Архитектура персонального компьютера: организация устройство работа. Учебное пособие для ВУЗов Старков В.В.
Систематизированы сведения в области архитектуры и внутренней организации компьютерных систем. Подробно рассмотрены базовые понятия и основные принципы структурной (логической) организации современного персонального компьютера (ПК). Рассмотрены принципы работы и устройство основных компонентов ПК: процессора, системной платы, памяти, дисковой системы, видеосистемы. Показаны особенности организации каждой из систем и соединения их в единое целое в составе компьютера, построенного на базе «открытой архитектуры». Указаны факторы, способствовавшие успеху «открытой» архитектуры ПК. Книга содержит большое количество справочной информации, полезной в повседневной практике. Каждая глава снабжена вопросами для самопроверки.
Для студентов вузов, обучающихся по направлению 230100 — «Информатика и вычислительная техника», будет полезна специалистам в области сборки, модернизации и технического обслуживания компьютеров, сотрудникам предприятий по продаже компьютеров и комплектующих, читателям, самостоятельно осуществляющим сборку или модернизацию собственного компьютера.
Классическая архитектура компьютера
Ключевые принципы, в соответствии с которыми предполагалось конструирование ПК по определенной логической схеме, предложил Джон фон Нейман, выдающийся математик. Его идеи были реализованы производителями ПК, относящихся к первым двум поколениям. Концепция, разработанная Джоном фон Нейманом, — это классическая архитектура ПК. Каковы ее особенности? Предполагается, что компьютер должен состоять из следующих основных компонентов:
— арифметического и логического блока;
— устройства для управления;
— блока внешней памяти;
— блока оперативной памяти;
— устройств, предназначенных для ввода и вывода информации.
В рамках данной схемы взаимодействие технологических компонентов должно реализовываться по конкретной последовательности. Так, сначала в память ПК попадают данные из компьютерной программы, которые могут вводиться с помощью внешнего устройства. Затем устройство для управления считывает информацию из памяти компьютера, после чего направляет ее на выполнение. В этом процессе при необходимости задействуются остальные компоненты ПК.
Классический вариант архитектуры компьютера
Первоначальный состав архитектуры компьютера был предложен ученым Нейманом, который был известным математиком. Он изложил основные принципы конструирования персональных компьютеров, учитывая их логическую структуру. Эта методология, которую предложил Нейман, взята за основу классической архитектуры персонального компьютера. В его состав должны входить следующие основные элементы:
- логико-арифметический блок;
- управленческий блок;
- блок устройства внешней памяти;
- блок оперативной памяти;
- блок ввода-вывода данных.
В соответствии с этой структурой, должен быть соблюден определенный порядок работы элементов компьютера. Изначально производится загрузка информации в память компьютера из программы, что выполняется. Для ввода данных используются внешние устройства компьютера. После этого блок управления переносит эти данные из блока памяти в блок обработки информации. Обработка происходит с помощью различных элементов компьютера.
Многопроцессорная архитектура ПК
Наличие в ПК нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и команд, т.е. одновременно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи.
Рисунок 3. Архитектура многопроцессорного ПК
3 Средства информационных и коммуникационных технологий
Архитектура компьютера – это его устройство и принципы взаимодействия его основных элементов – логических узлов, среди которых основными являются
– внутренняя память (основная и оперативная),
– устройства ввода-вывода информации (периферийные).
Каждый логический узел компьютера выполняет свои функции.
Центральный процессор [1] — электронный блок либо интегральная схема, исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.
Рисунок 1 – Процессор
– обработка данных (выполнение над ними арифметических и логических операций);
– управление всеми остальными устройствами компьютера.
– Тактовая частота (в МГц, ГГц) и подразумевает под собой количество тактов (вычислений) в секунду.
– Частота шины – тактовая частота (в МГц), с которой происходит обмен данными между процессором и системной шиной материнской платы.
– Множитель – коэффициент умножения, на основании которого производится расчет конечной тактовой частоты процессора, методом умножения частоты шины на коэффициент (множитель).
– Разрядность (32/64 bit) — максимальное количество бит информации, которые процессор может обрабатывать и передавать одновременно.
