Файл: Устройство персонального компьютера.pdf

ВВЕДЕНИЕ

В 1980 году компания IBM совершила революцию в производстве компьютеров, приняв решение о создании персонального компьютера открытой архитектуры, составные части которого должны быть универсальными. Это дало возможность модернизации компьютера по частям и, как следствие, значительно удешевило стоимость. 12 августа 1981 г. создан первый IBM-совместимый персональный компьютер.

Хотя споры о том, какое вычислительное устройство считать первым компьютером, ведутся до сих пор, нужно понимать, что современный персональный компьютер – это международный продукт, в котором воплотились технические достижения многих ученых со всего мира, в том числе российских.

Несмотря на огромное количество информации об аппаратных средствах персонального компьютера, книг, дающих полный обзор данной теме, немного. Более того, мир компьютерных технологий развивается настолько стремительно, что невозможно выпустить книгу с самыми актуальными данными – к моменту публикации изобретают что-то новое. Однако полноценно оценить достижения компьютерных технологий без их сравнения с уже имеющимися стандартами, без знания истории развития компьютерной техники очень сложно.

Актуальность данной темы очень высока, так как в настоящее время индустрия производства персональных компьютеров и программного обеспечения является одной из важнейших в экономике развитых стран. Среди причин столь стремительного роста индустрии персональных компьютеров можно выделить:

1. Низкую стоимость.
2. Простоту использования.
3. Большое разнообразие для применения.
4. Высокую надежность и простоту ремонта.
5. Наличие программного обеспечения, которое охватывает практически все сферы человеческой деятельности.
6. Быструю адаптацию аппаратной части персонального компьютера для выполнения новых задач.

Все это обусловлено тем, что персональный компьютер состоит из нескольких элементов, которые можно конфигурировать самым оптимальным вариантом.

Для правильной постановки цели и задач исследования необходимо определиться с тем, что такое персональный компьютер. Сам термин был введен в употребление в 1977 году, когда компания Apple Computer выпустила компьютер Apple II, а затем был перенесен на IBM PC, после чего любой компьютер, имеющий архитектуру IBM PC, стали называть персональным. Обычно под персональным компьютером понимают, прежде всего, настольные компьютеры, хотя с совершенствованием технологий появились и переносные разновидности. Персональным компьютер называют из-за того, что в течение единичного сеанса работы он используется только одним пользователем. Базовая конфигурация персонального компьютера включает в себя системный блок, монитор, клавиатуру и компьютерную мышь.

Целью исследования данной работы является детальное изучение развития технологий, позволивших создать персональный компьютер таким, каким мы его видим сейчас. Без глубокого знания этих основ невозможно плодотворно развиваться в сфере информационных технологий.

Для достижения это цели необходимо решить ряд задач. Прежде всего, чтобы сделать это максимально емко, необходимо собрать и ознакомиться с литературой по данному вопросу, учитывая новейшие достижения в области компьютерных технологий. Затем будет необходимо проанализировать и обобщить эти данные, сделать соответствующие выводы.

ГЛАВА 1. Системный блок

Корпус системного блока

Корпус – не только защитная оболочка, но и особая «среда»: процессор, память и прочие части содержимого системного блока нуждаются в специальном режиме охлаждения во время работы (см. рис. 1). Только при этом условии современный высокопроизводительный ПК работает устойчиво, не выходя из строя.

Рисунок 1. Корпус персонального компьютера

Первые процессоры x86 нуждались в принудительном охлаждении, и только при переходе к тактовой частоте более 50 МГц стало достаточно небольшого вентилятора. Но с появлением процессоров Intel Pentium 4, а затем многоядерных процессоров Intel Core, выделяющих много тепла, конструкция корпуса компьютера стала требовать к себе не меньшего внимания, чем конструкция системной платы. При этом небольшие нарушения в системе охлаждения теперь вызывают поломку дорогостоящих узлов. Чтобы избежать таких проблем, нужно не только заботиться о радиаторе на процессоре, но и продумать, как циркулирует воздух внутри корпуса. [4] Так можно сказать, что долгая жизнь любого компьютера зависит от конструкции корпуса, в котором смонтированы все узлы системного блока.

На корпусе персонального компьютера установлено несколько кнопок и индикаторов, предназначенных для системных целей. В настоящее время дополнительно устанавливают разъемы и для мультимедийных целей.

Для подключения внешних устройств, таких как монитор, принтер, клавиатура, мышь и т.д. на корпусе имеются специальные разъемы, которые располагаются чаще всего на задней части корпуса.

Блок питания

Основная функция блока питания – преобразование напряжения сети в напряжение питания элементов компьютера (см. рис. 2). Для обеспечения необходимого температурного режима в блоке питания имеется вентилятор.

Рисунок 2. Блок питания со снятой защитной крышкой корпуса

Размеры блока питания зависят от конструкции корпуса. Все они также различаются выходными мощностями. Мощность источника питания ПК должна обеспечивать энергопотребление всех подключенных к нему устройств. «Перед включением блока питания необходимо проверить переключатель напряжения (он должен быть в том положении, которое соответствует напряжению сети, принятому в данной стране).» [8, c.124]

Материнская плата

Материнская плата (Motherboard) – это основной компонент каждого персонального компьютера (см. рис. 3). Ее также называют системной платой. На материнской плате размещаются все основные элементы персонального компьютера, линии соединения и разъемы для подключения дополнительных устройств. Тип материнской платы определяет общую производительность системы, а также возможности по модернизации компьютера. [10]

Рис. 3. Расположение основных элементов на системной плате в корпусе компьютера

Производят материнские платы огромное количество компаний, но основные элементы в том или ином виде находятся на материнской плате каждого ПК:

1. Сокет для процессора.
2. Разъемы для установки модулей оперативной памяти. Количество и тип разъемов зависит от типа материнской памяти.
3. Разъемы для установки любых карт расширения (видеоадаптер, модем, звуковая карта и т.п.).
4. Микросхема перепрограммируемой памяти (EEPROM), в которой хранятся программы BIOS, POST, программа загрузки OS, драйверы устройств, CMOS Setup и т.п.).
5. Разъемы для подключения накопителей HDD, FDD, CD-ROM, последовательные порты для подключения периферийных устройств (мышь, модем и т.п.).
6. Набор микросхем (Chipset) для управления обменом данных между компонентами персонального компьютера.
7. Аккумуляторная батарея для питания микросхемы памяти CMOS и электронного таймера.

