Файл: Устройство персонального компьютера (Понятие компьютера).pdf

Обмен данными между центральной частью ЭВМ и периферийными устройствами производится операциями ввода-вывода. В процессе ввода данные передаются в центральную часть ЭВМ из внешней среды (в том числе и от пользователей), а также из внешней памяти. В процессе вывода данные передаются во внешнюю среду или во внешнюю память ЭВМ.

Особенностью большинства ПУ является относительно низкая скорость, с которой они принимают или передают данные. Это объясняется тем, что в большинстве из них используются электромеханические
узлы, скорость работы которых значительно ниже скорости работы электронных компонентов центральной части ЭВМ. Кроме того, быстродействие некоторых ПУ (например, многих устройств ввода) непосредственно зависит от производительности труда оператора (пользователя).

Производительность и эффективность работы ЭВМ определяются не только возможностями процессора и внутренней памяти, но и составом, техническими характеристиками и выполняемыми функциями периферийных устройств, а также способами организации их взаимодействия с центральной частью ЭВМ.

Наиболее значимые различия в архитектурах компьютеров состоят в способе интеграции всех его компонентов в единую систему. Именно способом взаимодействия и организации процесса пересылки данных между компонентами обуславливаются особенности архитектуры.

Устройства вычислительной машины можно соединить двумя способами: каждое с каждым непосредственно либо посредством шины. Первый способ является крайне дорогостоящим, причем с добавлением каждого нового устройства цена будет значительно возрастать, поэтому популярной является шинная организация.

Системная шина — основная интерфейсная система компьютера, магистраль, обеспечивающая взаимодействие и связь всех устройств между собой. Все основные блоки компьютера присоединены к системной шине.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

• между микропроцессором и основной памятью;
• между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
• между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, с помощью соответствующих разъемов подключаются к шине (непосредственно или через контроллеры (адаптеры)), как показано на рис.2.

Рисунок 2 – Структура персональных ЭВМ с общей шиной

Особенность общей шины состоит в том, что, если идет пересылка данных между двумя компонентами, то пересылка в этот же момент для другой пары устройств полностью исключена. В связи с этим именно разрядностью шины во многих случаях определяется быстродействие системы, а в случаях, когда быстродействие крайне важно, следует соединять устройства напрямую (использовать смешанную архитектуру).

Учитывая большое количество различных периферийных устройств, практически невозможно проектировать каналы ввода-вывода, полностью учитывающие специфику и особенности каждого ПУ и УПУ. Обычно КВВ обеспечивают некоторые общие для различных ПУ особенности ввода-вывода. В ЭВМ, как правило, используются два вида каналов ввода-вывода: мультиплексный и селекторный. Эти каналы существенно различаются своей пропускной способностью и поэтому обслуживают различные по быстродействию группы периферийных устройств.

Мультиплексный канал обеспечивает обмен данными с относительно медленнодействующими периферийными устройствами. Он одновременно обслуживает большое количество таких параллельно работающих ПУ, попеременно организуя с ними кратковременные сеансы связи.

Селекторный канал организует обмен с быстродействующими ПУ и обслуживает в монопольном режиме одно периферийное устройство, доводя с ним обмен данными до полного завершения [13., С.10].

Рассмотренная структура ПЭВМ с общей шиной стала в настоящее время общим стандартом для современных ЭВМ. В основе этого стандарта лежат следующие основные принципы:

• модульность структуры построения;
• магистральность аппаратурных соединений и процессов обмена данными;
• параллелизм в работе технических и программных средств;
• децентрализация управления и иерархическая организация структуры ЭВМ.

Модульная структура ЭВМ делает ее открытой системой, способной к адаптации и совершенствованию. К ЭВМ можно подключать дополнительные устройства, улучшая ее технические и эксплуатационные характеристики. Появилась возможность управления конфигурацией технических средств ЭВМ и ее адаптации к конкретным условиям применения в соответствии с требованиями пользователей.

