Добавлен: 06.07.2023
Просмотров: 995
Скачиваний: 20
Основные устройства ПК и их характеристики.
Классификация компьютеров Классификация по назначению – наиболее ранний метод. Он связан с тем, как компьютер применяется. Различают большие ЭВМ, мини-ЭВМ, микро-ЭВМ и персональные компьютеры. Класс больших ЭВМ представлен суперкомпьютерами – это самые мощные компьютеры. Их применяют для обслуживания очень крупных организаций и даже целых отраслей. Они отличаются высокой стоимостью оборудования и обслуживания, поэтому их работа организована по непрерывному циклу. На базе таких суперкомпьютеров создают вычислительные центры. Мини-ЭВМ отличаются меньшими размерами, производительностью и стоимостью. Они используются крупными предприятиями, научными учреждениями и т.д. Мини-ЭВМ применяют для управления производственными процессами, например, управление автоматизированными производственными линиями и промышленными роботами, сбор информации с инструментальных постов технического контроля и сигнализация о замене изношенных элементов и др. Для организации работы с миниЭВМ тоже требуется вычислительный центр, хоть и менее многочисленный. Микро-ЭВМ доступны многим организациям, и несмотря на меньшую производительность по сравнению с большими ЭВМ, используются и в вычислительных центрах, выполняя вспомогательные операции, например, предварительная подготовка данных. Для обслуживания такого компьютера достаточно небольшой вычислительной лаборатории. Персональные компьютеры предназначены для обслуживания одного рабочего места, имеют небольшие размеры и невысокую стоимость. Они используются для автоматизации учебного процесса, дистанционного обучения, поиска в сети научной, профессиональной и учебной информации, для организации надомной трудовой деятельности и досуга. Существуют различные классификации: по специализации, по совместимости, по типоразмерам. Остановимся на последней. Различают модели настольные и переносные. Настольные распространены особенно широко. Они отличаются простотой изменения конфигурации за счёт несложного подключения дополнительных компонентов. Переносные модели удобны для транспортировки, позволяют работать при отсутствии рабочего места. Их можно использовать в качестве средства связи. Переносной компьютер можно подключить к телефонной или беспроводной компьютерной сети и выйти в Интернет. Компьютер представляет собой совокупность аппаратного и программного обеспечения. Аппаратное обеспечение – это все внутренние и внешние устройства компьютера (интегральные микросхемы, дисководы, монитор, мышь и др.). Программное обеспечение – совокупность программ, необходимых для управления работой компьютера и выполнения с его помощью конкретных задач.
Классическая структура компьютера
Современные персональные компьютеры имеют достаточно сложную структуру, которая определяет взаимосвязь между аппаратными средствами. В процессе эволюции аппаратных и программных средств изменялась и структура персонального компьютера, однако без изменений остались пока основные принципы его структурной организации, сформулированные математиком, профессором Дж. фон Нейманом в 1946 г. В соответствии с этими принципами была реализована структура компьютера, которая в настоящее время носит название классической.
