Файл: История развития средств вычислительной техники (ВТ).pdf

Джон фон Нейман предположил, что компьютер должен состоять из следующих модулей (рис. 4).

В настоящее время компьютеры проектируются на принципе открытой архитектуры. Это архитектура, допускающая сборку, усовершенствование и ремонт компьютера по его составным элементам – модулям. Принцип открытой архитектуры используется в конструкции персональных компьютеров, при производстве IBM-совместимых (или Intel-совместимых) ПК.

Рисунок 4 – Архитектура фон Неймана.

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

Рассмотрим ключевые компоненты современных персональных компьютеров.

2.2. Материнская плата

Материнская плата представляет собой сложную многослойную печатную плату, которая обеспечивает связь между всеми устанавливаемыми в компьютер устройствами. Кроме того, на самой материнской плате уже имеется множество различных чипов, выполняющих роль управления некоторыми разъемами материнской платы или даже представляющие собой целые устройства.

Не так давно платы такого качества и структуры могли позволить себе заказать только крупные производители оборудования, так как процесс их производства очень сложный и требует дорогостоящее точное оборудование. Сейчас любой разработчик или изобретатель может заказать себе печатную плату любой сложности. К примеру, вот ссылка на компанию, которая может сама разработать необходимую плату и подготовить всю документацию для ее серийного производства.

Ранее материнская плата выполняла роль только как связующее звено между всеми устройствами, но с развитием микропроцессорной техники и миниатюризации электронных компонентов все материнские платы для стационарных компьютеров стали сразу оснащаться интегрированной звуковой картой. Для сборки недорогих компьютеров стали выпускаться также системные платы с интегрированным графическим чипом, который в большинстве случаев не может похвастаться своей высокой производительностью, при этом память для интегрированной видеокарты берется программным способом из основной установленной памяти, уменьшая объем доступной оперативной памяти для операционной системы.

Материнские платы кроме своих названий отличаются еще и по размерам и техническим характеристикам. В основном они выпускаются в соответствии с существующими стандартами, что обеспечивает их совместимость с различными устройствами, разработанными разными фирмами.

Первая материнская плата была разработана фирмой IBM в 1981 году. Эта плата не могла без корректировки поддерживать многие устройства расширения, такие как жесткий диск.

Идея единой платы для интеграции всех элементов завоевала себе место далеко не сразу. В первые годы существования ПК были широко распространены так называемые объединительные платы, то есть платы, на которых размещались не все функциональные блоки компьютера. Эти блоки размещались на разных платах, которые вставлялись в слоты расширения объединительной платы – это могли быть и чипсеты, контроллеры дисководов, портов и даже сам процессор. Но потом от подобной схемы пришлось отказаться (и первой пример этому подала фирма IBM) в связи с удешевлением интегрированных материнских плат современного типа, на которых размещались все компоненты, а также в связи с трудностями, которые возникали при модернизации компьютеров на объединительных платах.

В первых материнских платах современного типа, однако, процессор, как и память, были несъемными. Впоследствии появились разъемы для памяти и сокеты для процессоров. Это усовершенствование значительно упростило модернизацию компьютера.

Сначала среди системных плат был распространен форм-фактор AT, ведущий начало от материнских плат компьютеров архитектуры AT. Но платы подобного размера были очень большими, и поэтому чаще использовался форм-фактор Baby-AT.

Итак, материнская плата компьютера (по-английски пишется, как «motherboard»), также называемая системной платой – основное устройство персонального компьютера. Ее главное назначение – связывать и объединять в единое целое все узлы и компоненты компьютера. Многие узлы физически размещаются на материнской плате, а другие связаны с ней при помощи кабелей (рис. 5).

Рисунок 5 – Схема материнской платы

Какие устройства размещаются на материнской плате:

- Разъем для процессора;

- Чипсет;

- Слоты расширения;

- Разъемы памяти;

- Разъемы для подключения дисководов;

- Шины;

- Порты;

- Микросхема BIOS;

- Сетевая карта (опционально);

- Видеокарта (опционально);

- Звуковая карта (опционально).

Материнская плата крепится при помощи специальных винтов в корпусе компьютера. Следует учесть, что форм-фактор, то есть стандартизированный типоразмер материнской платы привязан к форм-фактору системного блока, и материнская плата, имеющая определенный форм-фактор, вряд ли встанет в системный блок, предназначенный для другого форм-фактора.

Пару слов стоит сказать о технологии изготовления материнских плат. Материалом для материнских плат обычно служит стеклотекстолит, на который нанесены проводящие дорожки из металла. Таких слоев текстолита в плате может быть несколько. Сверху плата покрыта диэлектрическим лаком, обычно зеленого цвета.

2.3. Процессор

Процессор (центральное процессорное устройство – ЦПУ) является главной микросхемой в современном компьютере, т.к. именно он координирует работу остальных частей системы и осуществляет обработку данных. Центральный процессор (рис. 6) состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ), устройства управления и набора регистров. Арифметико-логическое устройство обеспечивает выполнение вычислительных действий. Устройство управления обеспечивает порядок выполнения операций и прерывания. Регистры играют роль памяти.

Рисунок 6 – Совеременный процессор

Первые процессоры создавались с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников и вакуумных ламп. В середине 1950-х годов были внедрены транзисторы. Затем, спустя десятилетие, появились первые микросхемы, которые поначалу содержали простые транзисторные и резисторные сборки, позднее появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора — микропрограммное устройство, АЛУ, регистры, устройства работы с шинами данных и команд.

