Файл: Архитектура современных компьютеров..pdf

Принципы архитектуры ПК первых серий не предполагали выделения видеокарты в отдельный компонент. То есть данное аппаратное решение — это также один из критериев отнесения компьютера к современным поколениям. Видеокарта отвечает за обработку компьютерной графики — одного из наиболее сложных типов данных, требующих высокой производительности микросхем. Заменять данный аппаратный компонент следует, соотнося основные его характеристики с мощностью и уровнем технологичности процессора, памяти и материнской платы. Закономерность здесь та же, что мы отметили выше: нежелательно, чтобы соответствующие элементы ПК сильно различались по уровню производительности. Для видеокарты ключевые критерии — это объем встроенной памяти, а также тактовая частота основной ее микросхемы. Бывает, что модуль, отвечающий за обработку компьютерной графики, встроен в процессор.

И это нельзя считать признаком того, что компьютер устаревший, наоборот, подобная схема наблюдается на многих современных ПК. Наибольшую популярность данная концепция приобретает в среде производителей ноутбуков. Это вполне логично: брендам необходимо обеспечивать компактность такого типа компьютеров. Видеокарта — это довольно объемный аппаратный компонент, ее размер чаще всего заметно больше процессора или модуля памяти. Жесткие диски Жесткий диск — это также классический компонент компьютера. Относится к категории постоянных запоминающих устройств. Типичен для архитектуры современных ПК. На жестких дисках часто хранится основной объем файлов. Можно отметить, что данный компонент в числе наименее требовательных к специфике материнской платы, процессора, ОЗУ и видеокарты. Но опять же, если жесткий диск характеризуется низкой производительностью, то есть вероятность, что работа компьютера будет медленной, даже если на нем будут установлены иные аппаратные компоненты, относящиеся к самым технологичным.

Основной критерий производительности дисков — скорость оборотов. Важен также и объем, но значимость этого параметра зависит от потребностей пользователя. Если на компьютере установлен небольшой по вместительности жесткий диск с очень высокими оборотами, то ПК будет работать быстрее, чем при высокой емкости и низкой скорости вращения соответствующих элементов устройства. Материнская плата, процессор, ОЗУ, а также видеокарта — внутренние компоненты ПК. Жесткий диск может быть как внутренним, так и внешним, и в этом случае чаще всего съемным^[4].

Основные аналоги жесткого диска - флешки, карты памяти. В ряде случаев они могут полностью его заменить, но по возможности рекомендуется все же оснащать ПК хотя бы одним жестким диском. Понятие архитектуры ПК открытого типа, конечно же, не ограничивается возможностью замены и выбора указанных пяти компонентов. Есть очень много устройств иного назначения, которые входят в состав компьютера. Это приводы DVD и Blue-ray, звуковые карты, принтеры, сканеры, модемы, сетевые карты, вентиляторы. Набор соответствующих компонентов может предопределять конкретная брендированная архитектура ПК. Системная плата, процессор, ОЗУ, видеокарта и жесткий диск — элементы, без которых современный ПК работать не сможет или его функционирование будет крайне затруднено. Они же главным образом определяют скорость работы. И потому, обеспечив установку на компьютере технологичных и современных компонентов соответствующего типа, пользователь сможет собрать высокопроизводительный и мощный ПК. Компьютеры Apple Какие еще есть типы архитектур ПК?

В числе тех, которые составляют прямую конкуренцию архитектуре IBM, совсем немного. Например, это компьютеры Macintosh от Apple. Конечно, по многим критериям они схожи с архитектурой IBM — в них также есть процессор, память, видеокарта, материнская плата и жесткие диски. Однако компьютеры от Apple характеризуются тем, что их платформа закрыта. Пользователь весьма ограничен в установке на ПК компонентов по своему усмотрению. Apple — это единственный бренд, который может легально выпускать компьютеры в соответствующей архитектуре. Аналогично Apple — единственный поставщик функциональных операционных систем, выпускаемых в рамках собственной платформы.