– Кэш-память первого уровня, L1 — это блок высокоскоростной памяти, который расположен на ядре процессора, в него помещаются данные из оперативной памяти. Сохранение основных команд в кэше L1 повышает быстродействие процессора, так как обработка данных из кэша происходит быстрее, чем при непосредственном взаимодействии с ОЗУ.
– Кэш-память второго уровня, L2 — это блок высокоскоростной памяти, выполняющий те же функции, что и кэш L1, однако имеющий более низкую скорость и больший объем.
– Кэш-память третьего уровня обычно присутствует в серверных процессорах или специальных линейках для настольных ПК.
– Ядро – определяет большинство параметров центрального процессора: тип сокета, диапазон рабочих частот и частоту работы FSB. характеризуется следующими параметрами:
· Техпроцесс Масштаб технологии (мкм), которая определяет размеры полупроводниковых элементов, составляющих основу внутренних цепей процессора.
· Напряжение, которое необходимо процессору для работы и характеризует энергопотребление.
· Тепловыделение – мощность (Вт), которую должна отводить система охлаждения, чтобы обеспечить нормальную работу процессора.
· Тип сокета – то есть разъём для установки процессора на материнской плате.
Оперативная память [2] или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) — энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой во время работы компьютера хранится выполняемый машинный код (программы), а также входные, выходные и промежуточные данные, обрабатываемые процессором.
Рисунок 2 – Оперативная память
Функции оперативной памяти:
– прием информации от других устройств;
– передача информации по запросу в другие устройства компьютера.
Характеристики оперативной памяти:
– тип DDR — 1, 2, 3, 4;
– тайминги – длительность импульсов и пауз обновления ячеек памяти;
– тактовая частота оперативной памяти — частота в МГц (количество импульсов в секунду), с которой работает оперативная память;
– тактовая частота шины — частота канала, по которому идёт обмен данными между оперативной памятью и процессором;
– пропускная способность — это сколько за секунду времени может быть «пропущено» данных через плату оперативной памяти;
Жёсткий диск, винчестер (накопитель на жёстких магнитных дисках, или НЖМД) [3] — запоминающее устройство произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи.
Винчестер является основным накопителем данных в большинстве компьютеров. Именно на жёсткий диск устанавливается операционная система или другое программное обеспечение.
Рисунок 3 – Жёсткий диск
Характеристики жёстких дисков:
– скорость вращения шпинделя;
– наработка на отказ;
– среднее время ожидания;
– энергопотребление и тепловыделение.
Видеокарта [4] — устройство, преобразующее графический образ, хранящийся как содержимое памяти компьютера (или самого адаптера), в форму, пригодную для дальнейшего вывода на экран монитора.
Рисунок 4 – Видеокарта
– производитель видеопроцессора (GPU);
– частота GPU, МГц;
– количество занимаемых слотов на материнской плате;
– объем видеопамяти, ГБ;
– тактовая частота видеопамяти, МГц;
– шина обмена данными с памятью, бит;
– поддержка SLI и CrossFire;
– поддержка разных версий DirectX;
– необходимость дополнительного питания.
В основе архитектуры современных ЭВМ лежит магистрально-модульный принцип (рис. 26), который позволяет комплектовать нужную конфигурацию и производить необходимую модернизацию. Он опирается на шинный принцип обмена информацией между модулями
Рисунок 5 – Магистрально-модульный принцип построения компьютера
Системная шина или магистраль компьютера включает в себя три многоразрядные шины:
– шину данных – для передачи различных данных между устройствами компьютера ;
– шину адреса – для адресации пересылаемых данных, то есть для определения их местоположения в памяти или в устройствах ввода/вывода ;
– шину управления, которая включает в себя управляющие сигналы, которые служат для временного согласования работы различных устройств компьютера, для определения направления передачи данных, для определения форматов передаваемых данных и т. д .
Основой построения модульного устройства компьютера является материнская (или системная) плата [5] — печатная плата, которая содержит основную часть устройства (рис. 6).