Сегодня процессор представлен в виде интегральной схемы или электронного блока. Процессор иногда также называют микропроцессором.

Именно переход к микропроцессорам позволил создать персональные компьютеры, которые проникли почти в каждый дом.

Процессор, как и многие другие устройства, имеет ряд характеристик, которые определяют качество его работы. Ими являются:

1. Тактовая частота (синхросигнал) – это число основных операций компьютера, производимых за одну секунду. Тактовая частота измеряется в герцах.

2. Производительность – характеристика скорости выполнения определённых операций на компьютере.

3. Энергопотребление. Наиболее производительные модели потребляют до 130 и более ватт.

Архитектура процессора. Существует несколько классификаций архитектур процессоров, например, по скорости выполнения команд, или по назначению.

Принцип открытой архитектуры ПК позволяет установить на компьютер более мощный и производительный центральный процессор.

В последнее десятилетие получили свою популярность многоядерные процессоры. Такие процессоры содержат несколько ядер в одном корпусе. Они предназначены для работы одной копии операционной системы на нескольких ядрах. Сегодня массово доступны процессоры с двумя, тремя, четырьмя, шестью, восьмью ядрами. Наиболее популярными производителями процессоров являются Intel, AMD, IBM.

2.4. Оперативная память

Для начала дадим определение: оперативная память (оперативное запоминающее устройство – ОЗУ) – это один из главных элементов компьютера, который представляет собой его временную память. А она, в свою очередь, нужна для нормального функционирования всех процессов, программ и приложений. Своё название она получила благодаря быстрой работе и способности создавать условия для мгновенного считывания процессором информации (рис. 7).

Рисунок 7 – Модуль оперативной памяти

От постоянной (к примеру, дисковой) оперативная память отличается тем, что доступ к ней осуществляется значительно быстрее, и разница может достигать сотни тысяч раз. Данные, которые в неё записаны, доступны только при включенном компьютере.

Когда же выключается или перезагружается компьютер, абсолютно все содержимое ОЗУ стирается (обнуляется). Поэтому перед выключением компьютера или перезагрузкой всю информацию, подвергнутую изменениям в процессе работы, нужно сохранять на жестком диске или на другом альтернативном запоминающем устройстве.

Само понятие «оперативная память компьютера» нередко обозначает не только микросхемы, составляющие устройства памяти в системе, но сюда также входят понятия размещения и логического отображения. Размещение – это расположение информации определенного типа по определенным адресам памяти в системе. В свою очередь, логическим отображением является способ представления этих адресов на установленных микросхемах. ОЗУ используется в различных устройствах персонального компьютера – от видеоплаты до принтера и сканера.

Типы оперативной памяти и их характеристики (рис. 8):

1) SDRAM (PC-133) – сегодня является устаревшим видом, крайне редко встречается, но стоит довольно дорого. Компьютеры с этим типом оперативной памяти модернизировать уже не получится.

Рисунок 8 – Типы оперативной памяти

2) DDR SDRAM или DDR (с частотой 200-400 МГц) – также является устаревшим видом ОЗУ, который на сегодняшний момент крайне редко используется. Этот модуль представляет собой 184-контактную плату. Стандартным напряжением для него является напряжение в 2,5 В.

3) Далее следует DDR2 – более распространенный сегодня тип, но, тем не менее, уже не являющийся современным. DDR2 (с частотой 533-1200 МГц) делает выборку 4 бита данных за один такт работы процессора, в то время как DDR только 2 бита. Это означает способность передавать при каждом такте в два раза больше информации через ячейки микросхемы. Данный модуль имеет по 120 контактов с двух сторон, а стандартным напряжением для него есть 1,8 В.

4) Следующий вид оперативной памяти – DDR3 (частота 800-2400 МГц) - новый тип, который дает возможность делать выборку 8 бит данных за один такт работы процессора. Он также представляет собой 240-контактную плату, но имеет на 40% меньше энергопотребления, чем у DDR2, а рабочее напряжение всего 1,5 В. Такое сравнительно невысокое энергопотребление имеет большое значение для ноутбуков и мобильных устройств. Логично отметить, что чем выше показатели частоты, тем выше скорость работы оперативки.

5) DDR4 – самый новый тип, который является следующей ступенькой эволюционного развития. Как все предыдущие ступеньки, данный тип имеет еще большую частоту (от 2133 до 4266 МГц) и меньшее энергопотребление. Также значительно повысилась надежность работы благодаря механизму контроля чётности на шинах адреса и команд. Массовое производство началось лишь во втором квартале 2014 года. Массовое распространение получила в 2016 году после выхода нового поколения процессоров Intel Skylake.

Еще одна важная характеристика оперативной памяти – ее объем. Вначале следует отметить, что он самым непосредственным образом влияет на количество единовременно запущенных программ, процессов и приложений и на их бесперебойную работу. На сегодняшний день наиболее популярными модулями являются планки с объемом: 4 Гб и 8 Гб (речь идет про стандарт DDR3). Исходя из того, какая операционная система установлена, а также, для каких целей используется компьютер, следует правильно выбирать и подбирать объем ОЗУ.

2.5. Жесткий диск (HDD)

Жесткий диск, или винчестер, является основной и очень важной частью компьютера. На нем хранится не только операционная система, которая управляет компьютером, но и вся информация. Зачастую бывает, что ценность информации во много раз превосходит не только стоимость самого жесткого диска, но и компьютера в целом. Поэтому безопасность информации во многом зависит от качества и надежности такого накопителя. Современный жесткий диск выглядит так, как показано на рисунке 9.