• АЛУ (арифметико-логическое устройство) – выполняет арифметические и логические операции над информацией, представленной в двоичном коде (обработка данных);
• УУ (устройство управления) – организует процесс выполнения программ;
• ЗУ (запоминающее устройство) – предназначено для размещения и хранения последовательности команд (программ) и данных;
• УВВ (устройства ввода-вывода) – обеспечивают ввод и вывод данных из компьютера для установления прямой и обратной связи между пользователем и компьютером; • внутренние связи предназначены для обмена информацией между устройствами компьютера, они реализуются с помощью линий связей (электрических проводников). Как это работает? С помощью какого-либо устройства ввода в ЗУ вводится программа. УУ считывает содержимое ячейки памяти ЗУ, где находится первая команда, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических и логических операций над данными с помощью АЛУ, чтение из памяти данных для выполнения этих операций, вывод данных на устройство вывода и т. д. Затем выполняется вторая команда, третья и т. д. УУ выполняет инструкции программы автоматически. 11
Структура современных ПК
Структура современных персональных компьютеров отличается от классической структуры компьютера следующим: 1) АЛУ и УУ объединены в единое устройство, называемое микропроцессором (МП), кроме того, в состав МП входит ряд других устройств, предназначенных для хранения, записи, считывания и обмена информацией; 2) применение специализированных устройств – контроллеров1 , которым передается часть функций МП, связанная с обменом информации и управлением работой устройств для ввода и вывода (внешних устройств) информации, такая децентрализация позволяет повысить эффективность работы компьютера в целом за счет сокращения времени простоя МП; 3) вместо отдельных линий связи между устройствами используется системная магистраль (шина)2 с соответствующими устройствами сопряжения. Наличие системной магистрали в персональном компьютере позволяет осуществить обмен информацией между устройствами компьютера, уменьшить число линий связи, подключить различные дополнительные устройства через соответствующие разъемные соединения и т. д. Данная структура была предложена фирмой IBM, поэтому персональные компьютеры, имеющие такую структуру, называются IBM – совместимые (IBM PC). Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее децентрализованной. Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ. Ядро ПК образуют процессор, основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения наиболее часто используемых программ управления. Подключение всех внешних устройств: дисплея, клавиатуры, устройств внешней памяти и др. обеспечивается через соответствующие адаптеры - согласователи скоростей работы сопрягаемых устройств, или контроллеры - специальные устройства 1 Контроллер – устройство, аппаратно согласовывающее работу системы и дополнительного устройства. Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой «вверенного ему» внешнего устройства по специальным программам обмена. 2 Шина — это линия для передачи сигналов, к которой могут параллельно подключаться несколько устройств компьютера. Шина состоит из трех частей: шина данных, по которой передается информация; шина адреса, определяющая, куда передаются данные; шина управления, регулирующая процесс обмена информацией. 12 управления периферийной аппаратурой. Контроллеры в ПК играют роль каналов вводавывода. Процессор, оперативная память, контролеры внешних устройств внутри компьютера соединяются все вместе. Они находятся на одной общей информационной шине ПК, по которой информация может передаваться от любого подключенного к ней устройства к любому другому устройству. Таким образом, изначально все устройства внутри ПК постоянно соединены друг с другом. Организацию согласованной работы шин и устройств выполняют микросхемы системной логики, называемые чипсетом (Chipset). Каждое устройство ПК всегда способно отличить информацию, предназначенную именно ему от остальных передаваемых по общей шине данных. Важно понимать, что все вышеперечисленные устройства (процессор, оперативная память, контроллеры внешних устройств ввода-вывода), подключенные к информационной шине, работают с одинаково высокой скоростью. Темп работы всех соединенных между собой устройств ПК задает генератор тактовых импульсов.
Устройство системного блока ПК
