Файл: Устройство персонального компьютера ( Понятие персонального компьютера ).pdf

Введение

Жизнь современного человека тесно связана с различными техническими устройствами и в первую очередь с компьютерами. Персональные компьютеры уже давно и прочно вошли в наш повседневный обиход. Сфера их применения необычайно широка: образование, медицина, производство, банковские услуги, киноиндустрия - во всех этих направлениях с успехом пользуются неограниченными возможностями компьютерной техники. Сложно представить современное рабочее место без нее. Компьютеры позволяют оптимизировать и автоматизировать различные рабочие процессы, хранить большие объемы информации и оперативно получать к ней доступ, удаленно управлять производственными мощностями, ускорить и упростить взаимодействие между специалистами, проводить сложные технические расчеты и вычисления и многое другое.

Но компьютеры прочно утвердились не только в рабочей сфере, они стали неотъемлемой частью и повседневной жизни человека. Вместе с интернетом компьютер дает широчайшие возможности для отдыха и досуга.

В связи с этим перед людьми встает важный и непростой вопрос выбора подходящей компьютерной техники. Осложняется он, в первую очередь, необходимостью обладать специальными знаниями о внутреннем устройстве и функционировании ПК. Вторым, не менее значимым аспектом, затрудняющим процесс выбора является быстрая и непрерывная смена технологий. Поэтому проблема подбора подходящего компьютера и модернизации техники будет актуальна на протяжении еще многих лет.

Объектом исследования данной работы является персональный компьютер.

Предметом исследования работы является устройство и компоненты ПК.

Целью работы является анализ устройства ПО с точки зрения классической и современной архитектур.

Задачи:

- сформулировать определение понятия «персональный компьютер» в рамках данной работы;

- изучить подходы к определению архитектуры ПК;

- определить состав и характеристики устройств персонального компьютера;

- проанализировать развитие архитектуры современных компьютеров с учетом требований безопасности информационной среды.

Структура курсовой работы. Исследование состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников.

1. Теоретические подходы к архитектуре компьютера

1.1. Понятие персонального компьютера

«Персональный компьютер» - популярный и распространенный термин, в современной действительности мы встречаемся с ним ежедневно. Порой под ПК подразумевают практически все виды компьютерных устройств от десктопных решений до мобильных (ноутбук, планшетный компьютер).

Понятие «персональный компьютер» происходит от английских слов - «personal» (личный, персональный) и «computer» (компьютер). Слово компьютер является производным от английских слов to compute, computer, которые переводятся как «вычислять», «вычислитель» (английское слово, в свою очередь, происходит от латинского computare - «вычислять»). Первое использование термина относилось к компьютеру Programma 101 (1964) итальянской фирмы Olivetti. Возникновение такого названия было связано с тем, что после начала массового производства микросхем, стоимость компьютеров резко упала. Это привело к созданию вместо многопользовательских мейнфреймов компьютеров, которые эксплуатировались одним человеком. Впоследствии этот термин был перенесён на другие компьютеры.

В Советском Союзе вычислительные машины, предназначенные для персонального использования, носили официальное название «персональные электронные вычислительные машины» (ПЭВМ). В терминологии, принятой в российских стандартах, это словосочетание и сегодня указывается вместо используемого названия «персональный компьютер».

В данной работе в качестве понятия «персональный компьютер» рассматривается следующая дефиниция.

Персональный компьютер - устройство или система, способная выполнять заданную, чётко определённую, изменяемую последовательность операций.^[1] Чтобы различать типологию ПК существуют уточняющие термины: десктоп, ноутбук (лэптоп), нетбук, планшетный компьютер и т.д.

Любой компьютер - это реализация идеи «машины Тьюринга»^[2], в основу которой положены такие понятия, как «машина Тьюринга», «алгоритм», «вычислимость». Решение задачи на такой машине связано с объемом памяти и возможным ресурсом времени. Такая организация компьютера делает его универсальным за счет возможности отображать элементарные операции, т.е. перемещать управляющее устройство влево и вправо по ленте, читать и записывать в ячейки символы заданного алфавита.

Возможность «читать и записывать» в одной памяти компьютера команды и данные позволяет выполнять как любые программы, так и вредоносную программу, что противоречит задачам защиты данных, создавая при этом реальную угрозу проведения хакерской атаки. Поэтому свойство универсальности компьютера становится неприемлемым в конкретных условиях его функционирования. Такая «универсальность» организации архитектуры компьютера делает его уязвимым и является обратной стороной универсальности.

Пытаясь защититься от вредоносных хакерских программ, специалисты на протяжении 60 лет разрабатывают программы, традиционно относимые к области защиты информации - средства идентификации, аутентификации, авторизации, контроля целостности, антивирусные программы, криптографические средства и т.д. Использование этих средств отчасти приносит положительный эффект, однако он недостаточен для эффективного использования в рамках цифровой экономики. А поскольку программные средства не позволяют защитить компьютер, то необходимо совершенствовать его архитектуру.

1.2. Анализ классической архитектуры фон Неймана

Рассмотрим классические архитектуры компьютеров, к которым относятся архитектура фон Неймана^[3] и гарвардская архитектура^[4]. Примером первой являются практически все настольные компьютеры, примером второй - практически все планшетные компьютеры и телефоны.

При разработке компьютера одной из главных проблем является выбор соотношения функций, которые должны быть реализованы аппаратным способом или в программном виде. Архитектура фон Неймана за счет правильного выбора этого соотношения имела лидирующее положение. Уникальность этой архитектуры заключается в том, что команды и данные не разделяются, а передаются по единому общему каналу (рис. 1).

