Устройства персонального компьютера

Логическую организацию и структуру аппаратных и программных ресурсов вычислительной системы называют архитектурой компьютера. Архитектура заключает в себе требования к функциональности и принципы организации основных узлов ЭВМ.

Среди архитектур персональных компьютеров выделяют:

- по разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-разрядные (ряд ЭВМ имеет и иные разрядности);

- по особенностям набора регистров, формата команд и данных: CISC, RISC, VLIW;

- по количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные.

М. Флинн предложил классифицировать архитектуру ЭВМ согласно числу потоков команд и данных:

- вычислительная система с одним потоком команд и данных (однопроцессорная ЭВМ – SISD, Single Instruction stream over a Single Data stream);

- вычислительная система с общим потоком команд (SIMD, Single Instruction, Multiple Data – одиночный поток команд и множественный поток данных);

- вычислительная система со множественным потоком команд и одиночным потоком данных (MISD, Multiple Instruction Single Data – конвейерная ЭВМ);

- вычислительная система со множественным потоком команд и данных (MIMD, Multiple Instruction Multiple Data).

Большинство современных компьютеров основано на общих логических принципах, сформулированных ещё в 1945 г. американским математиком Джоном фон Нейманом(1903–1957), который предложил архитектуру вычислительной системы с одним процессором. Основными принципами построения компьютеров фон-неймановской архитектуры являются:

– принцип программного управления (программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности),

– принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти),

– принцип адресности (структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка);

– принцип хранимой программы.

Джон фон Нейман сформулировал следующие положения.

1. Компьютер состоит из нескольких основных устройств (арифметико-логическое устройство, управляющее устройство, память, внешняя память, устройства ввода и вывода).

2. Арифметико-логическое устройство выполняет логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации, хранящейся в памяти.

3. Управляющее устройство обеспечивает управление и контроль всех устройств компьютера (управляющие сигналы указаны пунктирными стрелками).

4. Данные, которые хранятся в запоминающем устройстве, представлены в двоичной форме.

5. Программа, которая задаёт работу компьютера, и данные хранятся в одном и том же запоминающем устройстве.

6. Для ввода и вывода информации используются устройства ввода и вывода.

Принципы построения не-фон-неймановских компьютеров несколько отличаются. Например, в гарвардской архитектуре память программ и данных разделена, что позволяет распараллелить выборку данных из памяти.

Открытая архитектура ЭВМ была разработана фирмой IBM для ПК. Основные признаки открытой архитектуры:

- наличие общей информационной шины, к которой возможно подключение различных дополнительных устройств через разъемы-расширения;

- модульное построение компьютера;

- совместимость всех новых устройств и программных средств с предыдущими версиями по принципу «сверху-вниз», то есть последующие разработки должны поддерживать более ранние.

К базовой конфигурации персонального компьютера относятся системный блок, монитор, клавиатура и мышь.

По виду вычислительного процесса средства вычислительной техники подразделяют на цифровые, аналоговые и комбинированные (гибридные).

Процессор

Рис. 2. Микропроцессор: слева – вид сверху, справа – вид снизу.

Самым главным элементом в компьютере, его «мозгом», является микропроцессор – электронная схема, выполняющая все вычисления и обработку информации (рис. 2). Скорость его работы во многом определяет быстродействие компьютера.

На первый взгляд процессор – просто выращенный по специальной технологии кристалл кремния. Однако камешек этот содержит в себе множество отдельных элементов – транзисторов, которые в совокупности и наделяют компьютер способностью «думать».

Основные функции любого процессора следующие:

– выборка (чтение) выполняемых команд;

– ввод (чтение) данных из памяти или устройства ввода/вывода;

– вывод (запись) данных в память или в устройства ввода/вывода;

– обработка данных (операндов), в том числе арифметические операции над ними;

– адресация памяти, то есть задание адреса памяти, с которым будет производиться обмен;

– обработка прерываний и режима прямого доступа.

