Файл: Архитектура современных компьютеров (Персональный компьютер - универсальная техническая система).pdf

Трудно сегодня найти хотя бы одну область деятельности людей, где бы ни применялись компьютеры, или ту, которая хотя бы косвенно не зависела от их применения. Компьютеры в информационном обществе стали естественной его составляющей и элементом повседневной жизни каждого человека. Поэтому в последнее время к основным компонентам средств, способствующих обработке информации, причисляют и бытовую электронику (теле-, аудио-, видео- и другое оборудование), начинающую играть все большую роль в экономической жизни отдельных членов информационного общества, выступая в роли важнейших оконечных устройств приема/передачи и накопления данных, информации и знаний.

Дисциплина «Архитектура компьютеров», опираясь на полученные знания об устройстве узлов и блоков, составляющих аппаратуру компьютера, изучает их взаимодействие между собой и с внешним миром.

Цифровой компьютер — это машина, которая может решать задачи, исполняя данные ей команды. Последовательность команд, описывающих решение определенной задачи, называется программой. Электронные схемы каждого компьютера могут распознавать и исполнять ограниченный набор простых команд. Все программы перед исполнением должны быть превращены в последовательность таких команд.

Эти сведения позволяют программистам любого уровня рационально использовать ресурсы системы и проектировать эффективные программы.

Рассматриваются также современные архитектурные решения микропроцессоров и компьютеров, подходы к организации работы высокопроизводительных вычислительных систем.

Архитектура современного компьютера – это некоторое абстрактное представление, которое отражает его структурную, схемотехническую и логическую организацию.

В это общее понятие входят такие составляющие, как устройство ПК, физические, арифметические и логические принципы работы его блоков.

Современные компьютеры обладают некоторыми общими и индивидуальными свойствами архитектуры. Индивидуальные свойства присущи конкретным моделям и отличают их от других моделей. Наличие общих архитектурных свойств обусловлено тем, что подавляющее большинство типов существующих машин принадлежит к поколению с фоннеймановской архитектурой.

Стремительное развитие науки и проникновение человеческой мысли во все новые области вместе с решением поставленных прежде проблем постоянно порождает поток вопросов и ставит новые, как правило, более сложные задачи. Во времена первых компьютеров казалось, что увеличение их быстродействия в 100 раз позволит решить большинство проблем, однако гигафлопная производительность современных суперЭВМ сегодня является явно недостаточной для многих ученых.

1 глава. Конфигурация современного компьютера.

1. Персональный компьютер - универсальная техническая система.

Конфигурацию (состав оборудования) современного компьютера можно гибко изменять по мере необходимости. Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. В таком комплекте компьютер обычно поставляется. Понятие базовой конфигурации может меняться. В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают четыре устройства:

 системный блок;

 монитор;

 клавиатуру;

 мышь.

Рис. 3.1. Внешний вид системного блока

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними. Внешние дополнительные устройства, в основном предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными.

К основным компонентам системного блока относятся:

 корпус и блок питания;

 материнская плата;

 процессор;

 оперативная память;

 жесткий магнитный диск (винчестер);

 накопитель на гибких магнитных дисках (флоппи-диски);

 накопитель на CD- или на DVD- дисках;

 устройство для чтения карт памяти;

 сетевая карта;

 видеокарта;

 звуковая карта.

По внешнему виду системные блоки персональных компьютеров также могут различаться. Корпуса персональных компьютеров выпускают в горизонтальном (desktop) и вертикальном (tower) исполнении. Корпуса, имеющие вертикальное исполнение, различают по габаритам:

 полноразмерный (big tower),

 среднеразмерный (midi tower)

 и малоразмерный (mini tower).

Рис. 3.2 Внешний вид блока питания персонального компьютера

Среди корпусов, имеющих горизонтальное исполнение, выделяют плоские и особо плоские (slim).

Кроме формы, для корпуса важен параметр, называемый форм-фактором. От него зависят требования к размещаемым устройствам. В настоящее время в основном используются корпуса двух форм-факторов: АТ и АТХ. Форм-фактор корпуса должен быть обязательно согласован с форм-фактором главной (системной) платы компьютера, так называемой материнской платы.

Корпуса персональных компьютеров поставляются вместе с блоком питания и, таким образом, мощность блока питания также является одним из параметров корпуса. Для массовых моделей достаточной является мощность блока питания 250-300 Вт.

Назначение внутренних устройств персонального компьютера.

Материнская плата (системная плата) – это основа компьютера. Именно эта плата определяет, какого типа процессор можно использовать, какой максимальный размер оперативной памяти можно будет установить и т. д.

