Файл: Устройство персонального компьютера. История создания компьютера.pdf

Введение

Сегодня компьютеры есть в большинстве семей. Мы используем их для получения образования, для развлечений, для просмотра фильмов и клипов, причем для выполнения всех этих целей может быть использован один компьютер. Компьютеры являются помощниками для людей различных профессий, таких как инженер, врач, дизайнер. Некоторые из профессий полностью связаны с компьютерами. Благодаря компьютеру стало возможным создавать практически полностью автоматизированные производства, реализовывать многие проекты, ускорить и сделать более продуктивным процесс обучения и еще многое другое.

Развитие производства и увеличение объема информации привели к необходимости создания компьютера как своего рода инструмента для обработки и хранения этой информации.

1. История создания компьютера

Итак, что же означает понятие «персональный компьютер»?

Согласно ГОСТ 15971-90, Персональный компьютер, ПК или ПЭВМ (персональная электронно-вычислительная машина) – настольная микро-ЭВМ, имеющая эксплуатационные характеристики бытового прибора и универсальные функциональные возможности.

Т.к. компьютер используется людьми для различных целей, его можно назвать универсальным устройством. Л. Л. Босова в учебнике «Информатика» пишет, что компьютер это «универсальная машина для работы с информацией». И. Г. Семакин добавляет к этому определению слово «техническая».

Термин «персональный компьютер» был введен в 1964 году и относился только к устройству Programma 101 (Olivetti). Но затем был перенесен и на другие компьютеры. В СССР все вычислительные машины, предназначенные для персонального использования, носили название ПЭВМ или персональные электронные вычислительные машины. Сегодня персональным компьютером называют любую ЭВМ, имеющую IBM-совместимую архитектуру.

А. Я. Фридланд в толковом словаре «Информатика и компьютерные технологии» дает другое определение. ПК – это компьютер, предназначенный для индивидуального использования. Основные критерии отнесения компьютера к классу ПК: малые размеры, низкая цена, функциональная универсальность, простота модернизации.

В рутинных занятиях компьютер без проблем заменит человека, но без помощи человека, как пользователя ПК, компьютер работать не сможет. В каких-либо вычислениях, действиях работу компьютера надо контролировать. Для удобного общения между пользователем и ПК служит удобный пользовательский интерфейс.

Принцип работы компьютера заключается в обработке данных. Компьютер может решать серии проблем и принимать тысячи логических решений, тратя на это доли секунд.

К положительным качествам компьютера можно отнести быстродействие, многозадачность, универсальность использования, относительную компактность.

С развитием цивилизации у людей возникала потребность в счете и автоматизации этого процесса. Люди осуществляли торговые сделки, проводили землемерные работы, используя при этом огромные числа и проводя сложные вычисления. Изобретенные издревле счетные палочки, абаки в ходе развития науки и техники эволюционировали в первые калькуляторы, а затем и в персональные компьютеры.

Первой попыткой механизированной устройством стала изобретенная в 1642 году Блезом Паскалем арифметическая суммирующая машина. Она представляла собой ящик с многочисленными связанными одна с другой шестерёнками. Числа, которые нужно сложить, вводились в машину при помощи шестеренок.

В период с 1882 по 1838 гг. математик Чарлз Бэббидж предпринял попытку создать первое программируемое вычислительное устройство. Механизм аналитической разностной машины приводился в действие специальными рукоятками. Она производила вычисления над большими числами с высокой точностью.

В 1890 году было создано первое автоматическое вычислительное устройство, именуемое как Табулятор Холлерита.

Первым вычислительным устройством, использующим двоичную систему счисления, стала вычислительная машина Z1, разработанная в 1937 году Конрадом Цузе.

Меньше чем через десятилетие фирма IBM выпустила первый программируемый компьютер Mark I.

Первые ЭВМ:

ЭНИАК (1946) - первый электронный цифровой вычислитель общего назначения, который можно было перепрограммировать для решения широкого спектра задач.

Манчестерская малая экспериментальная машина (1948) - первый электронный компьютер, построенный по принципу совместного хранения данных и программ в памяти.

EDSAC (1949) - первый в мире действующий и практически используемый компьютер с хранимой в памяти программой.

Первые ПК:

«Кухонный компьютер» (1969) - первый домашний компьютер.

Kenbak-1 (1971) – «микрокомпьютер».

Apple I (1976) – первый ПК, продававшийся в полностью собранном виде.

Apple II (1977) – первый ПК в пластиковом корпусе со встроенной клавиатурой, цветной графикой, звуком.

TRS-80 Color Computer (1980) – первый ПК с многопользовательской и многозадачной операционной системой.

IBM PC 5150 (1981) - персональный компьютер на архитектуре Intel x86.

IBM PC/XT (1983) – ПК с жестким диском.

Apple Macintosh (1984) - первый персональный компьютер с манипулятором типа «мышь» и полностью графическим интерфейсом.

Компьютеры, представленные выше являются родоначальниками современного персонального компьютера.

2. Архитектура и структура персонального компьютера

Среди функций компьютера можно выделить две основные:

• работа с информацией (обработка, хранение);
• обмен информацией с внешними объектами.

Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций компьютера:

• обеспечивают эффективные режимы его работы,
• диалог с пользователем,
• высокую надежность и т.д.

