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

Раньше в качестве оперативной памяти были использованы запоминающие устройства, основанные на разных физических принципах (акустические линии задержки, ЭЛ-трубки, электромагнитные реле, и т.д.). Потом использовались также магнитные сердечники, электромагнитные барабаны.

Random Access Memory — память с произвольным (прямым) доступом. Означает это то, что при необходимости, память может напрямую обратиться к одному, необходимому блоку, не затрагивая при этом остальные. Скорость произвольного доступа не меняется от места нахождения нужной информации, что является огромным плюсом.

Оперативная память, выгодно отличается от энергозависимой памяти, практически нулевым влиянием количества операций чтениязаписи на срок службы и долговечность. При соблюдении всех тонкостей при производстве, оперативная память очень редко выходит из строя. В большинстве случаев, повреждённая память, начинает допускать ошибки, которые приводят к краху системы или нестабильной работе многих устройств компьютера.

Использование оперативной памяти, позволяет приложениям работать и запускаться быстрее. Данные беспрепятственно могут обрабатываться и ждать своей очереди благодаря адресуемости (все машинные слова имеют свои собственные адреса).

Операционная система Windows 7 к примеру, может хранить в памяти часто используемые файлы, программы и другие данные. Это позволяет при запуске программ не ждать пока они загрузятся с более медленного диска, а сразу начнут выполнение. Потому не стоит пугаться, если диспетчер задач показывает что ваша ОЗУ загружена более чем на 50%. При запуске приложения, требующего больших ресурсов памяти, более старые данные будут вытеснены из неё, в пользу более необходимых.

В большинстве устройств, используется динамическая память с произвольным доступом DRAM (Dynamic Random Access Memory), которая имеет низкую цену, но медленнее статической SRAM (Static Ramdom Access Memory). Более дорогая статическая память, нашла своё применение в быстрой кэш памяти процессоров, видеочипов и контроллёров. Из-за того, что статическая память занимает на кристалле гораздо больше места, чем динамическая, во времена быстрого развития компьютерной периферии и операционных систем, производители пошли по пути большего объёма, а не по пути более высокой скорости, что было более оправдано.

Наиболее популярной и производительной памятью в персональных компьютерах, начиная с 2000-х по праву стала DDR SDRAM.

Оперативная память может быть как отдельным модулем, который можно менять и добавлять дополнительные (компьютер например), как и отдельным блоком устройства или чипа (как в микроконтроллёрах или простейших SoC).

В современном мире применяют два вида ОЗУ:

• Статическое ОЗУ
• Динамическое ОЗУ

Оперативная память почти всех современных ПК представляет собой модули динамической памяти, содержащие полупроводниковые ИС ЗУ, организованные по принципу устройств с произвольным доступом.

Жесткий диск – это устройство для хранения информации произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи. Это главнейший накопитель памяти в современном ПК. На жестком диске хранятся все данные и файлы.^[5]

Информация в накопитель на жёстких магнитных дисках записывается на стеклянные или алюминиевые жёсткие пластины, покрытые слоем ферримагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома — магнитные диски. В накопитель на жёстких магнитных дисках используется одна или несколько пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении.

Самый первый жесткий диск был создан в 1956 году и весел почти тонну. Он представлял из себя большой ящик с вращающимися тонкими дисками, покрытыми чистым железом.

Схема устройства жесткого диска представлена.

Основные характеристики жесткого диска:

• Ёмкость.
• Размер.
• Объем буфера.
• Резким скачкам давления и сопротивляемость ударам.
• Скорость передачи данных.
• Потребление энергии.

Видеокарта – это устройство, преобразующее графический образ, хранящийся как содержимое памяти компьютера (или самого адаптера), в форму, пригодную для дальнейшего вывода на экран монитора.

ПК первых поколений не выделяли видеокарты в отдельный модуль. Данное аппаратное решение – один из критериев отнесения ПК к современным поколениям. за обработку компьютерной графики отвечает видеокарта — одного из сложных типов данных, требующих высочайшей производительности микросхем.^[6]

Первые видеокарты появился в 1981 году, но кроме текста больше не чего передать не мог. Этот адаптер поддерживал 5 атрибутов текста: с повышенной яркостью, обычный, с подчеркиванием, мигающий, инверсия. Цвет текста определялся возможностями монитора. В основном это были буквы белого цвета на черном фоне.

