Файл: Архитектура современных компьютеров.pdf

Введение

В наше время компьютеры есть почти в любой семье. Мы их используем в разных целях для развлечения, для получения образования, для просмотра клипов и фильмов, при этом для выполнения данных целей можно использовать всего один компьютер. Персональные компьютеры (далее ПК) являются неотъемлемыми помощниками для людей разных профессий, таких как врач, дизайнер, инженер. А также есть профессии, которые полностью связанны с компьютерами. Благодаря ПК стало возможным создавать практически полностью автоматизированные производства, реализовать многие проекты, сделать и ускорить более продуктивным процесс обучения и другое.

Опираясь на ГОСТ 15971-90, ПК, или персональная ЭВМ – настольная микро-электронно-вычислительная машина, имеющая эксплуатационные стандартные функциональные возможности и характеристики бытового прибора. ^[1]

Так как компьютер используется людьми в разных целях, его можно смело назвать универсальным устройством. Л. Л. Босова в учебнике «Информатика» пишет, что ПК — это «универсальная машина для работы с информацией».^[2] И. Г. Семакин добавляет к этому определению слово «техническая».^[3]

Термин «персональный компьютер» был введен в 1964 году и относился только к устройству Programma 101 (Olivetti). Но затем был перенесен и на другие ПК. В СССР все вычислительные машины, предназначенные для персонального использования, носили название персональные ЭВМ.

На сегодняшний день ПК называют любую электронно-вычислительную машину, имеющую IBM-совместимую архитектуру^[4].

А. Я. Фридланд в толковом словаре «Информатика и компьютерные технологии» дает другое определение. Персональный компьютер – это электронная машина, предназначенная для индивидуального использования. Основные критерии отнесения компьютера к классу персональных компьютеров: низкая цена, малые размеры, простота модернизации, функциональная универсальность.^[5]

В повседневных рутинных работах ПК без всяких проблем может заменить человека, но без человека, как пользователя Персонального Компьютера, компьютер работать самостоятельно полностью не сможет. В каких-либо действиях, вычислениях и так далее, работу компьютера надо полностью контролировать. Для лучшего и удобного общения между компьютером и пользователем служит пользовательский интерфейс.

Увеличение объема и развитие производства информации привели к об ходимости создания ПК как инструмента для хранения и обработки информации.

Актуальностью темы исследования является то, что ПК с момента появления прошли долгий путь до электронного устройства от механического, перетерпев при этом большое количество новшеств и глобальных изменений. Сегодняшний день является невозможным представить себе эффективную организацию рабочего и учебного процесса. ПК используется почти во всех сферах деятельности современного человека. В нынешнее время круг задач, требующих для своего решения применения мощных электронно-вычислительных машин, весьма расширился.

Объектом исследования работы является: современный ПК.

Предметом исследования работы является: устройство современного ПК.

Целью исследования работы является: изучение особенности устройства современного ПК.

Задачи исследования:

1. Изучить и проанализировать учебную литературу по теме «Устройство современного ПК»
2. Структурировать знания по данной теме и выделить основные составляющие ПК
3. Выделить основные моменты в истории, которые привели к появлению и созданию персонального компьютера
4. Изучить понятия «структура компьютера» и «архитектура компьютера»
5. Обобщить полученные в ходе работы знания

1. Структура и архитектура ПК

Среди всех стандартных функций ПК выделяют две основные:

• обмен с внешними объектами информацией.
• работа с информацией (хранение и обработка информации);

Так же есть дополнительные функции, которые значительно повышают эффективность выполнения классических основных функций ПК:

• высокую надежность,
• диалог с пользователем,
• обеспечивают эффективные режимы работы и т.д.

Данные функции ПК реализуются с помощью программного и аппаратного обеспечения компьютера.

Аппаратное обеспечение (АО), или hardware – это физическая часть или сказав проще «тело». Это системный блок с жестким диском, материнской платой и процессором, периферийным устройством и т.д.

Software или программное обеспечение – это программы и информации для управления процессами и обработки информации, «интеллект» компьютера.

При рассмотрении ПК как устройства необходимо уметь различать понятия его структуры и архитектуры.

Под архитектурой компьютера понимают концептуальную структуру ЭВМ, определяющая проведение обработки информации и включающую методы преобразования информации в принципы и данные взаимодействия ПО и технических средств.^[6] Другими словами, это описание ПК на некотором общем уровне, которое включает в себя описание компонентов, входящих в него, принципы их взаимодействия, включая характеристики и функции, а также описание пользовательских возможностей.

Структура ПК — это совокупность его функциональных элементов и связь между этими функциями. Элементами могут являться самые разные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура ПК графически представляется нам в виде структурных схем, с помощью которых можно дать полное описание ПК на любом уровне детализации. То есть это некая модель, устанавливающая состав, принципы и порядок взаимодействия входящих в нее компонентов.

