Архитектура современного персонального компьютера
Несмотря на то что современные модели компьютеров представлены на рынке широким спектром брендов, собраны они в рамках небольшого количества архитектур. С чем это связано? Какова специфика архитектуры современных ПК? Какие программные и аппаратные компоненты ее формируют?
Что такое архитектура ПК? Под этим довольно широким термином принято понимать совокупность логических принципов сборки компьютерной системы, а также отличительные особенности технологических решений, внедряемых в нее. Архитектура ПК может быть инструментом стандартизации. То есть компьютеры в рамках нее могут собираться согласно установленным схемам и технологическим подходам. Объединение тех или иных концепций в единую архитектуру облегчает продвижение модели ПК на рынке, позволяет создавать программы, разработанные разными брендами, но гарантированно подходящие для нее. Единая архитектура ПК также позволяет производителям компьютерной техники активно взаимодействовать на предмет совершенствования тех или иных технологических компонентов ПК.
Под рассматриваемым термином может пониматься совокупность подходов к сборке компьютеров или отдельных его компонентов, принятых на уровне конкретного бренда. В этом смысле архитектура, которая разработана производителем, является его интеллектуальной собственностью и используется только им, может выступать конкурентным инструментом на рынке. Но даже в таком случае решения от разных брендов иногда могут быть классифицированы в рамках общей концепции, объединяющей в себе ключевые критерии, которые характеризуют компьютеры различных моделей.
Термин «архитектура ПК» информатика как отрасль знаний может понимать по-разному. Первый вариант трактовки предполагает интерпретацию рассматриваемого понятия как стандартизирующего критерия. В соответствии с другой интерпретацией архитектура — это, скорее, категория, позволяющая одному бренду-производителю стать конкурентным в отношении других.
Интереснейший аспект — то, как соотносятся история и архитектура ПК. В частности, это появление классической логической схемы конструирования компьютеров. Рассмотрим ее особенности.
Первый компьютер в мире – какой он?
В 40-х годах прошлого столетия функционировало сразу несколько компьютеров, которые можно назвать первыми. Однако еще в 1822 году изобретатель Чарльз Бэббидж выпустил счетную машину, которую с большой натяжкой можно назвать компьютером. Уже в 1941 году компанией IBM при участии математика Говарда Эйксона была разработана и выпущена усовершенствованная машина «Марк 1» (по чертежам Чарльза Бэббиджа). Это первый в США программируемый аппарат, который применялся для разработки военного оборудования.
- Конрад Цузе – немецкий разработчик, в 1939 году создавший машину, которая имела название Z1. Это первое электромеханическое устройство, предназначенное для вычисления аэродинамических характеристик самолета.
- Алан Тьюринг – разработал знаменитую машину, способную расшифровать коды немецкого аппарата «Энигма». Англичане построили более 200 таких компьютеров, каждый весил 2,5 тонны.
- Джон Атанасов – американскому инженеру удалось изобрести первую полностью электронную установку в 1942 году. Машина была способна решать линейные уравнения, ее даже признала «первым компьютером» судебная власть США в 1973 году.
- Джон Мокли – в 1946 г. разработал мощный электронный компьютер ЭНИАК, предназначенный для расчета баллистических таблиц. Данные операции ранее выполнялись людьми вручную. Машина была способна совершать аналогичные вычисления в 2600 раз быстрее.
Именно ЭНИАК считается первым полноценным компьютером, который является полностью вычислительным устройством. Аналоги были у британцев, однако по приказу Черчилля, информация о них была засекречена, а сами машины уничтожены. Компьютер ЭНИАК был громоздким и неудобным в работе, программирование осуществлялось путем переключения кабелей.
ЭНИАК
Принцип открытой архитектуры компьютера
Принцип открытой архитектуры компьютера — это архитектурное построение, которое позволяет выполнять сборку, модернизацию и ремонтные работы компьютера по его отдельным модульным элементам.
Общие сведения
В 1975 году был спроектирован и собран первый персональный компьютер, который стал революционным событием для общественной и промышленной сферы жизни человечества. Прежде электронная вычислительная машина (ЭВМ) была доступна только большим предприятиям или крупным научно – исследовательским центрам. Маленьким организациям было не по карману приобретать стационарные ЭВМ.