Спустя определенное время появилась 1 цветная видеокарта. Она поддерживала в текстовых режимах 256 атрибутов текста и 16 цветов фона и символов. В графическом режиме было доступно 4 палитры в которых было по 4 цвета. Далее появилась усовершенствованная версия этой карты с расширенной до 64 цветов палитрой.

Видеокарта обычно представлена в виде платы расширения, которая вставляется в разъем материнской платы (универсальный или специальный). Также существуют МП со встроенными видеокартами.

Новейшие видеоадаптеры состоят из следующих основных элементов:

• Видеоконтроллер формирует изображения в видеопамяти.
• Графический контроллер.
• Видео-ПЗУ.
• Видео-ОЗУ.
• Система охлаждения
• Цифро-аналоговый преобразователь.
• Коннектор. Разъемы HDMI или DVI.

Важные характеристики видеоадаптера:

• Ширина шины памяти.
• Объем видеопамяти .

Сетевая карта – это дополнительное устройство, позволяющее персональному компьютеру содействовать с другими компьютерами в сети. В нынешнее время в основном встречаются сетевые адаптеры, интегрированные в МП. Также нам встречаются внешние сетевые платы, которые соединяются к компьютеру через USB-порты иди LPT-, и строенные, которые вставляются в слоты МП (ISA, PCI).^[7]

На классических сетевых платах могут быть использованы разъемы для витой пары, тонкого коаксиального кабеля, для толстого коаксиального кабеля, а также оптический разъем, причем пока работает один из разъемов, другие работать не могут.

Также на плате может присутствовать световой индикатор, сообщающий о наличии подключения к сети и передачи информации.

Самые первейшие сетевые адаптеры имели низшую производительность, так как передача информации между ПК и сетью происходила последовательно из-за наличия буферной памяти только на один кадр. Далее для возрастания производительности стали применять метод многокадровой буферизации. Выпускаемые на сегодняшний день сетевые адаптеры имеют скорость обмена до 1 Гбит/сек и высокое количество высокоуровневых функций.

Звуковая карта — дополнительное оборудование ПК, которое позволяет обрабатывать звук. На момент появления звуковые платы представляли собой отдельные карты расширения, устанавливаемые в соответствующий слот. В нынешних МП представлены в виде интегрированного в материнскую плату аппаратного кодека (согласно спецификации Intel AC’97 или Intel HD Audio).

Речь о звуковой карте идет с момента, когда чипы и схемы, которые заботятся о звуке, начали размещать на отдельной печатной плате, так называемая карта, которая убирается в МП ПК. Один из первейших создателей звуковых карт для IBM PC был AdLib, который производит звуковые карты, основанные на звуковом Yamaha YM3812, или OPL2. Это был в основном стандарт, до тех пор, когда Creative Labs выпустила звуковую карту Sound Blaster, которая была чип YM3812 и звуковой процессор (вероятно, Intel микроконтроллеры), Creative называет их ""DSP"", это был самый первый процессор цифрового сигнала.

Несколько лет прошло, прежде чем Creative создал карту, которая умела в то же время записывать, а также воспроизводить звук. Благодаря Sound Blasteru, первый дешевые CD-ROM привод и развитии видео-технологий началась новая эра компьютерных мультимедиа. Пользователь может запустить музыкальный компакт-диск, записывать диалоги в компьютерные игры или воспроизводить фильмы. Старые звуковые карты не умели записывать и воспроизводить одновременно.

Основные характеристики звуковых карт

• Количество каналов. 
• Форм-фактор.
• Максимальная частота дискретизации при записи и воспроизведении звука. 
• Разрядность преобразователей. 
• Соотношение сигнал/шум. 
• Коэффициент нелинейных искажений. 

Твердотельный накопитель — это энергонезависимое, перезаписывающие компьютерное запоминающее устройство в котором нет движущихся частей. Можно различать твердотельный накопители, основанные на использовании энергонезависимой (NAND или Flash SSD и энергозависимой (RAM SSD) памяти.