Для увеличения скорости выполнения математических операций (операций с плавающей запятой) в ПК используется специальное устройство – математический сопроцессор, работающий во взаимодействии с центральным процессором.

В настоящее время в компьютерах используются процессоры, разработанные фирмами Intel, AMD и IBM. Основными характеристиками центрального процессора являются тактовая частота, разрядность, объём встроенной кэш-памяти. Тактовая частота определяет количество операций в секунду, выполняемых процессором, и характеризует производительность процессора. Чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена процессора. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц).

Разрядность процессора – это максимальное количество бит информации, которые могут обрабатываться и передаваться процессором за один такт работы. Таким образом, разрядность центрального процессора определяется разрядностью двоичного числа, которое может быть обработано за один такт работы процессора. Например, если регистр имеет разрядность 2 байта, то разрядность процессора равна 16 (2x8 бит, где 1 байт = 8 бит). Если регистр имеет разрядность 4 байта, то разрядность процессора равна 32. Если регистр имеет разрядность 8 байтов, то разрядность процессора равна 64.

Все х86-процессоры, вплоть до Pentium 4, являлись CISC-процессорами.
CISC (англ. Complex Instruction Set Computing) – концепция проектирования процессоров, которая характеризуется следующим набором свойств:

- нефиксированное значение длины команды;

- кодирование арифметических действий в одной инструкции;

- небольшое число регистров, каждый из которых выполняет строго определенную функцию.

Принцип «более компактные и простые инструкции выполняются быстрее» соответствует RISC-архитектуре процессоров. RISC (англ. Reduced Instruction Set Computer) – компьютер с сокращённым набором команд. Простая архитектура позволяет удешевить процессор, поднять тактовую частоту, а также распараллелить исполнение команд между несколькими блоками исполнения. Первые RISC-процессоры были разработаны в начале 1980-х годов в Стэнфордском и Калифорнийском университетах США. Они выполняли небольшой (50–100) набор команд.

Важной составной частью архитектуры ЭВМ является система команд. Несмотря на большое число разновидностей ЭВМ, на самом низком («машинном») уровне они имеют много общего. Система команд любой ЭВМ обязательно содержит следующие группы команд обработки информации.

1. Команды передачи данных, копирующие информацию из одного места в другое.

2. Арифметические операции. К основным арифметическим действиям обычно относятся сложение и вычитание (вычитание в конечном счете чаще всего тем или иным способом также сводится к сложению). Умножение и деление во многих ЭВМ выполняются по специальным программам.

3. Логические операции, позволяющие компьютеру анализировать обрабатываемую информацию: сравнение, а также известные логические операции И, ИЛИ, НЕ (инверсия). Кроме того, к ним часто добавляются анализ отдельных битов кода, их сброс и установка.

4. Сдвиги двоичного кода влево и вправо. Для доказательства важности этой группы команд достаточно вспомнить правило умножения столбиком: каждое последующее произведение записывается в такой схеме со сдвигом на одну цифру влево. В некоторых частных случаях умножение и деление вообще может быть заменено сдвигом (вспомните, что, дописав или убрав ноль справа, то есть, фактически осуществляя сдвиг десятичного числа, можно увеличить или уменьшить его в 10 раз).

5. Команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами.

6. Команды управления, реализующие нелинейные алгоритмы.

Системой команд может обладать только «исполнитель», то есть устройство, способное выполнять команды. В компьютере это процессор и контроллеры дополнительных устройств.

Видеокарта

Рис. 3. Видеоадаптер.

Видеоадаптер (видеоконтроллер, видеокарта) предназначен для работы в графическом режиме. Главной задачей современной видеокарты является поддержка объёмной, трёхмерной графики (3D). Никогда не помешает и дополнительная возможность видеокарт – TV тюнер – приём телевизионного сигнала. Видеокарты можно в основном разделить на два типа: это встроенные (интегрированные) видеоадаптеры и собственно сами видеокарты.

