Контрольные вопросы для самоподготовки студентов

1. Что является основным принципом построения современных компьютеров?

2. Что обеспечивает принцип программного управления?

3. За счет наличия каких блоков в компьютере реализуется принцип программного управления?

4. Приведите классическую архитектуру компьютера.

5. Какие устройства имеются в архитектуре любого компьютера? Как они взаимодействуют?

6. Для чего предназначено устройство управления?

7. Для чего предназначено АЛУ?

8. Что такое интерфейс?

9. Привести структурную схему компьютера с шинным интерфейсом.

10. Что представляет собой шина?

11. Что такое контроллеры? Их назначение?

Ссылки на литературные источники, приведенные в рабочей программе дисциплины

1. Информатика. Базовый курс. 2-е издание/Под. Ред. С.В. Симоновича. - СПб.:Питер, 2008.-640 с.

2. Информатика: учебн.пособие для студ.высш.пед.завед-й/А.В. Могилев, Е.К. Хеннер, Н.И. Пак; под ред. А.В. Могилева. –М.: Изд.Центр «Академия», 2006.-336 с.

3. Пестриков В.М., Петров Г.А., Подобед Д.Г. Информатика. Персональные компьютеры: учебное пособие. - СПб.: СПбГТУРП, 2011. - 100 с.(электронный ресурс) режим доступа http://window.edu.ru/resource/161/76161/files/infopc.pdf

Лекция №11Тема «Персональный компьютер и его аппаратное обеспечение»

План лекции

1. Персональный компьютер.

2. Системный блок.

3. Системная плата.

4. Процессор и его характеристики.

Персональный компьютер

Персональный компьютер (ПК) – средство вычислительной техники индивидуального пользования, которое удовлетворяет требованиям:

• общедоступности (низкая стоимость, компактность, отсутствие специальных требований как к условиям эксплуатации, так и к степени подготовленности пользователя);

• универсальности (ориентация на широкий круг задач, решаемых одним пользователем с помощью удобных технических и программных средств).

К аппаратному обеспечению компьютера относятся устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию. ПК имеют блочно-модульную конструкцию, то есть аппаратную конфигурацию можно собирать из готовых узлов и блоков. Современный персональный компьютер может быть реализован в настольном, портативном(notebook) или карманном(handheld) варианте.

Различают IBM PC–совместимые компьютеры и IBM PC–несовместимые компьютеры. В конце1990-х годов IBM PC– совместимые микрокомпьютеры составляли более девяноста процентов мирового компьютерного парка. IBM PC был создан американской фирмой Ай– Би– Эм (IBM) в августе1981. При его создании был применен принцип открытой архитектуры, который означает применение в конструкции при сборке компьютера готовых блоков и устройств, а также стандартизацию способов соединения компьютерных устройств.

Единственный из IBM PC–несовместимых микрокомпьютеров, получивший относительно широкое распространение, – компьютер Макинтош (Macintosh). Начиная с1980-х годов микрокомпьютеры Макинтош американской фирмы Эпл(Apple) составляли достойную конкуренциюIBM PC–совместимым микрокомпьютерам, так как, несмотря на свою дороговизну, ониобеспечивали пользователю наглядный графический интерфейс, были значительно проще в эксплуатации и обладали большими возможностями. Начиная с1990-х годов разница между возможностями Макинтошей иIBM PC все болеенивелируется. Последние были оснащены операционными системами с графическим интерфейсом, многочисленными рассчитанными на них прикладнымипрограммами. В настоящее время Макинтоши удерживают лидирующие позиции лишь на рынке настольных издательских систем.

Раздельная схема ПК(стационарный компьютер) предполагает, что ПК состоит из системного блока и разнообразных внешних, то есть конструктивносамостоятельных подключаемых к системному блоку извне через стандартныеинтерфейсы(например: USB, D–Sub, DVI, FireWire), устройств (монитор, клавиатура, мышь, микрофоны, звуковые колонки, веб-камера, принтер, сканер, внешний модем, игровые устройства). Исторически такая схема ПК было самойпервой. Она же до сих пор остается самой распространенной схемой стационарных ПК. Например, профессиональные рабочие станции практически всегдастроятся по такой схеме.

