 |
Глава II . Архитектура персонального компьютера
|
|
|
|
Знакомство с компьютером
Важнейшим устройством обработки, хранения, создания и передачи информации на современном этапе является компьютер, снабженный соответствующим программным обеспечением и средствами телекоммуникаций.
Компьютер – это программируемое электронное устройство для обработки, передачи, хранения и сбора информации. Слово компьютер в буквальном переводе с английского языка означает «вычислитель». Первоначально в английском языке это слово обозначало человека, производящего арифметические вычисления. В русскоязычной литературе также применяется такое название, как электронная вычислительная машина (ЭВМ). В настоящее время термин «компьютер» практически вытеснил из обращения все остальные, включая и вышеупомянутое обозначение как более универсальный.
По принципам своего устройства компьютер – это модель человека, работающего с информацией. Имеются четыре основных компонента информационной функции человека: прием информации, запоминание информации (память), процесс мышления информации (обработка информации) и передача (вывод) информации.
Компьютер включает в себя устройства, выполняющие функции мыслящего человека: устройства ввода (клавиатура), устройства запоминания, устройство обработки (процессор), устройства вывода (монитор).
Но нельзя отождествлять «ум» компьютера с умом человека. Главное отличие в том, что работа компьютера строго подчинена заложенной в нем программой, человек же управляет своими действиями сам.
Большинство современных компьютеров базируется на принципах, предложенных Джоном фон Нейманом (американский математик, в 1946 году обосновавший состав устройств ЭВМ и принципы ее работы) и имеет структуру, ставшую к настоящему времени классической. Обобщенная структурная схема ЭВМ первых поколений, отвечающая программному принципу управления, представлена на рисунке 9.
|
|
|
| УВв |
| ОЗУ |
| УВыв |
| УВв |
| АЛУ |
| ВЗУ |
| Программы и исходные данные |
| Результаты |
| УУ |
Рисунок 9. Обобщенная структурная схема ЭВМ первых поколений
В персональных компьютерах, относящихся к ЭВМ четвертого поколения, используется структура с шинным интерфейсом: все устройства компьютера обмениваются информацией и управляющими сигналами через шину. Шина представляет собой систему функционально объединенных проводов, обеспечивающих передачу трех потоков.
| Процессор |
| Основная память |
| Системная шина |
| Контроллер |
| Контроллер |
| ВнУ |
| ВнУ |
| … |
| … |
Рисунок 10. Структурная схема ЭВМ четвертого поколения
Одним из преимуществ ПК является его универсальность. Универсальность компьютера состоит в том, что он один в состоянии обрабатывать информацию разных типов и выполнять целый спектр операций с информацией одного типа. Благодаря этому компьютер в совокупности с соответствующим набором периферийных устройств в состоянии обеспечить выполнение всех функций работы с информацией. Благодаря своей универсальности ПК обладают максимальным количеством преимуществ, значимых с точки зрения применения. Вне зависимости от марки, модели, времени создания и области применения все компьютеры имеют общие фундаментальные особенности, в числе которых: мультимедийность (возможность обработки, хранения, представления и передачи информации разных типов); совместная работа с различными аппаратными устройствами, существенно расширяющими возможности ПК по обработке, хранению, представлению и передаче информации разных типов; выполнение операций по обработке информации под управлением специально разрабатываемых программ, нацеленных как на поддержание работы различных системных функций компьютера, так и на решение прикладных задач, значимых для информатизации деятельности человека; совместимость.
|
|
|
Для некоторых ПК отличительной чертой является их мобильность, когда благодаря небольшим размерам и весу компьютера, человек имеет возможность использовать его вне зависимости от своего местонахождения.
По способу эксплуатации различают: суперкомпьютеры, мэйнфреймы, серверы, персональные компьютеры.
Суперкомпьютеры – это современные компьютеры с высокой мощностью и скоростью обработки данных. Каждый суперкомпьютер уникален, так как разрабатывается и изготавливается под конкретный заказ для решения определенной задачи, требующий больших объемов вычислений. Например, суперкомпьютеры используются в научных исследованиях таких опасных явлений, как ядерные процессы, моделирование цепной реакции и ядерного взрыва.
Мэйнфреймы – это достаточно мощные компьютеры с высоким быстродействием и большими вычислительными ресурсами. Они используются для обработки и хранения большого количества данных, выполняют запросы нескольких тысяч пользователей одновременно, а также крупных веб-узлов, где нужно обрабатывать большое количество одновременных обращений.
Серверы – компьютеры, которые служат центральными узлами в компьютерных сетях. Это часть компьютерной сети для совместного пользования ресурсов. В них хранится информация, которой могут пользоваться все компьютеры, подключенные к сети.