Возможностей интегрированного видеоадаптера вполне достаточно для работы с офисными приложениями, но современные трехмерные игры будут работать не очень хорошо. Соответственно, его функциональность определяет область применения – это ПК, ориентированные на работу с текстом, Интернетом, двухмерной графикой и прочими нетребовательными к мощности видеоадаптера приложениями. Для мультимедийного и игрового применения или для профессиональной работы с графикой лучше приобрести компьютер с отдельной видеокартой. Два основных преимущества интегрированного видеоадаптера: при прочих равных характеристиках компьютер будет стоить дешевле и возможно создание ПК в компактных корпусах.

Видеокарта (видеоадаптер) – устройство, обеспечивающее вывод изображения на монитор. Как правило, обладает лучшим качеством изображения по сравнению с интегрированным видеоадаптером, особенно в высоких разрешениях. Обычно видеокарта является также ускорителем трехмерной графики, что превращает компьютер в игровую станцию. Может иметь выход на ТВ и цифровой выход DVI.

Основным показателем производительности видеокарт является объём видеопамяти – оперативная память, в которой хранятся видеоданные. Для интегрированных видеоадаптеров она выделяется из основной оперативной памяти компьютера в размере до 128 МБ, на видеокартах устанавливается собственная, в объёме 64-512 МБ. Большой объём видеопамяти необходим только в трехмерных играх, при монтаже цифрового видео и работе с профессиональными 3D-приложениями. Как правило, для большинства современных приложений и игр достаточно 128-256 МБ.

Звуковая карта

Звуковая карта – устройство, необходимое для редактирования и вывода звука, посредством звуковых колонок. Существуют 8-, 16- и 20-разрядные (битные) карты. Для домашнего компьютера хватает 16-битной звуковой карты, поскольку 20-битные – профессиональные карты для программистов, занимающихся музыкой на компьютере, да и стоит такая карта намного дороже других.

Важнейшим параметром кодирования звука является частота дискретизации звука, то есть количество преобразований аналогового звука в цифровую форму, выполняемых за одну секунду. При квантовании звука определяется номер подуровня квантования, в который попадает дискретное значение звукового давления. Количество бит, используемых для записи номеров подуровней, называется глубиной кодирования звука.

Чем больше частота дискретизации и глубина кодирования, тем выше качество звука и тем больше при воспроизведении он будет похож на оригинал.

Для синтеза звука используются два основных метода: метод частотной модуляции (FM – Frequency Modulation) и метод волновых таблиц (WT – Wave Table). Второй метод обеспечивает более высокое качество звука.

Память

Устройство хранения информации – это память. Память компьютера можно разделить на две основные группы – это внутренняя и внешняя память. К внутренней памяти относится:

· оперативная память (ОЗУ);

· кэш-память;

· постоянно запоминающие устройство (ПЗУ).

К внешним запоминающим устройствам относят все виды запоминающих устройств, которые располагаются вне системной платы персонального компьютера, например, винчестеры, накопители на гибких магнитных дисках, накопители на CD, Flash USB Drive, накопители на магнитной ленте (стриммеры). Эти устройства энергонезависимы и предназначены для долговременного хранения данных.

Энергозависимой обычно является внутренняя память, а внешняя соответственно энергонезависимой, т.е. данные могут храниться во внутренней памяти только при наличии питания. Из-за различных способов использования этих видов памяти и происходит такое разделение. Внешняя память предназначена для хранения данных и программ, внутренняя же используется при обработке информации компьютером (рис. 4).

Рис. 4. Структура обработки и сохранения информации на компьютере.

Магнитный барабан – ранняя разновидность компьютерной памяти, широко использовавшаяся в 1950-1960-х годах.

Самая быстродействующая – это электронная оперативная память. В современных компьютерах она составляет оперативную, а также сверхоперативную (кэш) память. Её быстродействие обусловлено отсутствием медленных механических элементов в её устройстве, как это имеет место в памяти на магнитных дисках и лентах, компакт-дисках.

