Файл: Архитектура современных компьютеров (История возникновения и структура ПК).pdf

Введение

В наше время компьютеры есть почти в любой семье. Мы их используем в разных целях для развлечения, для получения образования, для просмотра клипов и фильмов, при этом для выполнения данных целей можно использовать всего один компьютер. ПК являются неотъемлемыми помощниками для людей разных профессий, таких как врач, дизайнер, инженер. А также есть профессии, которые полностью связанны с компьютерами. Благодаря ПК стало возможным создавать практически полностью автоматизированные производства, реализовать многие проекты, сделать и ускорить более продуктивным процесс обучения и другое.

Увеличение объема и развитие производства информации привели к об ходимости создания ПК как инструмента для хранения и обработки информации.

Актуальностью темы исследования является то, что ПК с момента появления прошли долгий путь до электронного устройства от механического, перетерпев при этом большое количество новшеств и глобальных изменений. Сегодняшний день является невозможным представить себе эффективную организацию рабочего и учебного процесса. ПК используется почти во всех сферах деятельности современного человека. В нынешнее время круг задач, требующих для своего решения применения мощных электронно-вычислительных машин, весьма расширился.

Объектом исследования работы является: современный ПК.

Предметом исследования работы является: устройство современного ПК.

Целью исследования работы является: изучение особенности устройства современного ПК.

Задачи исследования:

1. Изучить и проанализировать учебную литературу по теме «Устройство современного ПК»
2. Структурировать знания по данной теме и выделить основные составляющие ПК
3. Выделить основные моменты в истории, которые привели к появлению и созданию персонального компьютера
4. Изучить понятия «структура компьютера» и «архитектура компьютера»
5. Обобщить полученные в ходе работы знания

Глава 1. История возникновения и структура ПК

1.1 История возникновения компьютеров

Опираясь на ГОСТ 15971-90, ПК, или персональная ЭВМ – настольная микро-электронно-вычислительная машина, имеющая эксплуатационные стандартные функциональные возможности и характеристики бытового прибора.

Так как компьютер используется людьми в разных целях, его можно смело назвать универсальным устройством. Л. Л. Босова в учебнике «Информатика» пишет, что ПК — 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 ПК. В СССР все вычислительные машины, предназначенные для персонального использования, носили название персональные ЭВМ. На сегодняшний день ПК называют любую электронно-вычислительную машину, имеющую IBM-совместимую архитектуру .

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

В повседневных рутинных работах ПК без всяких проблем может заменить человека, но без человека, как пользователя Персонального Компьютера, компьютер работать самостоятельно полностью не сможет. В каких-либо действиях, вычислениях и так далее, работу компьютера надо полностью контролировать. Для лучшего и удобного общения между компьютером и пользователем служит пользовательский интерфейс.

Принцип работы ПК заключается в обработке данных. Персональный компьютер может принимать и обрабатывать тысячи логических решений и решать серии проблем, тратя на это считанные секунды.

К положительным качествам ПК относится: многозадачность, относительную компактность, универсальность использования, быстродействие.

С развитием и ростом цивилизованного мира у людей появилась потребность в автоматизации и счете этого процесса. Люди проводили землемерные работы, осуществляли торговые сделки, используя при этом сложные вычисления и огромные числа. Изобретенные давным-давно счетные палочки, абаки в ходе развития науки и техники эволюционировали в первые калькуляторы, а затем в ПК.

Самой 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. При помощи шестеренок в машину вводили числа, которые нужно сложить.

В период с 1882 по 1838 гг. математик Чарлз Бэббидж пытался создать первое программированное вычислительное устройство. С помощью специальных рукояток механизм аналитической разностной машины приводился в действие. Она производила вычисления больших чисел и сложных уравнений с большой скоростью и 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 10 лет фирма IBM выпустила первый программируемый компьютер Mark I.

Самые первые электронно-вычислительные машины:

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.

1.2 Структура компьютера

Среди всех стандартных функций ПК выделяют две основные:

● обмен с внешними объектами информацией.

● работа с информацией (хранение и обработка информации);

Так же есть дополнительные функции, которые значительно повышают эффективность выполнения классических основных функций ПК:

● высокую надежность,

● диалог с пользователем,

● обеспечивают эффективные режимы работы и т.д.

Данные функции ПК реализуются с помощью программного и аппаратного обеспечения компьютера.

Аппаратное обеспечение (АО), или hardware – это физическая часть или сказав проще «тело». Это системный блок с жестким диском, материнской платой и процессором, периферийным устройством и т.д.

Software или программное обеспечение – это программы и информации для управления процессами и обработки информации, «интеллект» компьютера.

При рассмотрении ПК как устройства необходимо уметь различать понятия его структуры и архитектуры.