Глава 2 Архитектура компьютера

2.1.Аппаратные средства компьютера

Внутреннее устройство компьютера очень сложно. Достаточно в качестве примера взять только один из его узлов — микропроцессор. Даже самый первый микропроцессор Intel 4004 уже содержал в себе более двух тысяч транзисторов, а в последних моделях процессоров Intel Pentium счет идет уже на миллионы (7,5 миллионов в Pentium II). Очевидно, что изучение автомата такого уровня сложности представляет собой нелегкую задачу даже для специалистов, не говоря уже о рядовых пользователях компьютеров. В качестве приемлемого выхода из затруднительной ситуации современные учебники предлагают несколько способов.

Первый, самый простой, состоит в полном игнорировании сведений о внутреннем устройстве компьютера — так называемая теория «черного ящика», когда сложная система описывается в качестве совокупности реакций на определенные воздействия. Применительно к компьютеру это обычно звучит как «нажми вот сюда и он сделает вот это». Очевидно, что такой подход не пригоден для систематического использования компьютера, исключая, может быть, постоянную рутинную работу с единственной программой (клерк в банке, почтовый служащий или продавец супермаркета). Главная трудность, и она принципиально непреодолимая, в том, что компьютер имеет достаточно сложную логику работы и требуется запомнить слишком большое количество внешне не связанных между собой правил.

Второй подход, ненамного более сложный (он встречается во множестве книг для «чайников», занятых и даже «полных идиотов»), состоит в замене изучения внутреннего устройства компьютера его конструктивным устройством. При этом утверждается, что компьютер — это автоматический аппарат, состоящий из системного блока, монитора, клавиатуры, мыши и т.д., которые могут быть встроены в единый корпус, как у портативного компьютера.

Гораздо более логичным кажется изучение устройства компьютера на базе его функциональной структуры, когда за основу описания внутреннего функционирования машины берутся ее функциональные узлы.

Наконец, для специалистов в области применения компьютерной техники требуются более глубокие подходы, на которых мы не будем здесь останавливаться.

2.2 Конструктивное устройство компьютера

В нашей стране наиболее распространенными являются компьютеры типа IBM PC. Одной из главных черт данного семейства компьютеров является строгая унификация их устройства, благодаря которой состав (конфигурация) любого компьютера легко наращивается и изменяется.

Одним из следствий такой унификации является общность конструкции IBM-совместимых компьютеров. Каждый такой компьютер состоит из системного блока, в котором сосредоточена основная часть электронных устройств компьютера, и ряда устройств ввода/вывода, которые удобнее иметь в виде отдельных устройств. Не вызывает сомнения, что все устройства технически могут быть сделаны небольшими по размерам и собраны в единый корпус; тем не менее, от такой повышенной компактности будет больше неудобств, чем пользы. Например, системный блок в случае специализированных компьютерных столов часто размещают в их нижней части, что совсем не способствует конструктивному совмещению с клавиатурой^[5].

Как указано выше, в системном блоке компьютера IBM PC находится большая часть его устройств. Сюда входят центральный процессор и микросхемы, его «сопровождающие» (так называемый чипсет); оперативная память и специальное постоянное запоминающее устройство, благодаря которому компьютер при включении тестируется и загружается; основная плата, на которой смонтирована вся электронная схема компьютера (в просторечии ее часто именуют материнской платой); блок питания; разнообразные устройства внешней памяти, такие как дисковый накопитель для дискет, жесткий диск, устройство обслуживания компакт-дисков и многие другие устройства, входящие в состав компьютера.

В качестве отдельных устройств в компьютере типа IBM PC выполняются монитор, клавиатура и мышь, а также дополнительные устройства, подключаемые к компьютеру, такие как сканер, печатающее устройство и многие другие.

Учитывая, что большинство компьютеров в нашей стране принадлежат к семейству IBM PC, а также их однотипную конструкцию, из этого часто делается ошибочный вывод, что все компьютеры устроены именно так. Популярная литература даже утверждает, что любой персональный компьютер состоит из системного блока, монитора, клавиатуры, мыши и т.д. На самом деле, это не совсем так.

