Базовая аппаратная конфигурация персонального компьютера (ПК).

Рассмотрим устройство компьютера на примере самой распространенной компьютерной системы — персонального компьютера.

Определение. Персональным компьютером (ПК) называют сравнительно недорогой универсальный микрокомпьютер, рассчитанный на одного пользователя. Персональные компьютеры обычно проектируются на основе принципа открытой архитектуры, который заключается в следующем:

§ Регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация(определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Это позволяет собирать ПК из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-производителями;

§ ПК легко расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних разъёмов, к которым пользователь может подключать разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию машины в соответствии со своими личными предпочтениями

Общая схема, отражающая основные функциональные компоненты компьютерной системы и их взаимосвязь, изображена на рисунке 4.2.

Рис. 4.2. Общая структура персонального компьютера.

Для соединения друг с другом различных устройств компьютера они должны иметь одинаковый интерфейс (от англ. interface) — средство сопряжения, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой. Если интерфейс является общепринятым, например, утверждённым на уровне международных соглашений, то он называется стандартным.

Периферийные (внешние) устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты (см. рис.4.3).

Рис. 4.3. Схема согласования интерфейсов

§ Контроллеры иадаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

§ Портыустройств представляют собой электронные схемы, содержащие регистры ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства к компьютеру.

Портами также называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельныйиигровой порты (или интерфейсы).

Последовательный портобменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами — побитно. Параллельный портполучает и посылает данные побайтно.Через игровой порт обычно подключается джойстик. Клавиатура и монитор подключаются к своим специализированным портам.

Современный персональный компьютер может быть реа­лизован в стационарном (настольном), портативном (переносном)иликарманном (handheld) вариантах.

Основные разновидности портативных компьютеров:

§ Laptop (наколенник). По размерам близок к обычному портфелю. По основным характеристикам (быстродействие, память) примерно соответствует настольным ПК.

§ Notebook (блокнот, записная книжка). По размерам он ближе к книге крупного формата, помещается в портфель-дипломат. Комплектуется модемом и приводом CD ROM. Многие современные ноутбуки имеют в своём составе взаимозаменяемые блоки со стандартными разъёмами. В одно и то же гнездо можно по мере надобности вставлять привод компакт-дисков, накопитель на магнитных дисках, запасную батарею или съёмный винчестер.

§ Palmtop (наладонник)— самый маленький современный персональный компьютер, умещается на ладони. Магнитные диски в нём заменяет энергонезависимая электронная память. Нет и накопителей на дисках — обмен информацией с обычными компьютерами идет по линиям связи. Если Palmtop дополнить набором деловых программ, записанных в его постоянную память, получится персональный цифровой помощник (Personal Digital Assistant).

Основные конструктивные компоненты современного настольного персонального компьютера [14]⁾:

§ системный блок;

§ монитор;

§ клавиатура;

§ манипулятор (как правило, типа«мышь»).

В системном блоке размещаются:

§ блок питания;

§ системная плата;

§ платы расширения;

§ накопитель на жёстких магнитных дисках;

§ накопитель на гибких магнитных дисках;

§ накопитель на компакт-дисках (CD)и др.

Корпус системного блока может иметь горизонтальную (DeskTop) или вертикальную (Tower—башня) компоновку.

Системный блок.

Основ­ным аппаратным компонентом компьютера является системная или материнская (MotherBoard) плата. На системной плате реализо­вана магистраль обмена ин­формацией, имеются разъе­мы для установки процессо­ра и оперативной памяти и т. д. Контроллеры и адаптеры периферийных устройств, либо сами эти устройства, выполненные в виде плат расширения (DаughterBoard — дочерняя плата), подключаются к системной шине посредством разъёмов расширения — слотов (от англ. slot — щель, паз).

Быстродействие различных компонентов компьютера (процессора, оперативной памяти и контролле­ров периферийных устройств) может существенно различать­ся. Для согласования быстродействия на системной плате устанавливаются специальные микросхемы, образующие микропроцессорный комплект (ChipSet — чипсет), вклю­чающий в себя контроллер оперативной памяти (так называе­мый северный мост) и контроллер периферийных устройств (южный мост).

