программы и данные, такие, как программы ОС и её информационные структуры, а также интерпретаторы и компиляторы языков программирования. Существуют и полупостоянные запоминающие устройства, или стираемые ПЗУ.
Еще раз подчеркнем, что МП в своей работе использует только информацию, хранимую в ОП. Если же программы и/или данные находятся в другом устройстве, то они должны быть предварительно размещены в ОЗУ. Логически ОП можно представить в виде совокупности ячеек, доступ к каждой из которых осуществляется путем указания ее адреса.
Под периферийными понимают любое устройство, конструктивно отделённое от центральной части ПЭВМ (МП и ОП), имеющее собственное управление и выполняющее запросы МП без его непосредственного вмешательства. По функциональному признаку ПУ делится на две основные группы:
1) внешние запоминающие устройства (ВЗУ), служащие дополнительным энергонезависимыми, более медленным, но и более емким полем памяти машины для долговременного хранения программ и данных; 
2) устройства ввода – вывода (УВВ), обеспечивающие общение пользователя с ПЭВМ.
В качестве ВЗУ в ПЭВМ обычно используются накопители на магнитных дисках (НМД) – как гибких, так и жестких, накопители на магнитных лентах (НМЛ), а также накопители на оптических дисках (НОД). Внедрение последних началось совсем недавно.
Набор УВВ для ПЭВМ существенно богаче: дисплей клавиатуры, различные манипуляторы (типа «мышь», джойстики и типа «шар»), печатающие устройства (принтеры), устройства ввода и вывода графической информации и др. Этот список можно продолжить вплоть до синтезаторов речи, и даже устройства ввода речевой информации.
Состав ПУ может сильно меняться от модели к модели ПЭВМ. Он определяется, главным образом, ее назначением. Так, например, ПЭВМ для дома может содержать единственное ПУ – клавиатуру, при этом в качестве устройства вывода информации используется телевизор, а в качестве накопителя – бытовой магнитофон.
По степени важности для ПЭВМ ПУ делится на основные и дополнительные (факультативные). Основные ПУ явл. неотъемливой составной частью всех ПЭВМ или каких – либо их типов. Факультативные же ПУ могут поставляется, и подключатся по специальным заказам. Без дополнительных ПУ персональная машина хотя и может решать возложенные на неё задачи, но порой с меньшей эффективностью. Без основных ПУ работа на ПЭВМ, как правило, становится невозможной. К основным ПУ относится дисплей, клавиатура и, как минимум, один накопитель информации (ВЗУ). Остальные ПУ считаются факультативными.
Основные ПУ подключаются к СШ не посредственно, а через цепочку АПУ – ПВВ. 
АПУ – выполняет 2 основные функции:
1) осуществляет непосредственное управление ПУ по запросам от МП, освобождая тем самым последний от выполнения рутинных операций.
2) Обеспечивает согласование интерфейса ПУ с СШ.
Остановимся несколько подробнее только на второй функции. Периферийное оборудование выпускается многими производителями, зачастую без ориентации на то или иное семейство ПЭВМ. Кроме того, каждый тип ПУ обладает своей спецификой. Другими словами, ПУ имеют различные интерфейсы. Поэтому очевидно то, что для подключения таких ПУ к общей СШ ПЭВМ нужны согласующие устройства, роль которых и выполняют АПУ. Для подсоединения нового ПУ при этом достаточно разработать для него соответствующий адаптер, совместимый с той или иной СШ. Иногда в таких случаях можно обойтись без какой – либо модернизации системного ПО, если ПУ данного типа уже предусмотрено в системе.
Понятие «адаптер периферийного устройства» можно считать синонимом термина «контролер», однако последний употребляется чаще для устройств, реализующих более сложные функции по управлению ПУ. Развитые АПУ включают в свой состав специализированные МП и память. Это же относится и к ПУ со сложными алгоритмами работы, требующие наличия совершенных блоков управления.
ПВВ обеспечивает непосредственное подключение АПУ к СШ. Каждый ПВВ имеет свой адрес, аналогичный адресу ОП, но содержащемся в другом адресном пространстве. Одному ПУ может быть приписано несколько ПВВ. Упрощенно ПВВ можно считать регистром, в который записывается информация для передачи в ПУ или с которого считывается полученная из ПУ информация. Каждое стандартное ПУ для унификации ПО закреплено за ПВВ с определенными адресами. Можно провести аналогию ПВВ с морским портом, объясняющую происхождение этого термина. Достаточно считать, что грузы, привозимые в морской порт и отправляемые на судах в различные концы света, а также грузы, привозимые в морской порт и отправляемые на судах в различные края света, а также грузы, разгруженные с пришедших судов и доставляемые получателям, - это информация, передаваемая через ПВВ. Однако последнее, в основном, явл. одноправными. Совокупность ПВВ образует систему портов ввода – вывода. 