Персональные компьютеры. Понятие «персональный» здесь не случайно – оно означает свой, личный, отвечающий требованиям универсальности применения, общедоступности пользования. Можно сказать, что персональные компьютеры совершили компьютерную революцию в профессиональной деятельности миллионов людей и оказали огромное влияние на все сферы жизни человеческого общества. Персональные компьютеры бывают настольными, портативными и карманными. Они отличаются друг от друга по техническим характеристикам, стоимости и сфере применения. Выделим несколько основных категорий персональных компьютеров и их технических возможностей.
|
|
|
Настольный компьютер (desktop) – это стационарный персональный компьютер, сделанный специально для работы в офисе или в домашних условиях, он предназначен для личного использования. Портативный компьютер (notebook) - э то небольшой переносной персональный компьютер, выполняющий все функции настольного ПК, но при этом все компоненты объединены в одном корпусе - клавиатура, монитор, системный блок и другие компоненты, которые позволяют сделать этот компьютер практически полностью автономным. Небольшие размеры позволяют брать его в дорогу. Ноутбук обычно выполнен в раскладном форм-факторе, то есть корпус компьютера складывается пополам. Работает он от батареи (работоспособность современных ноутбуков может составлять до 14 часов работы) или его можно включить в сеть. Карманный персональный компьютер (handheld) - самый миниатюрный вид портативного компьютера, помещающийся в кармане или на человеческой ладони. На сегодняшний момент это устройство практически вытеснено с рынка смартфонами и коммуникаторами, а причиной происходящего стало то, что КПК не умеет звонить. Изначально он разрабатывался как записная книжка (органайзер). Смартфон. Это мобильный телефон с достаточно богатым функционалом. Такой набор функций позволяет его сравнивать с карманным персональным компьютером. С каждым годом функции смартфона совершенствуются. Отличительная черта таких устройств - компактность.
В дальнейшем, говоря «компьютер», мы будем иметь в виду именно персональный компьютер и будем рассматривать настольные модели.
Аппаратное обеспечение ПК
Аппаратное обеспечение – это система взаимосвязанных технических устройств, выполняющих ввод, хранение, обработку и вывод информации. Существует понятие «базовая конфигурация компьютера», что означает необходимый комплект аппаратных средств для работы с компьютером. В настоящее время для настольных компьютеров базовой считается конфигурация, в которую входят следующие устройства:
- системный блок;
- монитор;
- клавиатура;
- компьютерная мышь.
|
|
|
Системный блок.
Системный блок – функциональный элемент, защищающий внутренние компоненты компьютера от внешнего воздействия и механических повреждений, поддерживающий необходимый температурный режим внутри, экранирующий создаваемое внутренними компонентами электромагнитное излучение и являющийся основой для дальнейшего расширения системы. Системные блоки массово изготавливают заводским способом из деталей на основе стали, алюминия и пластика. Для творчества используются такие материалы, как древесина или органическое стекло. Это основной узел, внутри которого установлены важные компоненты компьютера. Внутри системного блока располагаются внутренние устройства, или как еще их называют – комплектующие. Рассмотрим по значимости основные внутренние устройства.
Материнская плата
Системная плата. Основным аппаратным компонентом компьютера является системная плата, по-другому она ещё называется материнской платой. Н а ней располагаются основные элементы компьютера: центральный процессор, микропроцессорный комплект, оперативная память, шины, постоянная память, разъемы для подключения дополнительных устройств и др. Она обеспечивает передачу сигналов от устройства к устройству, то есть реализует магистраль обмена информацией. Именно материнская плата объединяет и координирует работу практически всех устройств. Управляет работой материнской платы микропроцессорный набор микросхем – чипсет. В буквальном переводе чипсет (chipset) означает «набор микросхем».
Чипсе́т — набор микросхем, спроектированных для совместной работы с целью выполнения набором каких-либо функций. Так, в компьютерах чипсет, размещаемый на материнской плате, выполняет роль связующего компонента, обеспечивающего совместное функционирование подсистем памяти, центрального процессора (ЦП), ввода-вывода и других.
Сокет – разъем на материнской плате для подключения центрального процессора. Т.е. это разъём, в который помещается процессор. Материнская плата должна поддерживать точно такой сокет, какой будет у процессора.
Чипсет и формат разъема микропроцессора определяют, какой тип процессоров может быть установлен в данную материнскую плату.
Процессор
Процессор (микропроцессор). Микропроцессор – основная микросхема компьютера, его «мозг». Микросхема процессора представляет собой небольшую интегральную схему, заключенную в плоский корпус с рядами металлических штырьков – контактов. Использование современных высоких технологий позволяет разместить на интегральной схеме процессора огромное количество функциональных элементов, размеры которых составляют около 0.13 микрон.
|
|
|
Центральный процессор (ЦПУ, CPU, от англ. Central Processing Unit) – это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.