§ Северный мост обеспечивает обмен информацией между процессоромиоперативной памятью по системной шине. В процессоре используется внутреннее умножение частоты, поэтому его частота в несколько раз больше, чем ча­стота системной шины. В современных компьютерах часто­та процессора может превышать частоту системной шины в 10 и более раз (например, частота процессора 1 ГГц, а частота шины — 100 МГц). К северному мосту также подключается видеокарта (графический адаптер). Для этого обычно используется специальная шина AGP (Accelerated Graphic Port — ускоренный графический порт).

§ Южный мост обеспечивает обмен информацией между се­верным мостомипортами для подключения периферийного оборудования. К южному мосту подключается шина PCI (Peripheral Component Interconnect bus — шина взаимодействия пери­ферийных устройств), которая обеспечивает обмен информа­цией с контроллерами периферийных устройств. Частота контроллеров меньше частоты системной шины, например, если частота системной шины составляет 100 МГц, то часто­та шины PCI обычно в три раза меньше — 33 МГц. Контрол­леры периферийных устройств (звуковая плата, сетевая пла­та, внутренний модем и др.) устанавливаются в слоты расширения системной платы.

Устройства хранения информации (жесткие диски, CD-ROM, DVD-ROM) подключаются к южному мосту по шинеATA (AT Attachment – подключенный к АТ) в режиме UDMA (Ultra Direct Memory Access — прямое подклю­чение к памяти).

Мышь и внешний модем подключаются посредством последовательных портов( СОМ1, COM2).

Принтерподключается через параллельный порт (LPT).

Для подключения сканеров и цифровых камер обычно ис­пользуется порт USB (Universal Serial Bus—универсальная последовательная шина).

Клавиатура и мышь подключаются обычно через порт PS/2.

Микропроцессоры ПК.

Определение. Центральный процессор (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 [15]⁾.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров и физически представляют собой сверхбольшие интегральные схемы (СБИС). Использование современных высоких технологий позволяет разместить на СБИС процессора огромное количество (около 42 миллио­нов в процессоре Pentium 4) функциональных эле­ментов (транзисторов) с разме­рами порядка 0,13 микрон (1 микрон = 10^-6 метра).

Важнейшей характеристикой, определяющей быстродей­ствие процессора (его вычислительную мощность), является тактовая частота, то есть ко­личество тактов в секунду.

Определение. Такт — это промежуток времени между началами подачи двух последовательных импульсов специальной микросхемой — генератором тактовой часто­ты (тактовых импульсов), синхронизирующим работу узлов компьютера.

На вы­полнение процессором каждой базовой операции (например, сложения) отводится определенное количество тактов. Ясно, что чем больше тактовая частота, тем больше операций в се­кунду выполняет процессор. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц) (1 МГц = миллион так­тов в секунду, 1 ГГц = миллиард так­тов в секунду). За 20 с небольшим лет тактовая частота про­цессоров увеличилась почти в 500 раз, от 5 МГц (процессор 8086, 1978 год) до 3,4 ГГц (процессор Pentium 4, 2004 год).

Другой характеристикой процессора, влияющей на его производительность, является разрядность, определяемая количеством двоичных разрядов, которые могут передаваться или обрабатываться процессором одновременно. Часто уточняют разрядность процессора и пишут 64/32, что означает, что процессор име­ет 64-разрядную шину данных и 32-разрядную шину адреса.

В первом отечественном школьном компьютере «Агат» (1985 год) был установлен процессор, имевший разрядность 8/16, соответственно одновременно он обрабатывал 8 бит информации, а его адресное пространство составляло 64 килобайта.

Производительностьпроцессора является его интеграль­ной характеристикой, зависящей от частоты, разрядности, а также от особенностей архитектуры (на­личие кэш-памяти и др.).

Примечание.

В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров. Такие системы называются многопроцессорными.

Классификация памяти ПК.

Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов(битов), объединенных в группы по 8 бит, которые называются байтами.

Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом. Байты могут объединяться в ячейки, которые называются словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова — два, четыре или восемь байт. Это не исключает использования ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово). Используются и более крупные производные единицы объема памяти: Килобайт, Мегабайт, Гигабайт, а в последнее время Терабайт и Петабайт.

В современных компьютерах используется множество разнообразных запоминающих устройств, которые отличаются между собой по назначению, временным характеристикам, объёму хранимой информации и стоимости хранения одинакового объёма информации. Различают два основных вида памяти — внутреннююи внешнюю.

4.5.1.Внутренняя память.

В состав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-память и специальная память.