Рисунок 6 – Материнская плата
На системной (материнской) плате размещаются:
– генератор тактовых импульсов;
– контроллеры внешних устройств;
– звуковая и видеокарты;
Персональные компьютеры: классификация
Как мы отметили выше, ПК могут быть классифицированы на большое количество разновидностей. В числе таковых: десктопы, ноутбуки, планшеты, КПК, смартфоны — объединяющие в себе ПК и телефоны.
Как правило, самыми мощными и производительными архитектурами обладают десктопы; наименее мощные — смартфоны и планшеты в связи с небольшими размерами и необходимостью существенно уменьшать ресурсы аппаратных компонентов. Но многие из соответствующих девайсов, особенно топовых моделей, по скорости работы, в принципе, сопоставимы с ведущими моделями ноутбуков и бюджетными десктопами.
Отмеченная классификация ПК свидетельствует об их универсальности: в тех или иных разновидностях они могут решать типичные пользовательские задачи, производственные, научные, лабораторные. ПО, архитектура компьютерных систем соответствующего типа во многих случаях адаптированы к использованию рядовым гражданином, не имеющим специальной подготовки, которая может потребоваться человеку, работающему с мейнфреймом или же мини-ЭВМ.
Так же он сформулировал основные принципы архитектуры компьютера:
- Двоичности.
Для представления данных и команд используется двоичная система счисления. - Программного управления.
Процессор выполняет команды друг за другом, в определенной последовательности. - Однородности памяти.
Как программы (команды), так и данные хранятся в одной и той же памяти. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. - Адресуемости памяти.
Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. - Последовательного программного управления.
Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой. - Условного перехода.
Kоманды из программы не всегда выполняются одна за другой. Возможно присутствие в программе команд условного перехода, которые изменяют последовательность выполнения команд в зависимости от значений данных. [1]
В конце 1930 года в Гарвардском университете была разработана модель ЭВМ, которая получила название «гарвардской архитектуры». Её создатель Говард Эйкен поставил цель увеличить скорость выполнения вычислительных операций и оптимизировать работу памяти. Её особенностью является раздельное хранение и обработка команд и данных. Т.е. используется разная память для команд и данных. Такая архитектура является менее гибкой, но более надёжной. Рис.2.
Архитектура современных ЭВМ не использует ни пристонскую ни гарвардскую архитектуру в чистом виде. Хотя каждая из них реально существовала. Обычно используется совокупность оптимальных принципов. Тем не менее эти разработки заложили начало современному персональному компьютеру, и многими принципами мы руководствуемся до сих пор.
Модель гарвардской архитектуры ЭВМ.
В современных ЭВМ арифметико-логическое устройство и устройство управления являются одним блоком и составляют центральный процессор. Запоминающее устройство содержит команды и данные. Данные могут включать в себя переменные – поименованные области памяти. Устройство управления считывает команды из памяти и организует их выполнение, формируя необходимые управляющие сигналы. Для выполнения арифметических и логических операций используется арифметико-логическое устройство. Устройства ввода и вывода используются для ввода информации, в том числе программы, в ЭВМ (в запоминающее устройство), а так же вывода ее из машины. Персональный компьютер (ПЭВМ) – это машина, предназначенная для работы одного человека.
2. Аппаратное обеспечение персонального компьютера.
2.1.Конфигурация персонального компьютера.
При выборе определенной конфигурации персонального компьютера необходимо учитывать цели и задачи, которые он будет решать. Основываясь на этих данных, а также принимая во внимание количество имеющихся денежных средств можно определить к какой из категорий будет принадлежать система.
Существует множество конфигураций, но среди них выделяется ряд наиболее популярных:
1) домашний/офисный персональный компьютер – надежная и очень функциональная система при относительно невысокой цене. Разрабатывается с учетом того, что на нем будет стоять программное обеспечение, необходимое для работы;
2)ExtremeSystem – одним из представителей данного класса является игровой компьютер. Другим примером является компьютер необходимый для обработки видео, где производительность является одним из ключевых факторов. В данной комплектации высокая производительность обеспечивается разумной ценой;
3)Mainstream PC–представляет самый быстрый, расширяемый, тихий и надежный класс. Как правило, цена комплектации не имеет значения. Хорошо подходит в ситуациях, когда производятся частые замены или расширения компонентов системы;
4)мультимедийный – может включать DVD, Blue-rayдисководы, подходит для обработки и конвертации видеоданных. Может служить в роли домашнего кинотеатра. Вышеназванные возможности обеспечиваются за счет относительно высокой цены;
5)домашний сервер – идеальное решение для центра хранения, обмена и защиты данных в домашней сети. В данной системе ключевыми являются размер дискового пространства и такие обязательные функции как резервное копирование.