Главное достоинство раздельной схемы– сравнительно легкая масштабируемость. То есть в любой момент можно без особых затруднений заменитьлюбой из компонентов ПК. Но обратная сторона медали – наименьшая транспортабельность и сравнительная громоздкость такого ПК. Естественно раздельная схема применяется тогда, когда главное требование к ПК– легкость ипростота масштабирования.

Существует понятие базовой конфигурации стационарного ПК. В таком комплекте компьютер обычно поставляется. В базовой конфигурации рассматривают четыре устройства:

• системный блок;

• монитор;

• клавиатуру;

• мышь.

Конструктивная схема ПК – системный блок, монитор и, в настоящее время, микрофон, звуковая колонки, веб-камера конструктивно объединены в одно устройство– моноблок(мобильный компьютер). Такой ПК эргономичнее (занимает минимум пространства) и более привлекателен с эстетической точкизрения. Также такой ПК и более транспортабелен, чем стационарный ПК, построенные по раздельной схеме. Обратной стороной этой медали являетсясравнительно трудная масштабируемость такого ПК и, в том числе, сравнительно трудная самостоятельная техническая модернизация.

Функциональным ядром в раздельной схеме стационарного ПК являетсясистемный блок.

Системный блок

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого размещаются:

• материнская плата(motherboard);

• дочерние платы(платы расширения);

• внутренние накопители(жесткий диск, DVD–ROM);

• блок питания.

Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными.

Платы расширения предназначены для подключения к шине ПК дополнительных устройств. Они устанавливаются в разъемы расширения на материнской плате.

Основные типы дочерних плат:

• видеоадаптеры;

• звуковые платы;

• внутренние модемы и факс-модемы;

• адаптеры локальной сети;

• SCSI-адаптеры.

Корпус системного блока

По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса. Корпуса персональных компьютеров выпускают в горизонтальном (desktop) и вертикальном(tower) исполнении. Десктопы применяются до сих пор, и до сих пормонитор ставят на десктоп. Однако из за уменьшения габаритов и веса комплектующих и еще более резкого уменьшения веса и глубины мониторов (современные мониторы – сплошь ЖК-мониторы – сравнительно малы по весу и глубине), стало возможным создавать и использовать сравнительно компактные и дешевые десктопы. Системный блок типа Tower («башня») – высокий и потому обычно располагается под столом (часто в специально предназначенных для это нишах, или отделениях компьютерных столов). Корпуса в вертикальном исполнении могут иметь разную высоту (Slim– , Mini– , Middle– , Midi– , Big– , Super–, Big– Towerи FileServer).

Корпуса персональных компьютеров поставляются вместе с блоком питания, и, таким образом, мощность блока питания также является одним из параметров корпуса. Блок питания (БП) ПК обеспечивает электропитание всех устройств системного блока. Мощность блока питания измеряется в вольт-амперах (VA). Чем больше устройств предполагается разместить в ПК, тем более мощным должен быть БП.

Основной параметр, определяющий «стандартность» корпуса, называется форм-фактором. В настоящее время используются корпуса с форм-фактором ATX. Их основными отличиями являются:

• формат и способ размещения материнской платы;

• конструкция блока питания;

• способ подачи электропитания на материнскую плату.

На передней панели корпуса размещаются индикаторы состояния компьютера– Power (включено питание), Hard (работает накопитель на жестких дисках– «винчестер»); кнопки управления– выключатель питания компьютера, сброса Reset. Кнопка Reset предназначена для аварийного сброса программ и перезапуска компьютера. Еще на переднюю панель выходят рабочие части дисковода DVD–ROM – здесь вставляются и вынимаются диски.

Задняя стенка корпуса системного блока компьютера используется для всевозможных подключений. В ней есть несколько щелей для доступа к разъемам плат расширения и отверстия для разъема клавиатуры, вентилятора и сетевых разъемов блока питания.