Персональные электронные вычислительные машины (ПЭВМ) принадлежат к категории компьютеров личного (индивидуального) использования. То есть, они превратились в общедоступный инструментарий, который позволяет в разы повысить эффективность умственного (и не только) труда. Решая похожие задачи, разные ЭВМ, при этом, жёстко конкурировали между собой, как и производящие их компании. Разные фирмы искали различные технологические и конструкторские решения для улучшения своей продукции. И само собой, найденные решения имели гриф секретности, и мало кто был осведомлён как функционирует тот или иной компьютер, который, к тому же, представлял собой монолитный блок, не подлежащий усовершенствованию и изменению комплектации. Архитектурные особенности реализации компьютера были недоступны простым пользователям.
Принцип открытой архитектуры компьютера
Революционным событием стало решение ведущей компьютерной фирмы IBM спроектировать и собрать компьютер с указанной в его паспорте архитектурой. Это был компьютер IBM PC (на основе процессора Intel-8086), поступивший в продажу в 1981 году. Отдельно было подчёркнуто, что этот компьютер возможно подвергнуть модернизации, устанавливая разные дополнительные блоки и устройства периферии или просто меняя их на более совершенные.
Затем другие компании стали проектировать компьютеры, которые были совместимы с IBM PC, и это возвело его в ранг стандарта компьютерной техники. Существует, однако, мнение, что этот, по сути революционный, поступок погубил компанию IBM. Сегодня её часть компьютерного рынка бесконечно маленькая, но зато термин «IBM-PC-совместимый», навечно вписал имя этой компании в историю развития компьютерной техники.
Принципиальная позиция открытой архитектуры состоит в том, что компьютерные компании не делают тайны из комплектации компьютера, и она может быть легко изменена или модернизирована. Это обстоятельство позволяет менять какой-либо модуль в компьютере, не заботясь о его совместимости с данной компьютерной модификацией.
Готовые работы на аналогичную тему
Говоря иначе, если пользователь хочет улучшить параметры компьютера, то ему достаточно искать модуль (деталь) с лучшими характеристиками, не обращая внимания на то, кто является производителем (конечно, при условии, что этот модуль принадлежит к IBM-совместимым устройствам). Около 85% на рынке компьютеров принадлежит компьютерам, разработанным на базе открытости архитектуры.
Одним из примеров компьютеров, выполненных без применения открытости, могут служить компьютеры компании Apple. Они не имеют широкого распространения в Российской Федерации по причине высокой цены и несовместимости программного обеспечения. Но с другой стороны, на высоком уровне находится безопасность данных пользователей этих компьютеров, так как достаточно проблематично осуществить взлом «закрытой архитектуры».
Новый импульс открытая архитектура получила с развитием сети интернет. А конкретнее, любое оборудование, которое подключено к персональному компьютеру, может быть использовано в многопользовательском режиме. Каждый персональный компьютер имеет в интернете свой уникальный адрес и у каждого модуля ввода-вывода он тоже есть. Это означает, что комбинация адреса персонального компьютера и модуля ввода-вывода позволяет открыть доступ ко всем открытым для общественного пользования устройствам.
В целях безопасности личных данных, пользователям необходимо помнить об этих свойствах открытой архитектуры компьютера и тщательно отстраивать доступ к периферийным устройствам. К примеру, все жёсткие диски или какие-либо каталоги на них могут стать доступными через внешние сети при помощи закладки «Доступ» в разделе «Свойства». Таким же образом может быть открыт доступ и к другому различному оборудованию (принтеру, сканеру и тому подобное). Естественно, глупо предполагать, что кому-то потребуется распечатать что-то на удалённом принтере без возможности забрать распечатки, но вот данные с жёсткого диска вполне вероятный объект кражи. Там может быть чья-то личная информация, пароли доступа и тому подобное, что не обязательно должно быть доступно широкому кругу людей. Возможен также вариант случайного доступа, когда, к примеру, системный программист, обслуживая компьютер, открыл для себя доступ к памяти компьютера, а затем позабыл выключить его по завершению всех процедур по обслуживанию.
Комплектация компьютера
Персональный компьютер сегодняшнего дня имеет в своём составе системный блок, монитор, клавиатуру и «мышку». Эти четыре компонента являются так называемой базовой конфигурацией персонального компьютера.