2.2. Комплектующие персонального компьютера.
В задачи корпуса входит:
–защита внутренних компонентов компьютера от внешнего воздействия и механических повреждений;
–поддержание необходимого температурного режима;
–экранирование создаваемого внутренними компонентами электромагнитного излучения.
Корпус характеризуется: типом (форм-фактор, размер), материалом, системой охлаждения (кулеры/вентиляторы), конструктивными элементами, креплением, внешним видом, дизайном. Корпус часто подбирают под определенную материнскую плату.
1.2.2.Системная плата.
Системная плата (Приложение 1) соединяет все узлы компьютера в одно устройство. Иначе называют «материнской платой» (Mother Board). Взаимодействие между частями аппаратного обеспечения осуществляется посредством шин, которые обеспечивают передачу адресов, данных и сигналов управления. При подаче питания чипсет вырабатывает определенную последовательность команд, которая активизирует центральный процессор. ЦП, в свою очередь, по программе BIOS(Basic Input Output System–базовая система ввода-вывода) тестирует и активизирует остальные устройства, установленные и подключенные к системной плате.
К основным характеристикам системной платы относят:
1)сокет – разъем на материнской плате для установки процессора. Каждый тип процессора совместим с определенным сокетом;
2)чипсет – связующее звено между устройствами, подключенными к системной плате. Чипсет определяет основные характеристики системной платы;
3)тип оперативной памяти–поколение оперативной памяти, поддерживаемой материнской платой (DDR-DDR4);
4)форм-фактор(ATX, mATXи т.д.);
5)Количество слотов памяти, разъемов расширения и т.д. (разъемы USB, PCIExpress, устаревшие COMи LPT, HDMIи т.д.).
2.2.3.Центральный процессор.
Процессор – мозг системного блока, выполняет математические и логические операции. От его скорости, частоты во многом зависит быстродействие компьютера и вся его архитектура. Компьютер содержит в себе несколько процессоров. Свои персональные процессоры имеют некоторые его модули: звуковая плата, видеокарта, различные внешние устройства. Но эти процессоры выполняют задачи, связанные непосредственно со своим устройством.
В центральном процессоре находятся:
Ядро процессора — главное устройство для вычислений. Оно и обрабатывает все, поступающие в процессор данные.
Сопроцессор — дополнительный модуль, входящий в состав процессора, который необходим для особенно сложных вычислений. Сопроцессор активно используется для работы с графическими и различными мультимедийными приложениями.
Кэш-память —это буферная память — специальный накопитель данных.
Основными параметрами процессоров являются количество ядер, рабочее напряжение, разрядность. рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты, размер кэш-памяти.
Многоядерный процессор — это процессор, состоящий из нескольких независимых составляющих —ядер. Каждое ядро, по сути тот же процессор, но находящийся внутри одного целого, и работающий во взаимодействии с остальными. В настоящее время распространены двуядерные процессоры типа: Core2 Two Duo, 4-х ядерные, типа: Core TwoQuad. Модернизация процессоров растет с каждым годом.
Характеризуются: рабочим напряжением, разрядностью (32-битные, 64 битные) -показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт), рабочей тактовой частотой. [3]
На сегодняшний момент лучшими считаются следующие модели: ASRock B450 Pro4; GIGABYTE GA-AB350M-DS3H V2; MSI B450 GAMING PLUS MAX;. ASUS ROG STRIX Z390-F GAMING;
2.2.4. Оперативная память.
Оперативная память – память для временного хранения данных в компьютере, используется только, когда компьютер работает. От объема и скорости оперативной памяти зависит быстродействие компьютера. Оперативная память – это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные.
- DDR2 —Она позволяет за один такт передавать 4 бита информации (два набора данных) из ячеек микросхем памяти в буферы ввода-вывода. Печатная плата с 240-ка контактами (по 120 с каждой стороны). Ее напряжение питания — 1,8 В.