Рисунок 1. Архитектура фон Неймана

Принципы фон Неймана организации вычислительного процесса:

1. Использование двоичной системы счисления.

2. Управление функционированием компьютера посредством последовательности простых команд (программ).

3. Использование общей памяти для хранения данных и программ.

4. Последовательная нумерация (адресация) всех ячеек памяти и возможность произвольного доступа к ним по их адресу.

5. Обеспечение условного перехода к любому участку команды в процессе выполнения программы.

Принципы организации вычислительного процесса по фон Нейману многократно ставились под сомнение ведущими мировыми разработчиками, и часто новые подходы давали положительные результаты, хотя эксперименты обходились недешево.

Необходимо отметить, что ориентация на универсализм (организация вычислительного процесса по принципам фон Неймана) на предыдущем этапе развития вычислительной техники дала мощный импульс информационным технологиям, но одновременно надолго остановила продуктивные исследования в области компьютерных архитектур.

Однако сейчас практически достигнут предел эффективности данного технического решения, развитие по экстенсивному пути (увеличение производительности, памяти, снижение габаритов и т.п.) уже не удовлетворяет потребности общества.

1.3. Анализ гарвардской архитектуры

В последние годы вычислительная техника совершила огромный скачок в своем развитии, но это почти никак не отразилось на архитектурах компьютеров. Наиболее заметное изменение здесь связано с опережающим ростом использования гарвардской архитектуры^[5].

В гарвардской архитектуре существуют разные каналы для команд и данных (рис. 2).

Рисунок 2. Гарвардская архитектура

Такая схема взаимодействия требует создания сложной организации процессора, но при этом обеспечивает более высокое быстродействие за счет независимости и параллельности потоков команд и данных. Однако реализация такой схемы имеет высокую стоимость. Это связано с тем, что кристалл процессора должен иметь в два раза больше выводов.

Впоследствии гарвардская архитектура была модифицирована с целью минимизации стоимости процессора. Суть модификации заключалась в использовании общих шин данных и шины адреса для всех внешних данных, а внутри процессора - в использовании шины данных, шины команд и двух шин адреса. Эта архитектура нашла широкое применение в современных сигнальных процессорах.

Идея расширенной гарвардской архитектуры заключалась в том, что была использована кэш-память для хранения в ней инструкций, а это позволяет освободить обе шины и передавать два операнда параллельно. Такая организация вычислительного процесса с кэш-памятью и разделенными шинами была названа «Super Harvard Architecture» («SHARC») - расширенная гарвардская архитектура. Примером могут служить процессоры Analog Devices: ADSP-21xx - модифицированная гарвардская архитектура, ADSP-21xxx(SHARC) - расширенная гарвардская архитектура.

Также нашли широкое применение гибридные архитектуры на базе архитектуры фон Неймана и гарвардской архитектуры, к которым относятся CISC-процессоры. Суть этих архитектур заключается в том, что процессорное ядро формально является гарвардским, но программно оно фон неймановское, а это существенно упрощает написание программ. В этих процессорах используются раздельные шины - одна для передачи данных, а другая для передачи команд. Современные варианты этих процессоров могут использовать различные типы шин для работы с различными типами памяти (DDR RAM и Flash). Такие гибридные архитектуры позволяют сохранить все положительные качества гарвардской и фон-неймановской архитектур.

Первым компьютером, в котором была использована идея гарвардской архитектуры, был «Марк I». Гарвардская архитектура используется в ПЛК и микроконтроллерах, таких как Microchip PIC, Atmel AVR, Intel 4004, Intel 8051, а также в кэш-памяти первого уровня х86-микропроцессоров, делящейся на два равных либо различных по объему блока для данных и команд.

В России гарвардская архитектура использовалась советским ученым А. И. Китовым в ВЦ-1 МО СССР.^[6]

Таким образом, подводя итого анализа классических структур, необходимо отметить, что драйвером их развития может стать компьютер, лишенный тех уязвимостей, которые тормозят развитие информационного взаимодействия. При создании нового компьютера нужно оптимально выбрать соотношение аппаратной и программной частей архитектуры с целью снижения стоимости компьютера, или организовать вычислительный процесс так, чтобы архитектура могла работать как конечный автомат, а потом стать универсальной по Тьюрингу.

2. Анализ устройства персонального компьютера

2.1. Основные устройства персонального компьютера

Как и любое другое достаточно сложное устройство, персональный компьютер состоит из комплектующих, которые в совокупности работают как слаженный механизм. Конструктивно персональный компьютер включает в себя следующие основные компоненты:

- материнская плата;

- процессор;

- оперативная память;

- жесткий диск;

- блок питания;

- видеокарта;

- монитор;

- система охлаждения;

- звуковая карта;

- устройства ввода (клавиатура, мышь).

Комплектующие бывают внутренними и внешними. Внутренние комплектующие представляют собой устройства, которые устанавливаются внутри системного блока компьютера (горизонтального или вертикального), - материнская плата, процессор, оперативная память и т.д.

Рисунок 3. Горизонтальный системный блок

Рисунок 4. Вертикальные системные блоки

Внешние комплектующие - устройства, которые подключаются к компьютеру любым доступным способом и при этом остаются снаружи системного блока. Примерами таких устройств могут быть внешние жесткие диски, USB-накопители, USB-сетевые карты и т.д. Количество внутренних и внешних устройств, которые можно устанавливать или подключать к персональному компьютеру, с каждым днем растет, а их выбор зависит от технической фантазии человека и его технических потребностей.^[7]