Центральный процессор в общем случае содержит в себе:
- арифметико-логическое устройство;
- шины данных и шины адресов;
- регистры;
- счетчики команд;
- кэш очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);
- математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.
Основной функцией процессора является управление работой всей системы и выполнение операций над данными. Он выполняет программный код, находящийся в памяти, и руководит работой всех устройств компьютера. Процессор имеет специальные ячейки, которые называются регистрами. Именно в регистры помещаются команды, которые выполняются процессором, а также данные, которыми оперируют команды. Работа процессора состоит в выборе из памяти в определенной последовательности команд и данных для их последующего выполнения.
Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет собой алгоритм работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода — тогда адрес следующей команды может оказаться другим.
Все другие устройства лишь обеспечивают работу процессора: поставляют ему данные для обработки и принимают обработанную, готовую информацию. Основная характеристика процессора – тактовая частота. Тактовая частота измеряется в мегагерцах и гигагерцах. На выполнение процессором каждой базовой операции (например, сложения) отводится определенное количество тактов. Очевидно, что чем больше тактовая частота, тем больше операций в секунду выполняет процессор и тем выше производительность компьютера.
Во время работы процессор нагревается, поэтому на него устанавливается радиатор, который отводит всю эту теплоту, а сверху ещё устанавливается и кулер – это небольшой вентилятор, который гоняет воздух и охлаждает радиатор.
Оперативная память
Оперативная память. Также на материнской плате устанавливаются модули памяти, которые называются оперативной памятью. Оперативная память – основная память компьютера, обеспечивающая оперативную запись, хранение и предоставление информации другим блокам компьютера во время его работы. Во время выполнения программы в оперативной памяти хранятся ее данные. Микросхемы оперативной памяти иногда называют энергозависимой памятью: после выключения компьютера данные, хранимые в них, будут потеряны, если они предварительно не были сохранены во внешней памяти. Чтобы избежать этого, некоторые приложения автоматически делают резервные копии данных. Важнейшей характеристикой модулей памяти является быстродействие.
Системная шина
Системная шина. Системная шина — компьютерная подсистема, соединяющая между собой все устройства и отвечающая за передачу информации между ними. Это набор проводников (металлизированных дорожек на материнской плате), по которым передается информация в виде электрических сигналов. Основной функцией системной шины является передача информации между базовым процессором и остальными электронными компонентами компьютера. По этой шине так же осуществляется не только передача информации, но и адресация устройств, а также обмен специальными служебными сигналами. Т.о. системную шину условно можно разделить на шину данных, адресную (для сообщения всем устройствам - кому эти данные предназначены) и шину управления.
Шина входит в состав материнской платы, на которой располагаются ее проводники и разъемы (слоты) для подключения плат адаптеров устройств (видеокарты, звуковые карты, внутренние модемы, накопители информации, устройства ввода/вывода и т. д.) и расширений базовой конфигурации (дополнительные пустующие разъемы). Чем выше тактовая частота системной шины, тем быстрее будет осуществляться передача информации между устройствами и, как следствие, увеличится общая производительность компьютера, т. е. повысится скорость компьютера.
Порты
Порты. Это тип интерфейса, разработанный для компьютеров для подключения различных периферийных устройств (порты предназначены для соединения периферийных устройств с материнской платой). Существует несколько видов портов.
- Параллельные порты (LPT). Параллельное соединение называют метод передачи нескольких сигналов с данными одновременно по нескольким параллельным каналам, способны передавать информацию байтами синхронно по восьми проводникам. Чаще всего параллельные порты LPT используются для подключения к компьютеру печатающих устройств (принтеров) (устаревший вариант).
- Последовательные порты (СОМ) Последовательные порты передают данные последовательно. Последовательным данный порт называется потому, что информация через него передаётся по одному биту, бит за битом (в отличие от параллельного порта).
- Порт PS/2. Во второй половине 1980-х годов компания IBM выпустила серию ПК под названием PS/2, у которые был специальный маленький круглый разъем для мыши, который впоследствии и стали называть PS/2. В современные компьютерах обычно имеется два разъема PS/2 для подключения мыши и клавиатуры.
- Порт USB (universal Serial Bus — универсальная последовательная магистраль) — интерфейс для подключения различных внешних устройств. В результате чего отпадает необходимость в установке дополнительных плат в слоты расширения и переконфигурировании системы. Персональные компьютеры, имеющие шину USB, позволяют подключать периферийные устройства и осуществляют их автоматическое конфигурирование, как только устройство физически будет присоединено к машине, и при этом нет необходимости перезагружать или выключать компьютер, а также запускать программы установки и конфигурирования.
- Порт FireWire это последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами.
|
|
|