- DDR3 — следующее поколение, способное за один такт делать выборку 8-ми бит данных, 240 контактов и питающее напряжение в 1,5 Вольта. При этом энергопотребление памяти DDR3 на 40% меньше, чем у DDR2, что достаточно важно при ее использовании с мобильных устройствах (ноутбуках). Снижение энергопотребления достигается за счет перехода на более «тонкий» техпроцесс (90-65-50-40 нанометров).
- DDR4 — появилась на рынке в 2014-ом году. Эволюция DDR3 (пониженное напряжение (1.2V), чуть больше контактов — 288, чуть выше модуль, скорость передачи удвоена за счет двойного количества самих чипов памяти). Скорость передачи данных до 3.2 Гигабита в секунду. Максимальная частота работы памяти данного типа — 4 266 МГц
Жесткий диск компьютера (он же — HDD (Hard Disk Drive), он же — винчестер, он же — магнитный накопитель, он же — «винт» и — «хард»). Энергонезависимое хранилище наших коллекций фильмов и других файлов 🙂 «Энергонезависимый» в данном случае означает то, что вся сохраненная информация после выключения питания компьютера остается на жестком диске. Характеризуются объемом ( Первое на что обычно смотрят при выборе HDD. Данный показатель может достигать 10 Тб, хотя для домашнего ПК чаще выбирают 500 Гб — 1 Тб; ) и скоростью вращения шпинделя ( Наиболее распространены 4200, 5400, 7200 и 10000 об/мин. ).
Совсем недавно появился новый тип жесткого диска SSD .( Solid-State Drive) — твердотельный накопитель. Особенность его заключается в том, что он не содержит подвижных механических частей: внутри находятся лишь платы и микросхемы, с помощью которых и происходят запись, хранение и чтение информации. Его объемы, по сравнению с традиционными жесткими дисками весьма скромны, но это с лихвой компенсируется Операционная система загружается за считанные секунды, скорость операций увеличивается в разы. А данные можно хранить в облачном хранилище.
2.2.6. Видеокарта (видеоада́птер).
Видеокарта (видеоада́птер) – устройство, непосредственно формирующее изображение на мониторе. Видеокарта -плата внутри системного блока, предназначенная для связи системного блока и монитора, передает изображение на монитор и берет часть вычислений на себя по подготовке изображения для монитора.
На сегодняшний день есть две лидирующие компании по производству графических процессоров – NVidia и AMD (Ati). Они передают свои процессоры другим компаниям, которые в свою очередь производят саму видеокарту. Ниже вы увидите таблицу, в которой показаны, какие компании производят видеокарты на основе графических процессоров NVidia и AMD.
Характеризуется: Частоты графического процессора и видеопамяти (МГц), Разрядность шины видеопамяти (bit), объемом видеопамяти (для игровых от 1Гб).
Для офисных компьютеров видеокарта интегрирована в материнскую плату и память для работы выбирает из оперативной памяти.
3.Программное обеспечение персонального компьютера.
Компьютеры и информационные системы становятся все более дружественными и понятными даже для человека, не являющегося специалистом в области информатики и вычислительной техники. Это стало возможным прежде всего потому, что пользователи и их программы взаимодействуют с вычислительной техникой посредством системного программного обеспечения, основным компонентом которого является операционная система. Операционная система – это комплекс взаимосвязанных системных программ, предназначенных для управления аппаратными устройствами компьютера, для управления выполнением других программ и организации взаимодействия пользователя с компьютером.
Основными функциями операционной системы (ОС) являются:
–обеспечение загрузки пользовательских программ в оперативную память и их исполнение;
–обеспечение распределения ресурсов оперативной памяти между процессами, заниматься организацией виртуальной памяти;
–обеспечение работы с устройствами внешней памяти;
–предоставление доступа к различным стандартным периферийным устройствам;
–обеспечение диалога с пользователем;
–обеспечение сетевых процессов, поддержка сетевых протоколов.
Без операционной системы мы не сможем работать на компьютере. На сегодняшний момент в мире используются три операционные системы.
