16. Какие требования предъявляются к промышленным компьютерам. Опишите особенности их конструкции?

Промышленные компьютеры – это технические устройства, выполненные на базе стандартного ПК, непосредственно предназначенные и настроенные для выполнения сложных технических и производственных задач, и спроектированные для стабильной надежной работы в неблагоприятных условиях производственного цеха.

Промышленные компьютеры, как правило, выпускаются в комплектациях с мощным процессором, способным осуществлять контроль и управлять сложными производственными процессами, большим объемом постоянных запоминающих устройств, сверхнадежным оборудованием основной платы и большим количеством слотов расширения для коммуникации с технологическим оборудованием и другими устройствами. В силу характера своего использования промышленные компьютеры оснащаются мощными вентиляционными системами, датчиками контроля температуры и влажности, дополнительной защитой ключевых модулей от вредного воздействия окружающей среды. Еще одной особенностью промышленных компьютеров является их неприхотливость и возможность ремонта в самые короткие сроки, что важно в случае поломки компьютера, отвечающего за важный процесс в технологической цепочке предприятия.

В целом промышленные компьютеры имеют следующие особенности:

1) работа в режиме реального времени (для промышленных персональных компьютеров разработаны такие ОС реального времени, как OS-9, QNX, VRTX и др.);

2) конструкция, приспособленная для работы ЭВМ в цеховых условиях (повышенные вибрации, электромагнитные помехи, запыленность, перепады температур, иногда взрывоопасность);

3) возможность встраивания дополнительных блоков управляющей, регистрирующей, сопрягающей аппаратуры, что помимо специальных конструкторских решений обеспечивается использованием стандартных шин и увеличением числа плат расширения;

4) автоматический перезапуск компьютера в случае “зависания” программы;

5) повышенные требования к надежности функционирования. В значительной мере специализация промышленных компьютеров определяется программным обеспечением.

При конструировании промышленного компьютера учитываются в первую очередь те неблагоприятные факторы, от которых напрямую зависит скорость, качество выполняемых функций и долговечность самого компьютера.

Шум, пыль, перепады температур и атмосферного давления, работа в окружении токсических веществ – промышленный компьютер способен функционировать в столь экстремальных условиях.

Наличие в компьютере специальных амортизаторов позволяет игнорировать высокие уровни вибрации и шума. Системный блок обшит ударопрочным металлом (особый сплав титана), с прорезиненным дном для лучшей фиксации. Однако все чаще изготавливаются корпусы промышленных компьютеров, предназначенных для монтажа во врезную поверхность.

За счет вентиляторов, оснащенных сенсорным датчиком или термостатом, внутри и снаружи корпуса компьютера поддерживается определенная температура.

Плата компьютера крепко прикреплены к корпусу специальными зажимами. Но при этом, сохраняется возможность легко и быстро достать и заменить ненужную (неисправную) плату.

Положительный перепад давления в корпусе препятствует сильному запылению, а фильтры компьютера легко снимаются и прочищаются.

Компьютеры промышленного назначения имеют резервный блок питания, что позволяет избежать неполадок и утечки информации во время перебоя электроснабжения.

17. Для чего служит и из чего состоит материнская плата компьютера?

Материнская плата (motherboard англ.) или как ее еще называют – системная плата, служит для обеспечения взаимодействия между всеми компонентами персонального компьютера.

Системные платы различаются по своему назначению, своей функциональности и по размерам (формфактору). По назначению материнки бывают: для настольных ПК, для ноутбуков и для серверов (мы остановимся только на настольных компьютерах). Под функциональностью, подразумевается то, какой тип процессора и оперативной памяти можно на нее поставить, а это в свою очередь влияет и на всю остальную конфигурацию и производительность системного блока.

Устройство материнской платы. Для возможности подключения к себе других устройств, все материнки имеют одинаковые стандарты расположенных на них слотов и разъемов, а взаимодействие этих слотов и разъемов обеспечивается чипсетом.

- Чипсет – это набор взаимосвязанных микросхем (системной логики), эти микросхемы принято называть Северным и Южным мостами.

- Северный мост отвечает за взаимодействие центрального процессора (ЦПУ) и оперативной памяти.

- Южный мост обеспечивает совместную работу центрального процессора и устройств, подключенных к PCI, IDE, SATA, USB и прочим типам слотов и разъемов.

Все эти взаимодействия в системной плате осуществляются с помощью специальных магистралей называемых шинами.

- Шины – это специальные устройства для связи между компонентами материнской платы, т.е. по ним передаются различные сигналы и команды. Разные шины обладают разной скоростью передачи сигналов (пропускной способностью).

Северный Мост (контроллер-концентратор памяти)

Сокет – это основной разъем материнской платы, предназначенный для установки центрального процессора. Каждый сокет поддерживает только определенный тип процессоров, поэтому производители системных плат всегда указывают какие процессоры можно установить на ту или иную модель платы.