Внутри системного блока находятся устройства для обработки и хранения информации. В зависимости от конфигурации компьютера они могут быть различными, но большинство типичных системных блоков включает следующие устройства. 1. Блок питания. Вырабатывает стабилизированные напряжения для питания всех устройств, находящихся в системном блоке. От блока питания выходят многочисленные кабели, которые подключаются к системной плате, дисковым накопителям и другим устройствам. 2. Системная, или материнская, плата. Плата представляет собой важнейший конструктивный узел, на котором размещаются микросхемы устройств, и обеспечивается их необходимое электрическое соединение между собой. Системная плата имеет разъемы для электрического соединения с другими платами компьютера. Таким образом, она связывает компоненты системного блока и обеспечивает их взаимодействие. На системной плате устанавливаются: микропроцессор, набор микросхем системной логики, модули (устройства) постоянной и оперативной памяти, разъемы для установки и подключения микропроцессора, модулей памяти, внешних запоминающих устройств, источника питания и т. д., кроме того, на материнской плате имеется система шин, обеспечивающая обмен информацией между элементами системной платы. 3. Процессор. Является «сердцем» компьютера и служит для обработки информации по заданной программе. 4. Оперативная память. Используется для работы операционной системы, программ и для временного хранения текущих данных. Она выполнена в виде модулей, установленных на системную плату, и может хранить информацию только при включенном питании. 5. Видеоадаптер. Обычно выполняется в виде платы расширения и служит для формирования изображения, которое потом выводится на монитор. Современные видеоадаптеры содержат мощный видеопроцессор и большие объемы видеопамяти, что позволяет формировать трехмерное изображение с высоким разрешением. Для недорогих компьютеров выпускаются системные платы с интегрированным видеоадаптером, и его не нужно устанавливать дополнительно. 6. Жесткий диск. Основное устройство для хранения информации в компьютере. 13 7. Дисковод. Хотя дискеты уже морально устарели, но дисководы для их чтения еще присутствуют в некоторых компьютерах. 8. Привод для CD/DVD. CD/DVD широко используются для распространения информации, поэтому приводы есть почти в каждом компьютере. 9. Платы расширения. При необходимости в системный блок можно установить дополнительные устройства, выполненные в виде плат или карт расширения. Примерами таких устройств могут быть сетевые карты, ТВ-тюнеры и многие другие. Материнская плата Материнская плата это сложная многослойная печатная плата на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера (центральный процессор, основная память (ОЗУ и ПЗУ), микропроцессорный комплект (чипсет), контроллеры базовых интерфейсов ввода-вывода) и слоты (разъёмы) для подключения дополнительных плат, с ней связаны жесткий диск и CD-ROM, к ней подключаются различные дополнительные устройства. Важнейшие устройства, находящиеся на материнской плате: процессор – основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций; оперативная память – набор микросхем, предназначенный для временного хранения данных при включённом компьютере; загрузочное ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) – микросхема, предназначенная для длительного хранения информации даже когда компьютер выключен. Дополнительные платы подключаются к слотам материнской платы в виде дочерних плат и выполняют операции, связанные с обработкой звука (звуковая карта), управлением изображения на экране (видеокарта3 ), организацией связи компьютера в локальной компьютерной сети (сетевая карта). Все дополнительные устройства взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных – шину. Процессоры. Основные характеристики Процессор управляет работой компьютера и обрабатывает большую часть информации, выполняет математические и логические операции. Процессор имеет специальные ячейки, которые называются регистрами. Именно в регистры помещаются команды, которые выполняются процессором, а также данные, которыми оперируют команды. Работа процессора состоит в выборе из памяти в определенной последовательности команд и данных для их последующего выполнения. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему – тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных сантиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора . В состав микропроцессора входят АЛУ, устройство управления, внутренние 3 Видеокарта – это устройство, преобразующее изображение, находящееся в памяти компьютера, в видеосигнал для монитора. Обычно видеокарта является платой расширения и вставляется в специальный разъём для видеокарт на материнской плате, но бывает и интегрированной. Видеокарты имеют встроенный графический процессор (GP), который производит обработку информации, не нагружая центральный процессор компьютера. 14 регистры. УУ вырабатывает управляющие сигналы для выполнения команд, АЛУ – арифметические и логические операции над данными. В центральный процессор кроме регистров общего назначения (РОН) добавлена кэш-память. Промежуточные результаты при выполнении арифметических и логических операций над данными сохраняются в РОН. Кэш-память используется для ускорения выполнения операций за счет запоминания на некоторое время полученных ранее данных, которые будут использоваться процессором в ближайшее время. Введение в компьютер кэш-памяти позволяет сэкономить время, которое без нее тратилось на пересылку данных и команд из процессора в оперативную память и обратно.