Например, существует еще одно семейство компьютеров, которое выпускается другой фирмой — Apple — и называется Macintosh. С точки зрения обсуждаемого вопроса, особый интерес представляет тот факт, что для семейства компьютеров Apple характерно объединение системного блока и монитора в одном корпусе.

Еще один пример. Все большее распространение в последнее время получают переносные портативные компьютеры (планшетные и карманные компьютеры), которые сконструированы так, что у них абсолютно все устройства (электронная часть, экран, клавиатура и даже эквивалент мыши) собраны в корпусе монитора.

Список примеров подобного рода можно расширить.

Таким образом, хотя понимание конструктивного устройства компьютеров полезно с практической точки зрения (например, при покупке IBM-совместимой машины или ее ремонте), определяющей чертой компьютера оно не является. Гораздо полезнее для понимания работы компьютера научиться использовать функции его устройств.

2.3 Функциональное устройство компьютера

Состав основных блоков электронного вычислительного устройства был подробно обоснован еще в 1946 году в классической статье А. Беркса, Г. Голдстейна и Дж. Неймана «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства». Несмотря на то, что этой публикации около 60 лет, она заслуживает, чтобы ее процитировали.

«Очевидно, что машина должна быть способна запоминать некоторым образом не только цифровую информацию, необходимую для данного вычисления..., но также и команды, управляющие программой, которая должна производить вычисления над этими числовыми данными. В специализированной вычислительной машине эти команды являются неотъемлемой частью устройства и составляют часть его конструкции. В универсальной машине должна быть возможность отдать приказ устройству произвести вообще любое вычисление… Следовательно, в машине должен быть некоторый орган, способный хранить эти приказы программы. Кроме того, должно быть устройство, которое может понимать эти команды и управлять их выполнением».

«Выше мы в принципе указали на два различных вида памяти — память чисел и память приказов. Если, однако, приказы машине свести к числовому коду..., то орган памяти можно использовать для хранения как чисел, так и приказов».

«Если память для приказов является просто органом памяти, то должен существовать еще орган, который может автоматически выполнять приказы, хранящиеся в памяти. Мы будем называть этот орган управлением».

«Поскольку наше устройство должно быть вычислительной машиной, в нем должен иметься арифметический орган — устройство, способное складывать, вычитать, умножать, делить. Мы увидим также, что оно может выполнять и другие операции, которые встречаются довольно часто»^[6].

«Наконец, должен существовать орган ввода и вывода, с помощью которого осуществляется связь между оператором и машиной».

Приведенная цитата отчетливо показывает, что все функциональные блоки ЭВМ имеют вполне естественное назначение и образуют простую и логически обоснованную структуру. Последняя оказалась настолько удачной, что во многом сохранилась вплоть до наших дней. Для нее даже используется общепринятое название фон-неймановская архитектура, хотя, строго говоря, Джон фон Нейман не является единоличным автором всех принципов архитектуры.

Замечательно, что современные компьютеры сохранили такую же самую структуру. Сравним приведенное выше описание со строением современных компьютеров, которые состоят из следующих функциональных частей:

• устройство, в котором производятся все операции по обработке информации; по современной терминологии оно называется арифметико-логическим устройством (АЛУ);
• устройство, обеспечивающее организацию выполнения программы обработки информации и согласованное взаимодействие всех узлов машины в ходе этого процесса — устройство управления (УУ); АЛУ и УУ в настоящее время удается выполнить в виде единой интегральной схемы, которая называется микропроцессором;
• устройство, предназначенное для хранения исходных данных, промежуточных величин и результатов обработки, а также самой программы действий над информацией; данное устройство принято называть памятью;
• существуют различные виды памяти, в том числе оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), которая выполняется в виде микросхем — чипов памяти и внешняя память, например, на магнитных или оптических дисках;
• разнообразные устройства, способные преобразовывать информацию в форму, доступную компьютеру — устройства ввода;
• и, наконец, устройства, преобразующие результаты работы в доступную человеку форму — устройства вывода.