Слоты оперативной памяти служат для установки плат (модулей) ОЗУ, таких слотов на материнской плате обычно от двух до четырех. Они располагаются справа от сокета, и так же как в случае с процессором каждая материнская плата поддерживает только один из типов оперативной памяти: DDR, DDR2, DDR3, DDR4. Чем больше число DDR, тем мощнее и современнее тип ОЗУ.

Слот PCIEX16 предназначен для установки видеокарты, на дорогих и мощных материнских платах таких слотов может быть несколько. При установке видеокарты в этот слот стоит обратить внимание на его пропускную способность (указана на плате), чем выше число, тем больше пропускная способность.

Сетевой контроллер это чип на материнской плате, который исполняет роль интегрированной сетевой карты и необходим для подключения к интернету.

Южный мост (периферийный контроллер)

BIOS – это чип, а также вшитая в него микропрограмма, которая включается перед запуском операционной системы, основное предназначение BIOS – это проверка работоспособности компьютера (этот процесс называется POST) до загрузки ОС. Помимо этого BIOS позволяет настраивать различные параметры материнской платы.

Батарейка на материнской плате нужна для сохранения основных настроек BIOS в тех случаях, когда ты выключаешь компьютер из электросети.

Слоты PCI служат для подключения периферийных устройств к системной плате, это может быть звуковая карта, TV-тюнер, сетевая карта и пр.

Разъем IDE – это устаревший интерфейс для подключения оптических приводов и жестких дисков. Разъем IDE имеет большие размеры и меньшую скорость обмена информацией, чем современные разъемы SATA.

Разъем FDD служит для подключения Floppy дисковода, предназначенного для чтения гибких дисков.

Разъем SATA –используются в основном для подключения жесткого диска и оптического привода.

Разъемы USB предназначены для подключения USB входов с передней панели системного блока, к каждому разъему можно подключить по два входа.

Звуковые разъемы (есть не на всех материнка) служат для подключения к материнской плате различных устройств снабженных дополнительными аудиовыходами.

Разъем питания ATX необходим для подключения соответствующего кабеля с блока питания, через него запитывается сама системная плата, платы расширения, подключаемые к ней, а также системы охлаждения (кулер процессора и др.), различные световые индикаторы и пр.

Разъем ATX 12V предназначен для подачи питания на центральный процессор.

К разъему CPU FAN подключается провод от кулера установленного на процессоре.

Разъемы SYS FAN1 / SYS FAN2 / PWR FAN различаются количеством контактов расположенных на них, а предназначены они для подключения дополнительных охлаждающих вентиляторов.

К разъемам из группы F PANEL подключаются провода от кнопок включения и перезагрузки компьютера, индикатора работы жесткого диска, а также системный динамик.

К разъему F AUDIO следует подключать передние аудио входы от наушников и микрофона. Поэтому если на передней панели корпуса эти входы есть, но они не работают, следует проверить подключены ли провода от них к данному разъему, так как при магазинной сборке компьютера это часто забывают сделать.

18. Поясните различия между параллельным и последовательным интерфейсом. Чем определяется скорость передачи данных в том и другом случае?

Для того чтобы передавать группу битов, используются два основных подхода к организации интерфейса:

параллельный интерфейс — для каждого бита передаваемой группы используется своя сигнальная линия (обычно с двоичным представлением), и все биты группы передаются одновременно за один квант времени.

последовательный интерфейс — используется лишь одна сигнальная линия, и биты группы передаются друг за другом по очереди; на каждый из них отводится свой квант времени (битовый интервал).

На первый взгляд организация параллельного интерфейса проще и нагляднее и этот интерфейс обеспечивает более быструю передачу данных, поскольку биты передаются сразу пачками. Очевидный недостаток параллельного интерфейса — большое количество проводов и контактов разъемов в соединительном кабеле (по крайней мере по одному на каждый бит). Отсюда громоздкость и дороговизна кабелей и интерфейсных цепей устройств, с которой мирятся ради вожделенной скорости. У последовательного интерфейса приемопередающие узлы функционально сложнее, зато кабели и разъемы гораздо проще и дешевле. Понятно, что на большие расстояния тянуть многопроводные кабели параллельных интерфейсов неразумно (и невозможно), здесь гораздо уместнее последовательные интерфейсы.

И для последовательного, и для параллельного интерфейсов максимальная тактовая частота определяется достижимым (при разумной цене и затратах энергии) быстродействием приемопередающих цепей устройств и частотными свойствами кабелей. Здесь уже очевидны выгоды последовательного интерфейса: для него, в отличие от параллельного интерфейса, затраты на построение высокоскоростных элементов не приходится умножать на разрядность.