Оперативная память (RAM, ОЗУ) обеспечивает работу с программным обеспечением. Из ОЗУ процессор и сопроцессор берут программы и исходные данные для обработки. Чтобы процессор мог выполнить программу, она должна быть загружена в оперативную память компьютера. Программы загружаются в оперативную память из внешних запоминающих устройств (например, с жёсткого диска), туда же (в оперативную память) заносятся все данные, которые необходимы компьютеру для работы. Во время выполнения прикладная программа хранится в оперативной памяти.

Характеристика оперативной памяти – объём, измеряемый в Мбайтах (МБ). Оперативная память выпускается в виде микросхем, собранных в специальные модули: DIMM DDR и DDR2 или новейшие модули DDR3 и DDR4. Среди видов внутренней памяти наибольшим объёмом обладает оперативная память – каждый модуль может вмещать от 1 МБ до 8 ГБ (рис. 5).

Рис. 5. Модуль оперативной памяти

Динамическая память служит базой для построения модулей оперативной памяти. Организуется из набора полупроводниковых конденсаторов, хранящих уровни напряжения. Благодаря маленькой площади, занимаемой элементом памяти на кристалле, обеспечивается большая информационная емкость микросхем памяти.

Регенерация, т.е. периодическое восстановление состояния ячеек памяти, является атрибутом динамической оперативной памяти. Ячейки данного вида памяти строятся на микроскопических конденсаторах, которые из-за утечек постепенно разряжаются. Чтобы сохранить значение данных, необходима периодическая (десятки раз в секунду) подзарядка конденсаторов, что и происходит при регенерации памяти.

Статическая память служит базой для построения кэш-памяти и микропроцессорной памяти. Запоминающим элементом статической памяти является триггер (элемент с двумя устойчивыми состояниями), переключаемый за существенно меньшее время по сравнению со временем (заряд/разряд) элемента динамической памяти.

Кэш используется для ускорения доступа к оперативной памяти, на быстродействующих компьютерах применяется специальная сверхбыстродействующая кэш-память, которая располагается как бы между процессором и оперативной памятью и хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. При обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные уже содержатся в кэш-памяти и среднее время доступа к памяти уменьшается.

Внутренней памятью процессора является регистровая память (РП). Иногда её называют сверхоперативной памятью.

Все эти виды памяти являются энергозависимыми, т.е. очищаются при отключении питания.

Постоянная память. Другие названия: ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), ROM (Read Only Memory – память только для чтения). Медленная память необходима для запуска компьютера при включении. Энергонезависима.

Программы начального тестирования, загрузки и базовой системы ввода-вывода персонального компьютера хранятся в микросхеме ПЗУ, расположенной на системной плате. Это необходимо для того, чтобы компьютер мог начать функционировать после включения питания независимо от наличия и состава дополнительных видов памяти, таких как винчестер, CD-ROM и т.д.

BIOS (Basic Input Output System – базовая система ввода-вывода) – группа небольших программ в ПЗУ.

BIOS отвечает за самые главные, базовые функции интерфейса и настройки оборудования. Главная функция BIOS материнской платы – инициализация устройств, подключенных к материнской плате, сразу после включения питания компьютера. С помощью BIOS при включении компьютера выполняется также самотестирование основных систем. Наиболее широко среди пользователей компьютеров известна BIOS материнской платы, но BIOS присутствуют почти у всех компонентов компьютера: у видеоадаптеров, сетевых адаптеров, модемов, дисковых контроллеров, принтеров. По своей сути BIOS является посредником между аппаратным и программным обеспечением компьютера.

Электронная микросхема EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) – стираемое перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ). Память такого типа может стираться и заполняться данными несколько десятков тысяч раз. Используется в твердотельных накопителях.