АИ выполняют роль согласующих звеньев для сопряжения центральной части ПЭВМ с дополнительными ПУ, интерфейсы которых для универсальности стандартизованы. Иными словами, АИ – это в определенном смысле универсальный адаптер. Более строго АИ – это средство сопряжения центральной части ПЭВМ с дополнительным ПУ, в котором все физические и логические параметры отвечают предварительным соглашениям и широко используется в других устройствах. К таким АИ могут подключаться к ПУ со своими контролерами, модемы для внедрения в телефонную сеть и т.п.
Примером интерфейса, стандартизованного на уровне производителя, используемого для подключения принтера и совместимого со многими интерфейсами других производителей печатающих устройств, является параллельный интерфейс фирмы 
Centronics. В качестве другого примера можно привести последовательный интерфейс RS232С, который используется для подсоединения многих типов относительно медленных ПУ и модемов. Спецификация данного интерфейса опубликована Ассоциацией электронной техники министерства торговли США и при этом полностью соответствует рекомендациям Международного консультативного по телеграфии и телефонии в Западной Европе. Взамен RS232С недавно предложен интерфейс EIA – 232 – D. В СНГ с интерфейсами Centronics и RS232С совместимы интерфейсы ИРПР – М и стык С2 соответственно.
АИ зачастую называют простор, интерфейсами что, учитывая полисемию этого термина, представляется не целесообразным. Действительно, при такой трактовке два понятия – устройство для согласования и соглашения о связях – будут называться одинаково в одном и том же контексте, что может привести к путанице. Используется и другой синоним АИ – порт, с чего так же, на наш взгляд, придерживаться нежелательно. 
МП должен оперативно реагировать на различные события, происходящие в ПЭВМ в результате действий пользователя или без его ведома. В качестве примеров таких событий привести нажатие клавиши на клавиатуре, попытка деления на нуль, переполнение разрядной сетки, сбой питания, запланированные в программе обращения к ядру ОС и т.п. Необходимую реакцию на события действий МП при возникновении определенного события, Под системой же прерываний принимают комплекс аппаратных программных средств, обеспечивающих выявление и обработку прерываний.
Обработка прерываний сводится к приостановке исполнений текущей последовательности команд, вместо которой начинает интерпретироваться другая последовательность инструкций, соответствующая данному типу прерывания и называемая обработчиком прерывания. После её реализации исполнение прерванной программы может быть продолжено, если это возможно и/или целесообразно, что зависит от типа прерывания. Реакция на прерывание может состоять, например, в обработке введенного с клавиатуры символа.
СПДП является факультативным устройством, служащим для того, чтобы разгрузить МП при обмене информацией между ОЗУ и быстродействующими ПУ, а также увеличить скорость обмена. Без СПДП в обмене информацией между ОЗУ и ПУ непосредственно участвует МП, ‘‘пропуская’’ через себя эту информацию довольно маленькими порциями. При использовании СПДП МП только инициирует операцию обмена целым блоком информации, активизируя СПДП. Сам же обмен происходит напрямую между ОЗУ и ПУ под её управлением. МП в это время может взять на себя другую работу. СПДП подключается к ПЭВМ аналогично ПУ (через цепочку АПУ-ПВВ). 
Контроллер системной шины управляет СШ ПЭВМ в зависимости от состояния МП. Этот контроллер может входить в состав МП или выполняться в виде отдельного устройства.
Сама СШ представляет собой совокупность одно- и двунаправленных линий , логически объединяемых в следующие группы:
1) шину данных, служащую для передачи информации в оба направления;
2) шину адреса, с использованием которой адресуются ОП и ПВВ;
3) шину управления, предназначенную для передачи управляющих сигналов, таких, как ‘‘запись в память’’, ‘‘чтение из памяти’’, ‘‘чтение из порта’’, сигналы прерывания и т.п.
Физически шины адреса и данных могут мультиплексироваться (совмещаться). Такая идеология принята, например, в семействах PC IBM и EC (шина Multibus).
Более детально многие устройства ПЭВМ рассматриваются в разделе 2.