К системному блоку возможно подключение разнообразной периферии при помощи разнообразных разъёмных соединений. В системном блоке расположена системная, иначе материнская, плата, которая является наиболее объёмной электронной схемой. Она синхронизирует функционирование всех других компонентов компьютера, формируя их в единый комплекс. На материнской плате расположены все другие компьютерные модули, которые соединяются с ней через различные разъёмы. Оперативная память предназначена для сохранения временной информации и построена как внутренняя энергозависимая структура. В реальности это одна или набор маленьких плат, которые вставляются в предназначенные для них разъёмы на материнской плате.
Современные тенденции развития архитектуры персонального компьютера
В современных персональных компьютерах архитектура характеризуется наличием контроллеров. Их появление – это итог пересмотра классической концепции. Теперь микропроцессор берет на себя функцию обмена данными с внешними устройствами. Производители смогли отделить микропроцессор от многофункционального компонента при помощи обнаруженных особенностей интегральных схем. Так возникли разные каналы обмена, в том числе и периферийные микросхемы, позднее их стали называть контроллерами. Сегодня подобные аппаратные компоненты в компьютерах научились управлять практически любым оборудованием.
Новейшие архитектуры ПК преимущественно используют шины. Эти каналы связи обеспечивают взаимодействие всех аппаратных элементов и обычно выглядят как электрическое соединение с проводниками. В ее структуру могут включаться специализированные модули, которые отвечают за различные функции.
Графически архитектура современного компьютера выглядит так:
Как выглядели первые компьютеры?
«МАРК 1» был в длину 17 метров, высотой более 2 метров. Машина имела стальной каркас, вес компьютера составлял 4,5 тонны. Общая протяженность проводов превышала 750 км. ЭНИАК весил свыше 27 тонн, потреблял в среднем 170 кВт электроэнергии.
МАРК-1
Первый настольный ПК выглядел менее устрашающе и спокойно помещался на рабочем столе. Programma 101 был разработан итальянцем Пьером Джорджио Перотто, использовался для расчетов посадки Apollo 11 на Луну.
Programma-101
Второе поколение — ЭВМ на транзисторах.
Транзисторы пришли на смену электронным лампам в начале 60-х годов. Транзисторы (которые действуют как электрические переключатели), потребляя меньше электроэнергии и выделяя меньше тепла, занимают и меньше места. Объединение нескольких транзисторных схем на одной плате дает интегральную схему (chip — «щепка», «стружка» буквально, пластинка ). Транзисторы это счетчики двоичных чисел. Эти детали фиксируют два состояния — наличие тока и отсутствие тока, и тем самым обрабатывают информацию, представленную им именно в таком двоичном виде.
В 1953 г.. Уильям Шокли изобрел транзистор с p — n переходом ( junction transistor ). Транзистор заменяет электронную лампу и при этом работает с большей скоростью, выделяет очень мало тепла и почти не потребляет электроэнергию. Одновременно с процессом замены электронных ламп транзисторами совершенствовались методы хранения информации: как устройства памяти стали применяться магнитные сердечники и магнитные барабаны, а уже в 60-е годы получило распространение хранение информации на дисках.
Один из первых компьютеров на транзисторах — Atlas Guidance Computer — был запущен в 1957 г. и использовался при управлении запуском ракеты Atlas.
Созданный в 1957 г.. RAMAC был недорогим компьютером с модульной внешней памятью на дисках, комбинированным оперативным запоминающим устройством на магнитных сердечниках и барабанах. И хотя этот компьютер еще не был полностью транзисторным, он отличался высокой работоспособностью и простотой обслуживания и пользовался большим спросом на рынке средств автоматизации делопроизводства в офисах. Поэтому для корпоративных заказчиков срочно выпустили уже «большой» RAMAC (IBM-305), для размещения 5 Мбайт данных системе RAMAC нужно было 50 дисков диаметром 24 дюйма. Созданная на основе этой модели информационная система безотказно обрабатывала массивы запросов на 10 языках.
В 1959 году IBM создала свой первый полностью транзисторный большой универсальный компьютер модели 7090, способный выполнять 229 тыс. операций в секунду — настоящий транзисторный мэйнфрейм. В 1964 году на основе двух 7090-х мейнфреймов американская авиакомпания SABRE впервые применила автоматизированную систему продажи и бронирования авиабилетов в 65 городах мира.