Твердотельный накопители, основанные на использовании энергонезависимой памяти, считаются очень перспективной разработкой. Многие аналитики считают, что в ближайшее врем NAND твердотельные накопители получат наибольшую долю рынка накопителей, отвоевав её у накопителей на жёстких магнитных дисках. На сегодняшний день, твердотельные накопители применяются в основном в специальных вычислительных системах и в нескольких моделях ноутбуков (например, ASUS Eee PC).

Архитектура и функционирование

а )RAM SSD

Эти накопители, построенные на использовании энергозависимой памяти (такой же, какая используется в ОЗУ персонального компьютера) характеризуются сверхбыстрыми чтением, записью и поиском информации. Основным их недостатком является чрезвычайно высокая стоимость (от 80 до 800 долларов США за Гигабайт). Используются, в основном, для ускорения работы крупных систем управления базами данных и мощных графических станций. Такие диски, как правило, оснащены аккумуляторами для сохранения данных при потере питания, а более дорогие модели — системами резервного и/или оперативного копирования.

Своеобразной разновидностью таких дисков является RIndMA диск — подключенный быстрым сетевым соединением вторичный ПК с программным RAM-диском. Такой диск стоит в 2-4 раза меньше специализированных, но не рекомендуется для использования в критичных к потере данных приложениях.

б)NAND SSD

Накопители, построенные на использовании энергонезависимой памяти (NAND SSD) появились относительно недавно, но в связи с гораздо более низкой стоимостью (3-10 долларов США за Гигабайт) начали уверенное завоевание рынка. До недавнего времени существенно уступали традиционным накопителям в чтении и записи, но компенсировали это (особенно при чтении) высокой скоростью поиска информации (сопоставимой со скоростью RAM-дисков). Сейчас уже выпускаются твердотельные Flash диски со скоростью чтения и записи сопоставимой с традиционными и разработаны модели существенно их превосходящие (ожидаются к выпуску в начале 2009 года). Характеризуются относительно небольшими размерами и низким энергопотреблением. Уже практически полностью завоевали рынок ускорителей баз данных среднего уровня и начинают теснить традиционные диски в мобильных приложениях.

Преимущества по сравнению с жесткими дисками

1. быстрый поиск информации;

2. большая скорость запуска, отсутствие движущихся частей;

3. более низкая потребляемая мощность;

4. большая механическая стойкость;

5. маленькое время считывания информации;

6. наибыстрейшее время записи (только для RAM);

7. большой диапазон рабочих температур;

8. нету шума от движущихся частей и охлаждающих вентиляторов;

9. практически устойчивое время считывания файлов вне зависимости от их фрагментации или расположения;

10. маленький вес и размер.

Недостатки твердотельных накопителей

• маленькая емкость;

• большая цена за 1 Гб;

• маленькая скорость записи;

• малая плотность записи;

• большая чувствительность к некоторым эффектам,

• маленькое число циклов перезаписи;

• большое употребление энергии в режиме ожидания.

Глава 2. Особенности архитектура ПК

2.1 Классическая архитектура фон Неймана

Основной принцип построения ЭВМ носит название архитектуры фон Неймана - американского ученого венгерского происхождения Джона фон Неймана, который ее предложил.

Современную архитектуру компьютера определяют следующие принципы:

1. Принцип программного управления. Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий компьютера. Эффективность программного управления будет выше при решении задачи этой же программой много раз (хотя и с разными начальными данными).
2. Принцип программы, сохраняемой в памяти. Согласно этому принципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в оперативную память, что ускоряет процесс ее выполнения.
3. Принцип произвольного доступа к памяти. В соответствии с этим принципом, элементы программ и данных могут записываться в произвольное место оперативной памяти, что позволяет обратиться по любому заданному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих.

На основании этих принципов можно утверждать, что современный компьютер - техническое устройство, которое после ввода в память начальных данных в виде цифровых кодов и программы их обработки, выраженной тоже цифровыми кодами, способно автоматически осуществить вычислительный процесс, заданный программой, и выдать готовые результаты решения задачи в форме, пригодной для восприятия человеком.