Общая системная магистраль представляет собой линии передачи данных, адресов и сигналов управления. К этой магистрали подключаются как центральные, так и периферийные устройства ПЭВМ. К центральным устройствам относятся микропроцессор и основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства. Микропроцессор по своим логическим возможностям и структуре аналогичен процессору ЭВМ более ранних поколений, однако конструктивно реализован в виде одной большой или сверхбольшой интегральной схемы. Подключение периферийных устройств к системной магистрали обеспечивается через специальные устройства управления, называемые контроллерами.

Децентрализация управления предполагает иерархическую организацию структуры ЭВМ. Централизованное управление осуществляет устройство управления центрального процессора. По его командам происходит инициализация работы других модулей в иерархии структуры ЭВМ, после чего эти модули продолжают работу под управлением местных устройств управления.

Иерархический принцип построения и управления характерен не только для структуры ЭВМ в целом, но и для отдельных ее подсистем. Например, по этому же принципу строится система памяти
ЭВМ.

Модульность построения и децентрализация управления обеспечивают возможности для параллельной работы технических средств ЭВМ, например, ее периферийных устройств. Внутри ЭВМ произошло также еще более резкое разделение функций между средствами обработки информации. Наряду с центральным процессором появились специализированные процессоры, например, сопроцессоры, выполняющие обработку чисел с плавающей точкой, матричные процессоры и др. Принцип параллелизма распространился также на сами ЭВМ или процессоры. Появились многомашинные и многопроцессорные системы, содержащие несколько ЭВМ или процессоров, работающих согласованно и параллельно.

Определив логическое устройство компьютера, можно перейти к рассмотрению физической реализации описанной модели.

3. Физическое устройство компьютера

Уже несколько десятилетий идет «мобилизация» компьютеров. Если первые компьютеры занимали целые этажи в специальных вычислительных центрах, размеры настольных компьютеров измеряются десятками сантиметров, то ноутбуки и нетбуки помещаются в сумку, а смартфоны, КПК и планшеты – в карман. При этом внутри столь разных устройств (если говорить о наиболее популярной линейке IBM PC-совместимых компьютеров) находятся одни и те же платы и устройства.

В физической структуре компьютера как правило выделяют две части – системную и периферийную. Системная часть включает в себя аппаратуру, отвечающую за преобразование, хранение информации, тогда как периферическая часть, как правило, служит для представления информации в том или ином виде, её вывода, ввода, передачи на расстояние и т.п.

3.1 Системная часть компьютера

Системная часть настольного компьютера (если рассматривается не моноблок) помещается в системном блоке.

Корпус системного блока – это «коробка» для размещения устройств. Корпуса бывают различными по габаритам и дизайну. Вертикальные корпуса, в которых системная плата располагается на вертикальной стенке, носят названия: Mini Tower, Middle Tower, Midi Tower и Big Tower, горизонтальные – Mini Desktop и Desktop, а также Slim, в которые можно устанавливать только низкопрофильные платы периферийных устройств [16., С.41].

Как правило, производители комплектуют корпус блоком питания. Преобразовывая переменный ток высокого напряжения (110-230 V) в постоянный ток низкого напряжения (+/-12 V и +/-3.3 V), блок питания питает механические и электронные части внутренних элементов. Более высокое напряжение 12V питает двигатели магнитных накопителей (HDD и FDD), оптических приводов (CD, DVD) и куллеров. Низкое напряжение 5V питает микросхемы устройств. Блоки питания характеризуются своей мощностью. Если несколько лет назад для среднего домашнего компьютера хватало 250-350Вт, то сегодня типовыми являются 400-500Вт.

Если заглянуть внутрь системного блока, можно увидеть материнскую плату, на которой размещаются такие элементы компьютера, как процессор, микросхемы памяти, различные платы (видеокарта, звуковая карта, сетевая карта), чипсет – набор микросхем, организующих работу периферийных устройств [16., С.22]. Дополнительные устройства подключаются через порты или слоты.