В 1960 году DEC представила первый в мире миникомпьютер — модель PDP-1 (Programmed Data Processor, программируемый процессор данных), компьютер с монитором и клавиатурой, который стал одним из самых заметных явлений на рынке. Этот компьютер был способен выполнять 100 000 операций в секунду. Сама машина занимала на полу всего 1,5 м 2 . PDP-1 стал, по сути, первой в мире игровой платформой благодаря студенту MIT Стиву Расселу, который написал для него компьютерную игрушку Star War!
Представители II-го поколения ЭВМ: 1) RAMAC ; 2) PDP -1
В 1968 году Digital впервые наладила серийное производство мини-компьютеров — это был PDP-8: цена их была около $ 10000, а размером модель была холодильник. Именно эту модель PDP-8 смогли покупать лаборатории, университеты и небольшие предприятия.
Отечественные компьютеры того времени можно охарактеризовать так: по архитектурным, схемным и функциональных решений они соответствовали своему времени, но их возможности были ограничены из-за несовершенства производственной и элементной базы. Наибольшей популярностью пользовались машины серии БЭСМ. Серийное производство, достаточно незначительное, началось выпуском ЭВМ «Урал-2» (1958), БЭСМ-2, « Минск-1» и « Урал-3» (все — 1959 г.). В 1960 г. пошли в серию « М-20» и «Урал-4». Максимальной производительностью в конце 1960 располагал «М-20» (4500 ламп, 35 тыс. полупроводниковых диодов, память на 4096 ячеек) — 20 тыс. операций в секунду. Первые компьютеры на полупроводниковых элементах ( «Раздан-2», «Минск — 2», «М-220» и «Днепр» ) находились еще в стадии разработки.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.
Калькуляторы
Электронный настольный калькулятор был изобретен в 1961 году в Британии. Использовал:
- 117 мини-тиратронов;
- дисплей на газоразрядных цифровых индикаторах.
В 1963 Friden выпустил EC-130, который выполнял 4 операции. У него были следующие параметры:
- 5-дюймовая электронно-лучевая трубка;
- разрешение – 13-цифровое;
- стоимость – 2 200 долларов.
В 132 модели добавили функции обратного типа и вычисления квадратного корня. В 1965 появился LOCI-2. Это – настольный калькулятор на транзисторах с 10 цифрами. Умел производить вычисления логарифмов.
В СССР до войны спросом пользовался арифмометр «Феликс». Применялся до изобретения ЭВМ.
Квантовый прорыв
Перспективы фотоники и мозго-сетей впечатляют, однако куда большего специалисты ждут от внедрения квантового компьютера. Его концепция появилась примерно в то же самое время, когда учёные начали разбираться в законах, по которым «живёт» квантовый мир. Концепцию выдвинул в 1980 году советский математик Юрий Манин; через несколько месяцев американский физик Ричард Фейнман описал теоретическую модель, а его коллега Пол Бениофф придумал принципы построения необычной вычислительной машины.
Простейший, но далеко не простой квантовый компьютер Orion
Информационная ячейка обычного компьютера может в один момент времени находиться только в одном из двух состояний — «0» или «1» (это называется битом). В отличие от неё, ячейка квантового компьютера может находиться одновременно во всех состояниях от «0» до «1», бесконечная совокупность которых называется кубитом (q-битом, квантовым битом). Если квантовый компьютер удастся построить и снабдить соответствующей программой, то теоретически в нём можно будет запустить бесконечное количество параллельных вычислений, получая результат мгновенно. Причём сложность вычислений никак не должна влиять на быстродействие компьютера. Например, установлено, что 30-кубитный квантовый компьютер по мощности будет равен суперкомпьютеру, работающему с производительностью 10 терафлопс (10 триллионов операций в секунду). Для сравнения: мощность современных настольных компьютеров измеряется всего лишь в гигафлопсах (миллиарды операций в секунду).
Вышеописанная концепция легла в основу экспериментальных квантовых процессоров канадской компании D-Wave Systems. Начав работу в 2007 году, компания прошла путь от прототипа, содержащего 16 кубитов (модель Orion), до чипов с 2000 кубитов (модель D-Wave 2000Q). Свои прототипы квантовых процессоров представили IBM, Intel, Google, Гарвардский университет и Объединённый квантовый институт в Мэриленде. У нас аналогичные проекты ведут сотрудники Российского квантового центра, Института физики твёрдого тела и МГТУ имени Баумана.