Оперативная память

Определение. Оперативная память (ОЗУ—оперативное запоминающее устройство, от англ. RAM—Random Access Memory—память с произвольным доступом) — это быстродействующее запоминающее устройство, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и обрабатываемых данных.

Примечание.

Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, так как после выключения питания её содержимое стирается.

Обычно ОЗУ выполняется на интегральных микросхемах динамической памяти DRAM (Dynamic RAM). Каждый информационный бит в DRAM запоминается в виде электрического заряда конденсатора, образованного в структуре полупроводникового кристалла. Из-за токов утечки конденсаторы быстро разряжаются и их периодически (примерно каждые 2 миллисекунды) подзаряжают специальные устройства. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh Memory). Микросхемы DRAM имеют ёмкость 16 - 256 Мбит и более. Из них собираются модули памяти. Большинство компьютеров комплектуются модулями типа DIMM (Dual-In-line Memory Module—модуль памяти с двухрядным расположением контактов). В современных компьютерных системах применяются также высокоскоростные модули Rambus DRAM (RIMM)иDDR DRAM.

Модули памяти характеризуются объемом (16, 32, 64, 128, 256, 512 и более Мбайт), числом микросхем в модуле, частотой работы (100, 133, 266, 333, 400 и более МГц), временем доступа к данным (наносекунды) и числом контактов (72, 168 или 184). С 2001 г. начат выпуск модулей памяти емкостью 2 Гбайта.

Рекомендуемый объем оперативной памяти для современных ПК —от 128 до 512 Мбайт.

4.5.1.2.Кэш-память.

Определение. Кэш (от англ. Cache—тайник), или сверхоперативная память — высокоскоростное ЗУ небольшого объёма, являющееся своеобразным буфером между микропроцессором и гораздо менее быстродействующей оперативной памятью и компенсирующее разницу в скорости обмена данными между ними.

Кэш-память управляется контроллером, который, анализируя выполняемую программу, пытается «предвидеть», какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору и загружает их в кэш-память. При этом возможны как "попадания" в кэш, так и "промахи". В случае попадания, то есть, если в кэш переданы нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает её непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий в кэшипромаховопределяет эффективность кэширования.

Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти SRAM (Static RAM), более быстродействующих, чем DRAM. Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память, так называемый кэш первого уровня размером 8, 16 или 32 Кбайт. Кроме того, на системной плате компьютера может быть установлен кэш второго уровня ёмкостью 256, 512 Кбайт и более.

4.5.1.3.Специальная память.

К устройствам специальной памяти относятся постоянная память (ROM), перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory), память CMOS RAM, питаемая от батарейки,видеопамятьи некоторые другие виды памяти.

Определение. Постоянная память (ПЗУ—постоянное запоминающее устройство, от англ. ROM—Read Only Memory—память только для чтения) — энергонезависимая память, используемая для хранения данных, не требующих изменения. Информация в микросхему ПЗУ специальным образом записывается при ее изготовлении.

Определение. Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) — энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого.

В микросхему ПЗУили Flash-памяти записывается BIOS.

Определение. BIOS (Basic Input/Output System—базовая система ввода-вывода) — совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств компьютера после включения питания, загрузки операционной системы в оперативную память, а также некоторых других программ.

Роль BIOS двоякая: с одной стороны, это неотъемлемый элемент аппаратуры, а с другой — важный модуль любой операционной системы.

Определение. CMOS RAM (Complementary Metal Oxide Semiconductor) — это память с независимым энергопитанием (от батарейки), используемая для хранения настроек конфигурации компьютерной системы, задаваемых пользователем специальной программой Setup в составе BIOS.

Определение. Видеопамять (VRAM – Video RAM) — разновидность оперативного ЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам — процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.

4.5.2.Внешняя память.

Основной функцией внешней памяти компьютера (ВЗУ — внешних запоминающих устройств) являет­ся способность долговременного хранения больших объемов инфор­мации.

Примечание.

В отличие от оперативной памяти внешняя память не имеет прямой связи с процессором. Информация от ВЗУ к процессору и наоборот передаётся примерно по следующей схеме (рис.4.4):

Рис.4.4. Схема взаимодействия ВЗУ с процессором.

Определение. Устройство, обеспечивающее запись/считывание инфор­мации, называется накопителем, а сама информация хранит­ся на носителях (например, дискетах).

§ По способу доступа к информации на носителяхвсе накопители делятся на устройства произвольного (прямого) и последовательного доступа.

