Zasada działania komputera
Schemat blokowy płyty głównej
Na płycie głównej komputera znajdują się wszystkie jego podstawowe podzespoły i elementy. Na rysunku 1.
pokazano przykładowo schemat blokowy płyty głównej firmy Intel.
Rys. 1. Schemat blokowy płyty głównej firmy Intel
Na schemacie można wyróżnić m.in. dwa główne elementy płyty, czyli mostek północny (MHC - Memory
Controller Hub) i mostek południowy (IHC - I/O Controller Hub). Do mostka północnego jest podłączony procesor
Pentium 4, karta graficzna ze złączem PCI Express oraz pamięć RAM z modułami DDR2.
Do mostka południowego podłączono kontrolery dysków S-ATA, interfejsy urządzeń peryferyjnych USB oraz
gniazda rozszerzeń PCI. Poszczególne elementy łączą ze sobą szyny o określonej przepustowości. Na schemacie
pokazano również zintegrowane z mostkiem południowym nowe standardy i technologie dotyczące kontrolerów
audio oraz bezprzewodowej komunikacji Wi-Fi, a także zapewniające lepszy poziom ochrony, wydajności,
szybkości i możliwości rozbudowy (Intel Matrix Sto-rage, BIOS Supports HT).
Schemat logicznej budowy komputera
Ogólnie komputer składa się z procesora, pamięci wewnętrznej oraz połączonych za pomocą magistrali urządzeń
peryferyjnych, czyli zewnętrznych urządzeń wejścia i wyjścia. Schemat logicznej budowy komputera pokazano na
rysunku 2.
Rys. 2. Schemat logicznej budowy komputera
Procesor stanowi główny podzespół komputera, ponieważ jest odpowiedzialny za przetwarzanie informacji. Składa
się z układów sterujących, arytmometru oraz zespołu rejestrów.
Układy sterujące odpowiadają za dostarczenie arytmometrowi danych do obliczeń z pamięci operacyjnej,
przekazywanie wyników obliczeń z powrotem do pamięci oraz właściwą kolejność przetwarzania.
Arytmometr jest jednostką, w której odbywają się wszystkie obliczenia realizowane przez komputer, zarówno
arytmetyczne, jak i logiczne na liczbach binarnych.
Rejestry procesora przechowują adresy wybranych miejsc pamięci operacyjnej oraz dane i wyniki obliczeń. W
określonym rejestrze, zwanym licznikiem rozkazów, jest umieszczany adres miejsca w pamięci wewnętrznej,
zawierającego bieżący rozkaz dla procesora. Praca procesora odbywa się w tzw. cyklach rozkazowych. Przebieg
jednego cyklu rozkazowego procesora można opisać za pomocą następującego algorytmu (rys. 3):
1. Zawartość miejsca pamięci wewnętrznej wskazywanego przez licznik rozkazów LR zostaje przesłana do układów
sterujących procesora.
2. W układach sterujących następuje rozdzielenie otrzymanej informacji na dwa pola: pole operacji i pole
argumentów. Pole operacji zawiera adres rozkazu, który należy wykonać. Pole argumentów zawiera adresy, pod
którymi są przechowywane dane oraz adres przeznaczenia wyniku.
3. Na podstawie wyznaczonych adresów następuje przesłanie z pamięci wewnętrznej argumentów do odpowiednich
rejestrów, a na podstawie adresu rozkazu arytmometr wykonuje odpowiednie działanie (operację arytmetyczną lub
logiczną) na zawartościach rejestru.
4. Wynik przetwarzania (wynik wykonanej operacji) jest wysyłany do pamięci wewnętrznej pod adres
przeznaczenia wyniku.
5. Następuje zmiana wartości licznika rozkazów LR tak, aby wskazywał on kolejny rozkaz dla procesora.
6. Rys..3. Uproszczony algorytm cyklu rozkazowego procesora (LR - licznik rozkazów; start jest inicjowany przez sygnał
RESET, a żądanie obsługi przerwania - przez sygnał INT)
Wykonywanie obliczeń przez komputer może zostać przerwane. Jeżeli procesor otrzyma sygnał informujący o
żądaniu przerwania, to następuje przerwa w obliczeniach, zapamiętanie stanu licznika rozkazów i wykonanie
podprogramu (procedury) obsługi przerwania. Dalsze zachowanie się procesora jest uzależnione od podprogramu
obsługującego przerwanie. Oprócz żądań przerwania obliczeń przekazywanych z zewnątrz procesora (np. odczyt
znaku z klawiatury), występują sygnały przerwania wewnętrzne procesora. Jednym z takich przypadków może być
przerwanie pracy procesora, gdy odczyta on rozkaz dzielenia dowolnej liczby przez 0.
Pamięć wewnętrzna składa się z pamięci stałej ROM (ang. Read Only Memory) oraz pamięci operacyjnej RAM
(ang. Random Access Memory). W pamięci ROM producent komputera zapisuje informacje o konfiguracji
sprzętowej, programy rozpoczynające pierwszą fazę pracy komputera (inicjalizacja systemu) oraz programy
diagnostyczne. Do pamięci ROM nie można zapisywać danych, można jedynie je odczytywać. W pamięci RAM,
czyli pamięci o swobodnym dostępie do zapisu i odczytu, są przechowywane informacje będące obiektem
bieżącego przetwarzania (dane, programy, wyniki). Pamięć RAM jest pamięcią ulotną, jej zawartość znika po
wyłączenia komputera.
Magistrala jest zbiorem przewodów elektrycznych oraz specjalnych gniazd połączonych ze sobą równolegle, tak
aby umożliwić przesyłanie danych, adresów i sygnałów sterujących pomiędzy procesorem, pamięcią wewnętrzną i
urządzeniami peryferyjnymi komputera. Magistrala składa się z szyny sygnałów sterujących, szyny danych i szyny
adresowej. Cykl pracy magistrali odbywa się w taktach zegarowych (podobnie jak w przypadku procesora), z tym,
że zwykle częstotliwość pracy magistrali jest kilka razy mniejsza od częstotliwości pracy procesora. Powoduje to
zmniejszenie efektywności pracy całego systemu komputerowego.
Urządzenia wejścia i wyjścia - podczas operacji wejścia/wyjścia zachodzi wymiana informacji pomiędzy pamięcią
operacyjną systemu mikroprocesorowego a urządzeniami peryferyjnymi. Operacje te mogą być realizowane dwoma
sposobami: pod nadzorem procesora lub z bezpośrednim dostępem do pamięci (bez udziału procesora). Wśród
urządzeń wejścia i wyjścia można wymienić następujące: klawiatura, mysz, skaner, joystick, napęd dyskowy
(urządzenia wejścia), monitor, drukarka, ploter, głośniki, słuchawki (urządzenia wyjścia), modem, karta sieciowa,
dysk twardy, USB, Bluetooth (urządzenia wejścia/wyjścia).
Pytania sprawdzające
1. Jakie są główne elementy płyty głównej?
2. Jakie elementy są podłączone do mostka północnego płyty głównej?
3. Jakie elementy są podłączone do mostka południowego płyty głównej?
4. Jak przebiega cykl rozkazowy procesora?
Ćwiczenia
1. Dokonaj przeglądu elementów znajdujących się na płycie głównej komputera.
2. Naucz się rozpoznawania podstawowych elementów komputera. Sprawdz
, gdzie się znajdują i z jakimi
elementami są połączone.
3. Zapamiętaj z jakimi elementami łączy się szyna systemowa.