Концепция, разработанная фон Нейманом предполагает, соблюдение некоторых принципов, которые описаны далее:

• Принцип однородности памяти.
• Принцип адресности.
• Принцип программного управления.
• Принцип двоичного кодирования.

В современном мире компьютеры проектируются по принципу открытой архитектуры. Данная архитектура, допускающая сборку, ремонт и усовершенствование ПК по его составным элементам — модулям. Принцип открытой архитектуры используется в конструкции персонального компьютера, при производстве IBM-совместимых (или Intel-совместимых) персонального компьютера.

Открытые спецификации архитектуры периферийного устройства или ПК позволяют сторонним производителям разрабатывать дополнительные устройства к системам с открытой архитектурой.

Далее давайте рассмотрим основные компоненты современных ПК.

1.1 Материнская плата

Материнская плата ПК – это сложнейшая многослойная печатная плата, на которую монтируется чипсет и прочие компоненты компьютерной системы. Материнская плата является главной основой построения системы ПК. Вместе с подключенным к ней устройствами, системная плата встраивается в системном блоке ПК.^[7]

Первая МП (материнская плата) была создана фирмой IBM в 1981 году. Данная плата не могла без корректировки поддерживать многие устройства расширения, таких как жесткий диск.

Системная плата состоит их нескольких частей, которые, чаще всего являются несъемными:

Разъем центрального процессора ЦПУ. Разъем, который предназначен для установки в него центрального процессора. Процессор, устанавливается в разъем вместо припаивания, и это значительно упрощает замену процессора в случае модернизации или ремонта персонального компьютера.

Разъемы оперативной памяти. В данные разъемы подключаются все модули динамической памяти, содержащие полупроводниковые интегральные схемы.

Микросхемы иными словами южный мост и северный мост.

Северный мост – это специальный прямоугольный чип, который располагается в верхней части материнской платы и находится под процессором, который отвечает за взаимодействие центрального процессора с видеоадаптером и оперативной памятью. Северный мост соединен с системной платой через южный мост и согласующий интерфейс.

Южный мост – это концентратор ввода-вывода. Который как правило обычно представлен в виде микросхемы, которая обеспечивает взаимодействие периферийных устройств с ЦПУ.

Особенности МП и то, какие устройства могут подключаться к ней определяют южный и северный мосты.

Загрузочное постоянное запоминающие устройства (BIOS). Это набор микропрограмм, реализующих интерфейс прикладного программирования для работы с аппаратурой компьютера и подключёнными устройствами к нему.

Контроллеры шин и слоты расширения. Компьютерные шины служат для передачи данных между блоками компьютера.

Интерфейсы и контролеры периферийных устройств. Это разъемы и слоты, в которые подключаются устройства ввода/вывода данных (мышь, монитор, принтер, клавиатура и т.д.).

1.2 Процессор

Процессор является основной микросхемой в современном ПК, так как именно он координирует работу остальных частей системы и осуществляет обработку данных. Главный центральный процессор состоит из набора регистров и устройства управления, а также из арифметико-логического устройства (АЛУ). АЛУ обеспечивает выполнение вычислительных действий. Устройство управления обеспечивает порядок выполнения прерывания и операций. Также роль памяти играют регистры.^[8] 

Первые процессоры были созданы с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников и вакуумных ламп. В середине 1950-х годов были внедрены транзисторы. Затем, спустя несколько десятилетий, появились микросхемы, которые сначала содержали простые резисторные и транзисторные сборки, далее появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора — регистры, микропрограммное устройство, арифметико-логического устройства, устройства работы с шинами команд и данных.^[9]

На сегодняшний день процессор представлен в виде электронного блока. Также процессор часто называют микропроцессором.

Процессор, как и другие устройства, имеет несколько основных характеристик, которые определяют качество работы. Ими являются:

• Производительность.
• Тактовая частота.
• Энергопотребление.
• Архитектура процессора.

Принцип открытой архитектуры персонального компьютера позволяет нам устанавливать на ПК более мощные и производительные центральные процессоры.^[10]

1.3 Оперативная память

Оперативная память – является одной из основных частей ПК. Она предназначена для текущего хранения фрагментов пользовательских программ, операционной системы, их результатов работы и переменных и т.д. Частенько ОП называют оперативным запоминающим устройством ОЗУ. Количество задач, которое компьютер может выполнить одновременно, зависит от объема ОП.^[11]

ОЗУ – энергозависимая часть системы памяти компьютера, то есть данные сохраняются и доступны тогда, когда на модули ОП подается напряжение. При выключении питания теряется информация.

Обмен данными между оперативной памятью и процессором производится:

• через регистры в АЛУ;
• непосредственно.

Первые образцы ОП появились в 1834 году, когда математик Чарлз Бэббидж изобретал первую аналитическую машину. Одну из важнейших частей этой машины он называл «складом», эта часть была предназначена для хранения промежуточных результатов вычислений. Информация в «складе» запоминалась в чисто механическом устройстве в виде шестерней и поворотов валов.

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.

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.

1.4 Жесткий магнитный диск

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.^[12]