Windows
Разработчиком системы, является компания Microsoft. Система отличается дружественным интерфейсом. Главная её особенность – многозадачность. В России является одной из самых распространенных систем, в основном из-за своей универсальности но является очень уязвимой. Под Windows пишется основное количество программных продуктов. Она используется в органах власти для порталов госзакупок и государственных услуг, не смотря на споры об импортозамещении.
В 2018 году компания Microsoft заявила, что больше не будет выпускать обновления для операционных систем ниже 10 версии, возможно нарушение защиты компьютера от несанкционированного действия, поэтому выпущены рекомендации по переходу на систему Windows 10.
Linux
Операционная система названа в честь Линуса Торвальдса, который в 1991 разработал её первую версию.
Главной особенностью ОС, является открытый исходный код, благодаря которому, любой пользователь может преобразовывать систему или улучшать её качества.
Еще одним немаловажным преимуществом является то, что linux- бесплатная система. Некоторые организации очень хорошо экономят на этом, ведь поставить программное обеспечение на несколько десятков ПК стоит не дешево.
Mac OS
Создателем ОС является знаменитая компания Apple. Качественная и надежная система.
Самая свежая версия-это Mac OS X, которая вышла в 2014 году. Система имеет приятную фирменную оболочку, чем-то напоминающую linux, однако выглядит поинтересней.
Обновлены некоторые функции, в том числе файловая система, которая теперь должна работать быстрее чем в предыдущих версиях ОС. Программа Siri теперь самостоятельно помогает вам выбирать музыку. (Для тех, кто не знает, Siri это голосовой помощник). Изменения так же коснулись стандартного браузера safari, который с каждым обновлением становился все лучше и лучше.
Он способен само обучаться и запоминать ваши поисковые запросы, что позволяет выдавать наиболее точные результаты.
Считается, что операционная система Mac удобней, чем. Но по проценту на рынке ОС, уступает компании Microsoft почти в 10 раз. Связано это с высокой стоимостью продукции Apple, которую позволить себе может далеко не каждый.
Самой популярной версий операционных систем на сегодняшний день является Windows, в большей степени из-за своей цены. Устройства, работающие на платформе Mac OS стоят намного дороже, но обладают высоким качеством продукции и рядом уникальных технических возможностей, недоступных для пользователей Windows. А операционная система linux, больше похожа на первоначальные версии двух вышеперечисленных моделей и поэтому во многом уступает им. Но если компьютер нужен вам, исключительно для офисных работ, то можно сэкономить немного денег. Купить ПК без операционной системы и установить на него ОС linux. [7]
4.1. Классификация мониторов.
- ЭЛМ. Самые первые мониторы, появившиеся на рынке, которые громко заявили о себе в начале 80-х. Изначально они были очень объемными, а качество и точность изображения оставляла желать лучшего. Но технологии развиваются и сейчас эти мониторы выпускаются в модернизированном виде.
- Жидкокристаллические – это самые популярные виды среди мониторов на сегодняшний день среди пользователей. Они имеют ряд преимуществ: компактность, отсутствие мерцания (бликов), высокое качество изображения, яркость палитры цветов, отсутствие электромагнитного излучения.
- Мониторы с плазменной панелью. Самые дорогие из всех перечисленных, но при этом наиболее безопасные для зрения, благодаря полному отсутствию мерцания. Подойдут для профессионалов, проводящих много времени у компьютера, например, геймеров. [2]
По типу видеоадаптера: HGC, CGA, EGA, VGA, SVGA
По типу интерфейсного кабеля: композитный, раздельный, D-Sub, DVI, USB, HDMI, DisplayPort, S-Video
По типу устройства использования: в телевизорах, в компьютерах, в телефонах, в калькуляторах, в инфокиосках, в навигаторах. [3]
4.2. Устройство дисплеев. Излучение.
Современные жидкокристаллические мониторы в значительной степени отличаются от своих «предшественников» – ЭЛТ мониторов (мониторов с электронно-лучевыми трубками), которые сейчас уже нигде не продаются. Вообще, мониторы с электронно-лучевой трубкой стали активно исчезать с прилавков магазинов электроники уже начиная года так с 2007.