Под архитектурой компьютера понимают концептуальную структуру ЭВМ, определяющая проведение обработки информации и включающую методы преобразования информации в принципы и данные взаимодействия ПО и технических средств. Другими словами, это описание ПК на некотором общем уровне, которое включает в себя описание компонентов, входящих в него, принципы их взаимодействия, включая характеристики и функции, а также описание пользовательских возможностей.

Структура ПК — это совокупность его функциональных элементов и связь между этими функциями. Элементами могут являться самые разные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура ПК графически представляется нам в виде структурных схем, с помощью которых можно дать полное описание ПК на любом уровне детализации. То есть это некая модель, устанавливающая состав, принципы и порядок взаимодействия входящих в нее компонентов.

Концепция, разработанная фон Нейманом предполагает, соблюдение некоторых принципов, которые описаны далее:

● Принцип однородности памяти.

● Принцип адресности.

● Принцип программного управления.

● Принцип двоичного кодирования.

В современном мире компьютеры проектируются по принципу открытой архитектуры. Данная архитектура, допускающая сборку, ремонт и усовершенствование ПК по его составным элементам — модулям. Принцип открытой архитектуры используется в конструкции персонального компьютера, при производстве IBM-совместимых (или Intel-совместимых) персонального компьютера.

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

Далее давайте рассмотрим основные компоненты современных ПК.

Процессор является основной микросхемой в современном ПК, так как именно он координирует работу остальных частей системы и осуществляет обработку данных. Главный центральный процессор состоит из набора регистров и устройства управления, а также из арифметико-логического устройства (АЛУ). АЛУ обеспечивает выполнение вычислительных действий. Устройство управления обеспечивает порядок выполнения прерывания и операций. Также роль памяти играют регистры.^[1] 

Персональный компьютер содержит в своем составе довольно много различных процессоров. Каждое устройство, будь то видеокарта, системная шина или еще что-либо, обслуживается своим собственным процессором или процессорами. Однако архитектуру и конструктивное исполнение персонального компьютера определяет процессор или процессоры, контролирующие и обслуживающие системную шину и оперативную намять, и, что более важно, выполняющие объектный код программ. Такие процессоры принято называть центральными или главными процессорами (Central Point. Unit — CPU). На основе архитектуры центральных процессоров строится архитектура материнских плат и проектируется архитектура и конструкция компьютера.

Компьютеры с процессорами, поддерживающими систему команд Intel х86 (фирм Intel, AMD, Cyrix, Transmeta), на которых может исполнять операционная система Microsoft Windows, называются Wintel-компьютерами (от Windows и Intel).

Тактовая частота процессора определяет минимальный квант времени, за который процессор выполняет некоторую условную элементарную операцию. Тактовые частоты измеряются в мегагерцах и определяют количественные характеристики производительности компьютерных систем в целом. Чем больше (выше) тактовая частота, тем быстрее работает центральный процессор.

Каждый микропроцессор имеет определенное число элементов памяти, называемых регистрами, арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления.

Регистры используются для временного хранения выполняемой команды, адресов памяти, обрабатываемых данных и другой внутренней информации микропроцессора. В АЛУ производится арифметическая н логическая обработка данных.

Устройство управления вырабатывает необходимые управляющие сигналы для внутренней работы микропроцессора и связи его с другой аппаратурой через внешние шины микропроцессора.

Первые процессоры были созданы с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников и вакуумных ламп. В середине 1950-х годов были внедрены транзисторы. Затем, спустя несколько десятилетий, появились микросхемы, которые сначала содержали простые резисторные и транзисторные сборки, далее появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора — регистры, микропрограммное устройство, арифметико-логического устройства, устройства работы с шинами команд и данных.^[2]

На сегодняшний день процессор представлен в виде электронного блока. Также процессор часто называют микропроцессором.

Процессор, как и другие устройства, имеет несколько основных характеристик, которые определяют качество работы. Ими являются:

• Производительность.
• Тактовая частота.
• Энергопотребление.
• Архитектура процессора.

Принцип открытой архитектуры персонального компьютера позволяет нам устанавливать на ПК более мощные и производительные центральные процессоры.^[3]

Оперативная память – является одной из основных частей ПК. Она предназначена для текущего хранения фрагментов пользовательских программ, операционной системы, их результатов работы и переменных и т.д. Частенько ОП называют оперативным запоминающим устройством ОЗУ. Количество задач, которое компьютер может выполнить одновременно, зависит от объема ОП.^[4]

ОЗУ – энергозависимая часть системы памяти компьютера, то есть данные сохраняются и доступны тогда, когда на модули ОП подается напряжение. При выключении питания теряется информация.

Обмен данными между оперативной памятью и процессором производится:

• через регистры в АЛУ;
• непосредственно.

Первые образцы ОП появились в 1834 году, когда математик Чарлз Бэббидж изобретал первую аналитическую машину. Одну из важнейших частей этой машины он называл «складом», эта часть была предназначена для хранения промежуточных результатов вычислений. Информация в «складе» запоминалась в чисто механическом устройстве в виде шестерней и поворотов валов.