Как уже было отмечено, в компьютерах применяется шинная схема взаимодействия. Между внешними устройствами и памятью имеются два промежуточных звена: контроллер – электронная схема, управляющая устройством, и шина – магистраль передачи данных. Одним из контроллеров, присутствующих почти в каждом компьютере, является контроллер портов ввода-вывода [4., С.30].

На материнскую плату устанавливается процессор, причем при выборе процессора нужно учитывать их совместимость (процессоры имеют разное количество и расположение «ножек», которым должно соответствовать «гнездо» материнской платы).

До 2005 г. все процессоры, используемые в массовых сериях настольных компьютеров, были одноядерными. Многоядерные процессоры, а также многопроцессорные системные платы хотя и выпускались промышленностью, но они считались принадлежностью промышленных высокопроизводительных систем и, соответственно, были весьма дороги. В настоящее время многоядерные (как правило, двух, четырех или шестиядерные) процессоры широко применяются и в офисных, и в домашних компьютерах.

Крупнейшие производители процессоров – Intel, AMD и IBM. Однако это не означает, что микропроцессоры больше никто не производит. Как правило, в большинстве развитых стран есть собственные «государственные» производители интегральных схем. Не стоит думать, что они пытаются каким-то образом составить конкуренцию «большой тройке» — вовсе нет. Причина локальной разработки и производства процессоров кроется несколько в другом, а именно в необходимости выпуска собственных решений для оборонной отрасли, где использование иностранной электронной базы запрещается из соображений национальной безопасности. Само собой, ситуация характерна и для России. Главным отечественным решением являются процессоры на базе архитектуры «Эльбрус», разработкой которых занимается компания МЦСТ [8.].

Кроме числа ядер, процессоры имеют и другие значимые характеристики. Тактовая частота – это то количество элементарных операций, которые процессор может выполнить в течение секунды; объем кэш-памяти – объем быстрой буферной памяти, встроенной в процессор [9., С.18]. Для современных процессоров тактовая частота составляет 3-5ГГц, объем кэша первого уровня (L1) - 64Кбайта на каждое ядро, второго уровня (L2) – 512Кбайт-6Мбайт, третьего уровня (L3) – несколько мегабайт [19.].

Видеокарта и звуковая карта могут быть как встроенными в материнскую плату (как правило, это весьма скромные по возможностям варианты), так и установленными на нее. Несмотря на повсеместное использование интегрированных в системную плату чипов, производители не собираются отказываться от выпуска дискретных решений, обеспечивающих на порядок более качественное изображение или чистый звук, чем их интегрированные аналоги [10., С.23].

Основная задача видеокарты – преобразование поступающих от центрального процессора данных в видеосигнал, передаваемый на монитор. Видеоадаптер характеризуется наличием собственного процессора, памяти и поддерживаемыми графическими технологиями. Поскольку компьютерная графика (в том числе компьютерная анимация, используемая в моделировании, играх и киноиндустрии) развивается крайне динамично, видеокарты тоже быстро эволюционируют. Еще в 1980-1990-х графика была символьная, а сейчас она все больше приближается к реалистичному изображению.

Основная задача звуковой платы - кодирование и декодирование звука. На большинстве звуковых карт имеется два входа (для микрофона и другого источника звука) и один или два выхода (для колонок и наушников). Звуковая карта имеет дело с двумя основными форматами компьютерного звука: WAV (цифровой формат) и MIDI (синтезированный формат). Соответственно, в ее конструкции есть два основных элемента, отвечающих за работу с этими видами: цифро-аналоговый и аналого-цифровой преобразователи и синтезатор. Разумеется, на звуковой карте располагаются и другие элементы: микросхема, отвечающая за обработку (компрессию и декомпрессию) «сжатого» звука, специализированные чип, отвечающий за объемное звучание (имеется не на всех картах) и т.д.