§ По принципу записи/считывания информации накопители бывают магнитные, оптические, магнитооптические и на микросхемах памяти (Flash-память).

Магнитные накопители.

Умагнитныхнакопителей принцип записи информации основан на явлении намаг­ничивания ферромагнетиков магнитным полем, хранение информации связано с длительным сохранением этой намагниченности, а считывание базируется на явлении электро­магнитной индукции. К подобным устройствам внешней памяти относятся накопители на гибких магнитных дисках, на жестких магнитных дисках, на магнитной лентеина сменных магнитных дисках большой ёмкости.

§ Гибкие магнитные диски (дискеты). Носитель информа­ции, изготовленный из покрытого магнитным слоем гибкого материала (лавсана) и поме­щённый в жесткий пластиковый корпус, называется дискетой (FD — от англ. Floppy Disk). Запись/считывание данных выполняется в накопителе на гибких магнитных дисках (FDD—от англ.Floppy Disk Drive, дисковод), ко­торый вращает дискету с постоянной угловой скоростью 360 об/мин, причём только при обращении к ней. Информация на дискету записывается по концентрическим дорожкам (трекам), которые делятся на сектора (рис.4.5.). Емкость сектора постоянна и составляет 512 байт. Количество дорожек и секторов зависит от типа и формата дискеты. При записи или счи­тывании информации магнитная головка дисковода устанавливается сразу на определенную дорожку диска, т.е. FDD является устройством произвольного (прямого) доступа. Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков. Стандартная информационная емкость дискеты невелика и составляет 1,44 Мбайт. Скорость записи и считывания информации — око­ло 50 Кбайт/с.

Примечание.

Гибкие магнитные дис­ки необходимо предохранять от воздействия сильных маг­нитных полей и нагревания, т.к. это может привести к размагничиванию носителя и потере информации.

В настоящее время наибольшее распространение получили дискеты размером 3,5 дюйма (89 мм) со следующими характеристиками: 2 рабочие поверхности по 80 дорожек на каждой, 18 секторов на дорожке, ёмкость 1,44 Мбайт.

§ Жесткие магнитные диски.Накопитель на жёстких магнитных дисках(HDD— от англ. Hard Disk Drive, или HD — Hard Disk), он же «винчестер» — это наиболее распространённое внешнее запоминающее устройство большой ёмкости. В нём носителями информации являются круглые металлические пластины размером, как правило, 3,5 дюйма — платтеры (их может быть несколько), поверхности которых покрыты слоем магнитного материала.

Как и у дискеты, рабочие поверхности платтеровразделены на концентрические дорожки, а дорожки — на сектора. Магнитные головки записи/считывания вместе с их несущей конструкцией (блок головок) и платтеры заключены в герметически закрытый корпус. HDD также является устройством произвольного (прямого) доступа к данным. В отличие от дискеты, платтеры винчестера вращаются постоянно, а не только при записи/считывании информации, при этом над ними образуется слой воздуха, который обеспечивает воздушную подушку для зависания магнитных головок на высоте менее микрона над поверхностью пластин. Винчестер связан с процессором через контроллер жесткого диска. У современных моделей скорость вращения шпинделя (вращающего вала) обычно составляет 5400, 7200, 10000 и более об/мин, среднее время поиска данных — около 10 мс, средняя скорость передачи данных — до 60 Мбайт/с. Все HDD имеют встроенную кэш-память (обычно 2 — 8 Мбайт), которая существенно повышает их производительность. Информационная емкость современных жест­ких дисков находится в пределах от 20 до 160 и более Гбайт.

§ Магнитные ленты.Накопитель на магнитных лентахстример—отангл. tape streamer)— это устройство внешней памяти последовательного доступа, предназначенное для резервного копирования и хранения больших объёмов информации. В качестве носителя здесь применяются кассеты с магнитной лентой (картриджи) ёмкостью до нескольких десятков Гбайт и более. Встроенные в стример средства аппаратного сжатия позволяют автоматически уплотнять информацию перед её записью и восстанавливать после считывания, что увеличивает объём сохраняемой информации. Недостатком стримеров является их сравнительно низкая скорость записи, поиска и считывания информации.

§ Сменные магнитные диски большой ёмкости.В последнее время всё шире используются накопители на сменных гибких и жестких магнитных дисках, которые позволяют не только увеличивать объём хранимой информации, но и переносить информацию между компьютерами. Объёмы сменных дисков — от сотен Мбайт до нескольких Гбайт.