Характеристики процессоров:
• Тактовая частота;
• Количество ядер;
• Объём кэш-памяти;
• Разрядность. Если брать сугубо специфические характеристики процессоров, то тактовая частота является наиболее известным параметром. Достаточно продолжительное время разработчики делали ставки именно на повышение тактовой частоты, но со временем, "мода" поменялась и большинство разработок уходят на создание более совершенной архитектуры, увеличения кэш-памяти и развития многоядерности. 1. Тактовая частота процессора Тактовая частота — это количество тактов, необходимое для выполнения определенного перечня операций в секунду. Она характеризует производительность процессора. Чем она выше, тем лучше будет работать ПК. Частота современных центральных процессоров колеблется от 1 до 4 ГГц. Любая операция процессора (машинная команда) состоит из отдельных элементарных действий - тактов. В зависимости от сложности, команда может быть реализована за разное количество тактов. Существенное удлинение команды происходит, если обрабатываемые данные не находятся внутри процессора и их приходится считывать из памяти, Для организации последовательного выполнения требуемых тактов в компьютере имеется специальный генератор импульсов, каждый из которых инициирует очередной такт машинной команды. Чем чаще следуют импульсы от генератора, тем быстрее будет выполнена операция, состоящая из фиксированного числа тактов. Тактовая частота определяется количеством тактовых импульсов в секунду и измеряется в мегагерцах. Сравнение тактовых частот позволяет определить, какой из двух процессоров более быстродействующий, только в том случае, если оба процессора устроены примерно одинаково. Если в одном из процессоров команда выполняется за 2 такта, а в другом - за 3, то при совершенно одинаковой частоте первый будет работать в полтора раза быстрее! Долгое время повышение производительности традиционных одноядерных процессоров в основном происходило за счет последовательного увеличения тактовой частоты (около 80% производительности процессора определяла именно тактовая частота) с одновременным увеличением количества транзисторов на одном кристалле. Однако дальнейшее повышение тактовой частоты (при тактовой частоте более 3,8 ГГц чипы попросту перегреваются!) упирается в ряд фундаментальных физических барьеров (поскольку технологический процесс почти вплотную приблизился к размерам атома: 15 сегодня процессоры выпускаются по 45-нм технологии, а размеры атома кремния – приблизительно 0,543 нм): Было решено добиваться дальнейшего повышения производительности микропроцессоров другими средствами. Самым эффективным направлением была признана концепция многопоточности, зародившаяся в мире суперкомпьютеров, – это одновременная параллельная обработка нескольких потоков команд. Так в недрах компании Intel родилась Hyper-ThreadingTechnology (HTT) – технология сверхпоточной обработки данных, которая позволяет процессору выполнять в одноядерном процессоре параллельно до четырех программных потоков одновременно. Это значительно повышает эффективность выполнения ресурсоемких приложений (например, связанных с аудио- и видеоредактированием, 3Dмоделированием), а также работу ОС в многозадачном режиме. Процессор Pentium 4 имеет одно физическое ядро, которое разделено на два логических, поэтому операционная система определяет его, как два разных процессора (вместо одного). Эта технология фактически стала трамплином к созданию процессоров с двумя физическими ядрами на одном кристалле. В 2-ядерном чипе параллельно работают два ядра (два процессора!), которые при меньшей тактовой частоте обеспечивают большую производительность, поскольку параллельно (одновременно!) выполняются два независимых потока инструкций. Способность процессора выполнять одновременно несколько программных потоков называется параллелизмом на уровне потоков). 2. Количество ядер процессора Количество ядер последние несколько лет, является одной из наиболее важных характеристик. Уже давно прошла эра одноядерных процессоров, поэтому сейчас стоит выбирать многоядерные процессоры. Соответственно, количество ядер нужно подбирать, под конкретные задачи. К примеру, для простеньких задач в виде офисных приложений и сёрфинга в интернете, двухъядерного процессора хватит более чем полностью. А вот для таких задач как профессиональная работа с графикой, понадобится процессор с 4 или 8 ядрами – многое решает конкретная модель процессора и специфика задач.
Что такое ядро процессора?