Высокоскоростная память, которая принадлежит какому-либо функциональному блоку компьютера и служит для снижения нагрузки на основную память, называется буферной памятью. Примерами такой памяти являются видеопамять графического адаптера, память контроллеров жёстких дисков.

Внешняя память

Длительное хранение информации пользователя обеспечивает ВЗУ (внешнее запоминающее устройство). К внешней памяти относятся: накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД), накопители на гибких магнитных дисках (НГМД), накопители на магнитооптических компакт дисках, накопители на оптических дисках, накопители на магнитной ленте и др.

Принцип изменения магнитной индукции носителя используется в накопителях типа «винчестер» (HDD).Винчестеры предназначены для постоянного хранения информации, используемой при работе с компьютером: программ операционной системы, часто используемых пакетов программ, редакторов документов и т.д. (рис. 6).

Рис. 6. Жёсткий диск.

Основными параметрами винчестера (жёсткого диска) являются: ёмкость диска, количество поверхностей, скорость вращения шпинделя, объём встроенной кэш-памяти, интерфейс.

Ёмкость диска.Для пользователя накопители на жёстком диске отличаются друг от друга прежде всего своей ёмкостью, т.е. тем, сколько информации помещается на диске. Сейчас компьютеры в основном оснащаются винчестерами от 80 Гбайт и более.

Информация на магнитных дисках записывается по концентрическим дорожкам и секторам, которые формируются на диске в результате операции форматирования.

Первые универсальные ЭВМ и даже первые персональные компьютеры функционировали без винчестера. В современных управляющих компьютерах программы могут быть «зашиты» сразу в схемы и такие компьютеры функционируют без винчестеров.

В USB флеш-накопителях (флеш-картах) используется электронная энергонезависимая перезаписываемая память. Флэш-память строится на полупроводниковых элементах. Наибольшей плотностью и быстродействием обладает её разновидность на основе ячеек с И-НЕ элементами (NAND).

Стриммер (от англ. streamer), также ленточный накопитель – запоминающее устройство на принципе магнитной записи на ленточном носителе, с последовательным доступом к данным (рис. 7); по принципу действия аналогичен бытовому магнитофону.

Рис. 7. Стример и картридж к нему.

Устройство для чтения компакт-дисков предназначено для чтения записей на компакт-дисках. Достоинства устройства – большая ёмкость дисков, быстрый доступ, надежность, универсальность, низкая стоимость. Основное понятие, характеризующее работу данного устройства, – скорость. Главный недостаток – невозможность записи информации. Для этого необходимы другие устройства.

Оптический диск с нестираемой информацией, предназначенный только для многократного чтения пользователем, – это CD-ROM (Compact Disk – Read Only Memory). Диск CD-ROM обычно используется для того, чтобы хранить коммерческие программы и данные. Нельзя добавлять или стирать данные на диске CD-ROM.

На оптические диски DVD-R и CD-R пользователь может записывать файлы более одного раза (каждая запись называется сеансом), но нельзя стирать файлы с диска. Каждая запись является постоянной. Запись на эти диски осуществляется благодаря наличию на них особого светочувствительного слоя, выгорающего под воздействием высокотемпературного лазерного луча.

На диск CD-RW можно записывать файлы многократно. Можно также удалять ненужные файлы с диска, чтобы освободить пространство и записать дополнительные файлы. Диск CD-RW можно многократно записывать и стирать.

Рис. 8. Оптический диск (CD или DVD).

Один из основных параметров любого типа памяти компьютера – время доступа к памяти, которое определяется как минимальное время, достаточное для размещения в памяти единицы информации. Быстродействие накопителя информации – скорость чтения – записи данных в накопителе. Оно характеризуется двумя параметрами: средним временем доступа и скоростью передачи данных.

Прямой доступ к памяти (англ. Direct Memory Access, DMA) – режим обмена данными между устройствами или же между устройством и основной памятью (RAM) без участия центрального процессора (ЦП).