Инженеры IBM представили свою версию квантового компьютера с чипом на 20 кубитов
«Сердцем» квантового компьютера служит маленькое алюминиевое кольцо. Если перевести его в сверхпроводящее состояние, оно превратится в квантовый объект, ток в котором потечёт как по часовой, так и против часовой стрелки, что и позволяет кубиту принимать значения от «0» до «1» в один и тот же момент времени. Для этого кольца охлаждают жидким гелием до температуры, близкой к абсолютному нулю. Затем их помещают в тонко настроенное магнитное поле. Низкая температура подавляет различные помехи, что позволяет общаться с кубитом посредством микроволн и считывать ответ. Сложность в том, что при таких условиях кубиты «живут» лишь микросекунды. Но и за этот миг они успевают просчитать сотни операций.
Типичный квантовый компьютер выглядит как огромный чёрный шкаф, что объясняется необходимостью поддерживать сверхнизкие температуры и особые магнитные поля. Но ведь когда-то и обычные компьютеры занимали целые этажи. Специалисты утверждают, что смогут миниатюризировать и удешевить квантовые компьютеры, используя фотонику, ведь фотон — тот же квант, обладающий соответствующими свойствами. Однако главная проблема не в размерах, а в извлечении информации: в какой-то момент процесс квантового вычисления нужно остановить, чтобы получить ответ в виде бита — на выходе должны быть всё те же привычные «0» или «1».
Инженеры Intel изготовили квантовый процессор на 50 кубитов
Проблему очень образно описал итальянский профессор Томмасо Каларко — крупнейший специалист по квантовым компьютерам: «Представьте себе официанта в ресторане. Если он ходит медленно, то пища наверняка будет доставлена по назначению. Но в квантовых масштабах «медленно» не годится: оно приведёт к декогеренции, то есть нарушению связей в квантовой системе, возникающей из-за влияния внешней среды. Такая «остывшая» система клиенту не подойдёт, и он попросит деньги назад. Если же идти слишком быстро, точность вычислений сильно упадёт и много посуды окажется на полу. Профессиональные официанты ходят иначе: они ускоряются, идут с небольшим наклоном и замедляются. Функционирующий по похожему принципу алгоритм разрабатывают для использования в квантовом компьютере».
В решении этой проблемы российские учёные заняли лидирующие позиции. Скажем, оптимизационный алгоритм, позволяющий повысить точность результата при использовании квантового компьютера, создал выдающийся отечественный математик Вадим Кротов. Итальянский профессор описывает его достижение так: «Вернёмся к нашему официанту. Что вы делаете, когда бьёте тарелки? Правильно, возвращаетесь назад во времени, представляя, как всё было бы, поступи вы немного иначе. Вы проецируете свои желания на то, что уже сделали. И в новой реальности вы будете аккуратнее. Так и алгоритм Кротова постоянно «возвращает» квантовую систему в прошлое и показывает, что будет при некоторой её корректировке. Ошибка при этом, конечно же, уменьшается».
Появление полноценного квантового компьютера, способного решать задачи любой сложности, не за горами. Говоря о перспективах, учёные обычно приводят следующий наглядный пример. Чтобы получить доступ к зашифрованной банковской карте, нужно разложить на два простых множителя число длиной в сотни цифр. Самому мощному суперкомпьютеру Sunway TaihuLight, проводящему квадриллионы операций в секунду, на это потребуется более 15 миллиардов лет — больше, чем возраст Вселенной! А квантовому компьютеру понадобится всего несколько часов.
Современный квантовый компьютер кажется гигантским. Как и обычные компьютеры полвека назад
С помощью квантовой вычислительной техники учёные смогут мгновенно расшифровывать геном, точно предсказывать погоду и климатические изменения, определять оптимальную аэродинамику для автомобилей, самолётов и ракет, обрабатывать колоссальные массивы данных, выявляя закономерности в кажущемся хаосе. Футурологи полагают, что именно через квантовый компьютер лежит самый прямой путь к созданию искусственного интеллекта.
Впрочем, куда интереснее другой момент. Хотя квантовый компьютер — цифровая система, в своей физической основе это аналоговый прибор, работающий на фундаментальном уровне. Проще говоря, это маленькая модель Вселенной. Изучая квантовый компьютер, наука познаёт, как «программируется» Вселенная, как в ней накапливается и преобразуется природная информация. Вполне возможно, разобравшись в этих принципах, человечество научится «программировать» пространство и время. Или даже создавать новые вселенные.