В центре современного центрального микропроцессора (CPU ) находится ядро (core) – кристалл кремния площадью примерно один квадратный сантиметр, на котором посредством микроскопических логических элементов реализована принципиальная схема процессора. Ядро связано с остальной частью чипа (называемой «упаковка») по технологии «флип-чип» (перевернутое ядро, крепление методом перевернутого кристалла). Эта технология получила такое название потому, что обращенная наружу – видимая – часть ядра на самом деле является его «дном», – чтобы обеспечить прямой контакт с радиатором кулера для лучшей теплоотдачи. С обратной (невидимой) стороны находится – соединение кристалла и упаковки. Соединение ядра процессора с упаковкой выполнено с помощью столбиковых выводов. Ядро расположено на текстолитовой основе, по которой проходят контактные дорожки к «ножкам» (контактным площадкам), залито термическим интерфейсом и закрыто защитной металлической крышкой. Что такое многоядерный процессор Многоядерный процессор – это центральный микропроцессор, содержащий 2 и более вычислительных ядра на одном процессорном кристалле или в одном корпусе. 16 На сегодняшний день, известны 8-ми и 12-ти ядерные процессорные устройства. Принцип увеличения производительности процессора за счёт нескольких ядер, заключается в разбиении выполнения потоков (различных задач) на несколько ядер. Мониторинг работы каждого из ядер пользователь ПК может проводить, используя Диспетчер задач, закладку Быстродействие. В окне панели будет показана хронология загрузки каждого из ядер и процессы ЦП. Операционная система может виртуально создать для себя множество потоков и выполнять это все как бы одновременно, пусть даже физически процессор и одноядерный. Этот принцип реализует ту самую многозадачность Windows (к примеру, одновременное прослушивание музыки и набор текста). Возьмём для примера антивирусную программу. Один поток у нас будет сканирование компьютера, другой – обновление антивирусной базы (всё очень упрощено, дабы понять общую концепцию). Рассмотрим, что же будет в двух разных случаях: а) Процессор одноядерный. Так как два потока выполняются у нас одновременно, то нужно создать для пользователя (визуально) эту самую одновременность выполнения. Операционная система, делает хитро: происходит переключение между выполнением этих двух потоков (эти переключения мгновенны и время идет в миллисекундах). То есть, система немного «повыполняла» обновление, потом резко переключилась на сканирование, потом назад на обновление. Таким образом, для нас с вами создается впечатление одновременного выполнения этих двух задач. Но что же теряется? Конечно же, производительность. Поэтому давайте рассмотрим второй вариант. б) Процессор многоядерный. В данном случае этого переключения не будет. Система четко будет посылать каждый поток на отдельное ядро, что в результате позволит нам избавиться от губительного для производительности переключения с потока на поток (идеализируем ситуацию). Два потока выполняются одновременно, в этом и заключается принцип многоядерности и многопоточности. В конечном итоге, мы намного быстрее выполним сканирование и обновление на многоядерном процессоре, нежели на одноядерном. Но тут есть загвоздочка – не все программы поддерживают многоядерность. Не каждая программа может быть оптимизирована таким образом. И все происходит далеко не так идеально, насколько мы описали. Но с каждым днём разработчики создают всё больше и больше программ, у которых прекрасно оптимизирован код, под выполнение на многоядерных процессорах. Преимущества многоядерности проявляются при «увесистой» вычислительной многопоточной работе. И если вы не играете в игры с заоблачными требованиями и не занимаетесь специфическими видами работ требующих хорошей вычислительной мощи, то тратиться на дорогие многоядерные процессоры, просто нет смысла. Сейчас, почти во всех сегментах рынка уже не осталось одноядерных процессоров. Каким образом рассчитывается частота у процессоров, которые имеют два ядра и более? Суммарную частоту процессора нельзя понимать как: «количество ядер х указанную частоту». Приведем пример: «По дороге идёт пешеход, у него скорость 4 км/ч. Это аналогично одноядерному процессору на N ГГц. А вот если по дороге идут 4 пешехода со скоростью 4 км/ч, то это аналогично 4-ядерному процессору на N ГГц. В случае с пешеходами мы не считаем, что их скорость будет равна 4х4 =16 км/ч, мы просто говорим: "4 пешехода идут со скоростью 4 км/ч". По этой же причине мы не производим никаких математических действий и с частотами ядер процессора, а просто помним, что 4-ядерный процессор на N ГГц обладает четырьмя ядрами, каждое из которых работает на частоте N ГГц». То есть, по сути, частота процессора от количества ядер не изменяется, увеличивается лишь производительность процессора. Преимущества многоядерных процессоров