Эти функции компьютера реализуются с помощью аппаратного и программного компонента компьютера.

Аппаратное обеспечение, или hardware – это «тело» компьютера, т.е. физическая его часть. Это системный блок с процессором и материнской платой, жесткий диск, периферийные устройства и д.

Программное обеспечение, или software – это «интеллект» компьютера, т.е. информация и программы для обработки информации и управления процессами.

При рассмотрении персонального компьютера как устройства необходимо различать понятия его архитектуры и структуры.

Под архитектурой компьютера принято считать концептуальную структуру вычислительной машины, определяющую проведение обработки информации и включающую методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения. Иными словами, это описание компьютера на некотором общем уровне, которое включает описание входящих в него компонент, принципы их взаимодействия, включая функции и характеристики, а также описание пользовательских возможностей.

Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации. Т.е. это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.

Джон фон Нейман, выдающийся физик-математик, в середине 20-го века предложил несколько основных принципов конструирования персональных компьютеров. Концепция, разработанная фон Нейманом предполагает, соблюдение следующих принципов:

• Принцип однородности памяти. Все команды, программы и данные, хранятся в одной и той же памяти.
• Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Для доступа к ячейкам памяти используются номера ячеек, которые принято называть адресами.
• Принцип программного управления. Все вычисления представлены в виде команд, которые содержат определенную операцию.
• Принцип двоичного кодирования. Вся информация (данные, команды, программы) представлена в памяти компьютера в двоичном виде, т.е. в виде последовательности 0 и 1.

Джон фон Нейман предположил, что компьютер должен состоять из следующих модулей (Рисунок 1).

В настоящее время компьютеры проектируются на принципе открытой архитектуры. Это архитектура, допускающая сборку, усовершенствование и ремонт компьютера по его составным элементам — модулям. Принцип открытой архитектуры используется в конструкции персональных компьютеров, при производстве IBM-совместимых (или Intel-совместимых) ПК.

Рисунок 1 Архитектура фон Неймана.

Открытые спецификации архитектуры компьютера или периферийного устройства позволяют сторонним производителям разрабатывать дополнительные устройства к системам с открытой архитектурой.

Рассмотрим ключевые компоненты современных персональных компьютеров.

2.1 Материнская плата

Материнская плата – это сложная многослойная печатная плата (Рисунок 2), на которой монтируется чипсет и прочие компоненты компьютерной системы. Она является основой построения системы компьютера. Вместе с подключенным к ней устройствами, системная плата встраивается в корпус (системный блок) персонального компьютера.

Рисунок 2 Материнская плата (без подключенных устройств)

Первая материнская плата была разработана фирмой IBM в 1981 году. Эта плата не могла без корректировки поддерживать многие устройства расширения, такие как жесткий диск.

Материнская (системная) плата состоит их следующих основных частей, которые, как правило, являются несъемными:

Разъем центрального процессора (ЦПУ). Разъем, предназначенный для установки в него центрального процессора. Процессор устанавливается в разъем вместо припаивания, и это значительно упрощает замену процессора в случае ремонта или модернизации ПК.

Разъемы оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), или оперативной памяти. В эти разъемы подключаются модули динамической памяти, содержащие полупроводниковые интегральные схемы.

Микросхемы чипсета (северный мост и южный мост).

Северный мост – это специальный прямоугольный чип, расположенный в верхней части материнской платы под процессором, который отвечает за взаимодействие центрального процессора с оперативной памятью и видеоадаптером. Северный мост соединяется с системной платой через согласующий интерфейс и южный мост.

Южный мост – это контроллер –концентратор ввода-вывода. Обычно представлен в виде микросхемы, которая обеспечивает взаимодействие периферийных устройств с ЦПУ.

Особенности материнской платы и то, какие устройства могут подключаться к ней определяют северный и южный мосты.

Загрузочное ПЗУ (BIOS). Это набор микропрограмм, реализующих интерфейс прикладного программирования для работы с аппаратурой компьютера и подключёнными к нему устройствами.

Контроллеры шин и их слоты расширения. Компьютерные шины служат для передачи данных между функциональными блоками компьютера.

Контроллеры и интерфейсы периферийных устройств. Это слоты и разъемы, в которые подключаются устройства ввода/вывода данных (монитор, клавиатура, мышь, принтер и т.д.).

На схеме (Рисунок 3) изображена схема материнской (системной) платы IBM-совместимого компьютера.

Рисунок 3 Схема материнской платы

Выбирая материнскую плату в процессе сборки или модернизации ПК необходимо убедиться, что данная модель соответствует другим аппаратным компонентам и модулям.

Говорить о материнской плате в отдельности от всех остальных частей компьютера невозможно — это комплекс, работающий как один организм. Тенденции развития материнских плат в основном диктуются развитием микропроцессоров.

2.2 Процессор

Процессор (центральное процессорное устройство - ЦПУ) является главной микросхемой в современном компьютере, т.к. именно он координирует работу остальных частей системы и осуществляет обработку данных. Центральный процессор (Рисунок 4) состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ), устройства управления и набора регистров. Арифметико-логическое устройство обеспечивает выполнение вычислительных действий. Устройство управления обеспечивает порядок выполнения операций и прерывания. Регистры играют роль памяти.