Компоненты материнской платы связаны между собой системой проводников или линий. Совокупность этих линий называют информационной шиной. Взаимодействие компонентов и устройств, подключенных к разным шинам, происходит посредством мостов (на одной из микросхем чипсета.

Внешние устройства персонального компьютера подключаются к шинам с помощью интерфейса (сопряжения). «Интерфейс – это совокупность характеристик периферийного устройства, определяющих обмен информацией между ним и процессором.» [6, c.216] Стандартизация интерфейсов дает возможность изменять конфигурацию системы при необходимости.

Процессор

Процессор (Central Processing Unit, CPU) регулирует и контролирует рабочий процесс персонального компьютера (см. рис. 4).

Рисунок 4. Процессор Intel Core 2 Duo

В состав процессора обычно входят следующие блоки:

1. Арифметико-логическое устройство.
2. Блок управления.
3. Блок памяти.
4. Устройство ввода/вывода.

Принцип работы любого процессора заключается в том, что на вход CPU по системной шине поступают двоичные сигналы, эти сигналы декодируются и на основании интегрированных в CPU инструкций управляют работой процессора. После чего на выход процессора выходит результат в виде двоичных сигналов (логические 1 или ноль определяются напряжением на линиях шин). Первый микропроцессор работал с тактовой частотой 108 кГц. Сегодня же процессоры преодолели рубеж в 3 ГГц. [13]

Основные компоненты процессора:

1. Ядро – это главный компонент процессора, который осуществляет выполнение команд.
2. Модуль предсказания перехода – определяет изменение последовательности выполнения команд после перехода, для того чтобы переслать эти команды в декодер команд заранее.
3. Сопроцессор – выполняет операции с нецелыми числами.
4. Кэш-память первого уровня (L1). Время доступа к этому модулю быстрее, чем к внешней кэш-памяти второго уровня (L2).
5. Интерфейсный модуль системной шины. Здесь входящие в CPU по системной шине команды разделяются на два потока, а в случае выхода потоки объединяются в один.

Производительность процессора характеризуется параметрами:

1. Степень интеграции - показывает сколько транзисторов может в ней поместиться. IntelCore i7 содержит 731 млн транзисторов, причем площадь кристалла меньше, чем у предшественников.
2. Внутренняя разрядность данных показывает количество бит, которое процессор может обрабатывать одновременно (16, 32, 64 бита).
3. Внешняя разрядность данных и тактовая частота шин. Эти характеристики определяют количество бит информации в секунду, которые можно передать по шине.
4. Тактовая частота.
5. Адресация памяти.

Память

Память – один из главных элементов любой вычислительной системы. Элементы памяти в том или ином виде есть в каждом конструктивном модуле компьютера.

Оперативная память (ОЗУ, RAM) – временная память, данные в которой хранятся только до выключения ПК. Конструкция оперативной памяти состоит из модулей, поэтому при необходимости можно заменить их, а также установить дополнительные модули, увеличив этим объем памяти (см. рис. 5).

Рисунок 5. 168-контактный модуль оперативной памяти DIMM

К данным в оперативной памяти CPU прямой доступ, а к периферийной памяти посредством буфера, являющимся также разновидностью оперативной памяти. Работа с программой возможна только после ее загрузки в RAM с внешнего носителя данных. Время доступа к данным в оперативной памяти очень мало. Так, время доступа к памяти примерно 200 нс, а время доступа к данным на жестком диске – 12 000 000 нс. Основной недостаток оперативной памяти – временность – при отключении питания оперативная память очищается, а данные, не записанные на внешний носитель, теряются. [7]

Оперативная память – динамическая, запоминающим элементом которой является конденсатор. Заряженный конденсатор – логическая 1, разряженный – логический 0. Если в идеальном конденсаторе заряд может сохраняться неограниченно, то в реальном существует ток утечки, а следовательно информация со временем утрачивается. Чтобы такого не происходило осуществляется процесс регенерации памяти. Единственный способ регенерации информации, хранимой в памяти, это выполнение операции чтения и записи данных. Так как этот процесс имеет огромное значение, прерывать его нельзя, поэтому CPU имеет доступ к данным в RAM только во время циклов свободных от регенерации.

Объем оперативной памяти определяется объемом модулей памяти на материнской плате. Для увеличения объема памяти системы была разработана концепция виртуальной памяти – файл на жестком диске в несколько десятков мегабайт, который является своего рода расширением оперативной памяти. В случае, когда все ячейки ОЗУ заняты, менеджер виртуальной памяти освобождает ее, перенося часть давно неиспользуемой информации в этот файл обмена. Данная концепция применяется в многозадачных операционных системах. [11]

Кэш-память

Кэш-память применяется для того, чтобы процессор получал наиболее часто востребованные данные. Она расположена вблизи процессора и имеет время доступа всего 10-15 нс. В настоящее время кэш-память интегрирована на кристалле процессора, хотя возможны и другие конфигурации.