В параллельном интерфейсе существует явление перекоса (skew), существенно влияющее на достижимый предел тактовой частоты. Суть его в том, что сигналы, одновременно выставленные на одной стороне интерфейсного кабеля, доходят до другого конца не одновременно из-за разброса характеристик цепей. На время прохождения влияет длина проводов, свойства изоляции, соединительных элементов и т. п. Очевидно, что перекос (разница во времени прибытия) сигналов разных битов должен быть существенно меньше кванта времени, иначе биты будут искажаться (путаться с одноименными битами предшествующих и последующих посылок). Вполне понятно, что перекос ограничивает и допустимую длину интерфейсных кабелей: при одной и той же относительной погрешности скорости распространения сигналов на большей длине набегает и больший перекос. Перекос сдерживает и увеличение разрядности интерфейса: чем больше используется параллельных цепей, тем труднее добиться их идентичности. Из-за этого даже приходится «широкий» (многоразрядный) интерфейс разбивать на несколько «узких» групп, для каждой из которых используются свои управляющие сигналы.

19. Назовите основные технические характеристики, а также их значения для современных моделей центральных процессоров (CPU). Поясните разницу между CISC и RISC архитектурой.

Современные процессоры компьютеров – это сложнейшие устройства со множеством технических и эксплуатационных характеристик. Можно выделить 4 главных характеристики: производительность, энергоэффективность, функциональные возможности и стоимость. Под производительностью центрального процессора принято понимать скорость выполнения им поставленной задачи. То есть, чем меньше времени требуется конкретному процессору для реализации той или иной задачи, тем выше его производительность. Энергоэффективность (или производительность в расчете на Ватт потребляемой электроэнергии) в эту группу попала после того, как потребляемая процессорами энергия достигла, а затем и превысила 100 Вт. Оптимальным решением является получение максимальной производительности процессора при низком энергопотреблении. Чем выше потребляемая процессором мощность, тем больше энергии ему требуется, и тем сложнее его охлаждать. Как и производительность, энергоэффективность процессора не имеет численного выражения. Кроме таких параметров, как производительность и энергоэффективность, современные центральные процессоры характеризуются комплектом поддерживаемых технологий: технология виртуализации, технология защиты от вирусов, технология 64-разрядных вычислений, технология защиты от перегрева, технология энергосбережения и др.

Основные характеристики процессора

• Увеличение тактовой частоты. Самый простой способ сделать процессор более производительным – повысить его тактовую частоту. Однако с увеличением тактовой частоты возрастает и энергопотребление, а также выделение тепла, которое нужно как-то отводить от чипа.

• Наличие нескольких ядер. Большинство современных процессоров является двухъядерными (Dual Core). Это значит, что в одной микросхеме, по сути, находятся сразу два процессора. Уже появились модели, которые состоят из четырех ядер (Quad Core), например, Intel Core 2 Quad и AMD Phenom X4. В будущем количество ядер в процессорах будет только возрастать, потому как увеличивать их число проще, чем постоянно поднимать тактовую частоту.

• Увеличение объема кэш-памяти. Данные, с которыми работает процессор, и команды для их обработки помещаются в оперативной памяти, но, помимо нее, в сам ЦП встроена кэш-память, доступ к которой осуществляется гораздо быстрее. В кэш помещаются наиболее часто используемые процессором данные и куски программного кода. Чем больше объем кэш-памяти, тем выше скорость работы процессора в реальных задачах (при этом прирост производительности сильно зависит от самой задачи).

• Увеличение тактовой частоты фронтальной шины. Обмен данными современных процессоров с оперативной памятью происходит через канал, называемый фронтальной шиной (Front Side Bus – FSB). Чем выше ее тактовая частота, тем быстрее происходит передача данных

Разница между CISC и RISC архитектурой

Микропроцессоры с архитектурой RISC ( Reduced Instruction Set Computers ) используют сравнительно небольшой (сокращённый ) набор наиболее употребимых команд, определённый в результате статистического анализа большого числа программ для основных областей применения CISC (Complex Instruction Set Computer )- процессоров исходной архитектуры. Все команды работают с операндами и имеют одинаковый формат. Обращение к памяти выполняется с помощью специальных команд загрузки регистра и записи. Простота структуры и небольшой набор команд позволяет реализовать полностью их аппаратное выполнение и эффективный конвейер при небольшом объеме оборудования. Арифметику RISC - процессоров отличает высокая степень дробления конвейера. Этот прием позволяет увеличить тактовую частоту ( значит, и производительность ) компьютера; чем более элементарные действия выполняются в каждой фазе работы конвейера, тем выше частота его работы. RISC - процессоры с самого начала ориентированы на реализацию всех возможностей ускорения арифметических операций, поэтому их конвейеры обладают значительно более высоким быстродействием, чем в CISC - процессорах. Поэтому RISC - процессоры в 2 - 4 раза быстрее имеющих ту же тактовую частоту CISC - процессоров с обычной системой команд и высокопроизводительней, несмотря на больший объем программ, на ( 30 % ).