Все платы расширения (видеокарта, контроллер SCSI, модем, сетевая карта и т. д.) крепятся к материнской плате. Кроме того, на материнской плате находятся микросхемы, управляющие всем, что есть в компьютере.

Ниже приведен список основных компонентов системной платы:

 Процессорное гнездо.

 Разъемы для оперативной памяти.

 Интерфейсы шины PCI.

 Микросхема системной логики (чипсет).

 Интерфейсы для подключения жестких дисков и накопителей CD или DVD дисков.

 Интерфейсы для подключения FDD.

 Блок портов ввода/вывода.

Форм-фактор материнской платы — стандарт, определяющий размеры материнской платы для персонального компьютера, места ее крепления к корпусу; расположение на ней интерфейсов шин, портов ввода/вывода, разъема центрального процессора и слотов для оперативной памяти, а также тип разъема для подключения блока питания.

Устаревшими считаются: Baby-AT; Mini-ATX; полноразмерная плата AT; LPX.

Современными считаются: АТХ; microATX; Flex-АТХ; NLX; WTX, CEB.

Внедряемыми считаются: Mini-ITX и Nano-ITX;Pico-ITX; BTX, MicroBTX и PicoBTX

Процессор (ЦП; CPU — англ. céntral prócessing únit, дословно — центральное вычислительное устройство) – это устройство, которое занимается обработкой и вычислением данных. Современные процессоры очень сложны. Основой любого процессора является ядро, которое состоит из миллионов транзисторов, расположенных на кристалле кремния.

Изначально термин центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры.

Функционально процессор можно разделить на две части:

 АЛУ (Арифметико-Логическое Устройство) – занимается обработкой данных;

 УУ (Устройство Управления) – занимается передачей данных.

Рис. 3.3 Процессор Intel Pentium 4

Процессор снабжен внутренней памятью, которая называется кэш-память. Она бывает двух уровней.

Современные процессоры имеют корпуса типа PGA (Pin Grid Array – шахматная решетка массива штырьков). На данный момент времени существуют несколько производителей процессоров, среди них можно особо выделить компании Intel и AMD.

Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах. Среди регистров процессора есть и такие, которые в зависимости от своего содержания способны модифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры центрального процессора, можно управлять обработкой данных. На этом и основано исполнение программ.

Ранние ЦПУ создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, отказались. Производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦПУ с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках.

Следующий элемент - микропроцессорный комплект (чипсет). Это набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы.

Оперативная память (RAM — Random Access Memory) — это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. Существует много различных типов оперативной памяти, но с точки зрения физического принципа действия различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM).

Ячейки динамической памяти (DRAM) в первом приближении можно представить в виде микроконденсаторов - устройств способных накапливать электрический заряд на своих обкладках. Это наиболее распространенный и экономически доступный тип памяти. Если такую оперативную память постоянно не «подзаряжать», утрата данных происходит через несколько сотых долей секунды. Для борьбы с этим явлением в компьютере происходит постоянная регенерация (освежение, подзарядка) ячеек оперативной памяти. Регенерация осуществляется несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы.

Ячейки статической памяти (SRAM) можно представить как электронные микроэлементы — триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и, соответственно, дороже. Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной памяти компьютера. Микросхемы статической памяти используют в качестве вспомогательной памяти (так называемой кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы процессора.

Представление о том, сколько оперативной памяти должно быть в типовом компьютере, непрерывно меняется. В середине 80-х годов поле памяти размером 1 Мбайт казалось огромным, в начале 90-х годов достаточным считался объем 4 Мбайт, к середине 90-х годов он увеличился до 8 Мбайт, а затем и до 16 Мбайт. Сегодня типичным считается размер оперативной памяти 512-1024 Мбайт, но очень скоро эта величина будет превышена в 2-4 раза даже для моделей массового потребления.

Рис.3.4. Модули оперативной памяти (DIMM- модули)

Оперативная память в компьютере размещается на стандартных платах, называемых модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате. Если к разъемам есть удобный доступ, то операцию можно выполнять своими руками. Если удобного доступа нет, может потребоваться неполная разборка узлов системного блока, и в таких случаях операцию поручают специалистам.

Конструктивно модули памяти имеют два исполнения:

 однорядные - SIMM-модули;

 двухрядные модули - DIMM-модули (см. рис. 4.5.).

Память типа SIMM уже очень устарела и сейчас встречается только в старых компьютерах.