Системная (материнская) плата

Материнская плата (или системная плата) – основная плата компьютера. Ее задача осуществление связей между другими функциональными компонентами ПК. Для этого предусмотрены специальные разъемы, в которые можно вставить другие компоненты:

• центральный процессор – основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций;

• микропроцессорный комплект(чипсет) –набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы;

• шины – наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;

• оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) – набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен;

• ПЗУ (постоянное запоминающее устройство с системой BIOS) – микро-схема, предназначенная для хранения программ и справочной информации, в том числе и когда компьютер выключен;

• энергонезависимая память CMOS (память с данными об аппаратных настройках и аккумулятором для ее питания);

• разъемы (слоты) для подключения дополнительных устройств – дочерних плат.

Существуют материнские платы самых разных форматов (ATX, LPX, NLX, Mini– , Micro– ATX, Micro–NLX, Flex–ATXидр.). Основные характеристики материнских плат:

• модель чипсета;

• тип используемого процессора(зависит от разъема для установки процессора);

• формат;

• число и тип разъемов для установки дочерних плат;

• возможность обновления BIOS.

Чипсет

Все современные платы исполняются на основе чипсетов – наборов микросхем, обеспечивающих соединение всех основных компонентов системной платы. От модели чипсета зависят все основные характеристики платы: поддерживаемые процессоры и виды микросхем памяти, тип системной шины, порты для подключения внешних устройств. Современные чипсеты имеют множество встроенных контроллеров (дисков, портов ввода-вывода, шин USB).

Чипсет состоит из двух микросхем, поддерживающих шины различных устройств: процессора, памяти, видеосистемы, внешних устройств. Микросхемы называются северный мост и южный мост.

Северный мост отвечает за связь процессора с памятью и памяти с видеосистемой.

Южный мост обеспечивает поддержку интерфейсов внешних и внутренних устройств (например, накопителей на жестких и гибких магнитных дисках).

Процессор

Основной рабочий компонент компьютера – центральный процессор (CPU). Он выполняет арифметические и логические операции, задаваемые программой, управляет вычислительным процессом, и координирует работу всех устройств компьютера. В общем случае центральный процессор содержит: блок управления, АЛУ, шины данных и шины адресов, регистры, счетчики команд, кэш – очень быструю память малого объема, математический сопроцессор.

Процессоры первого поколения компьютеров были построены на базе электронных ламп, второго – на базе транзисторов, третьего– на базе интегральных схем, четвертого– на основе больших и сверхбольших(БИС, СБИС) интегральных схем, объединяющих на небольшом кристалле миллионы полупроводниковых элементов (транзисторов), размеры которых постоянно сокращаются (до нанометров), а количество увеличивается. Процессоры на базе БИС и СБИС получили название микропроцессоров (МП).

Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему – тонкую пластину кристаллического кремния прямоугольной формы площадью несколько квадратных миллиметров. На этой пластине размещены схемы, реализующие все функции процессора.

Наиболее популярные процессоры сегодня производят фирмы Intel, AMD иIBM. Большинство процессоров, используемых в настоящее время, являютсяIntel–совместимыми, то есть имеют набор инструкций и интерфейсы программирования, сходные с используемыми в процессорах компанииIntel.

Средипроцессоровот Intel: 8086, i286, i386, i486, Pentium, PentiumII, PentiumIII, Celeron (упрощенный вариантPentium), Pentium 4, Core 2 Quad, Core i7, Xeon (серия процессоров для серверов), Itanium, Atom (серия процессоров для встраиваемой техники) и др. AMD имеет в своей линейке процессорыархитектурыx86 (аналоги80386 и80486, семействоK6 и семействоK7 – Athlon, Duron, Sempron) иx86–64 (Athlon 64, Athlon 64 X2, Phenom, Opteron идр.). Процессоры IBM(POWER6, POWER7, Xenon, PowerPC) используются всуперкомпьютерах, в видеоприставках7-го поколения, встраиваемой технике; ранее использовались в компьютерах фирмыApple.

Основные параметры процессоров. Основными параметрами процессоров являются: разрядность, рабочая тактовая частота, размер кэш-памяти, количество ядер.

Разрядность показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (один такт). Первые процессоры семейства х86 были 16-разрядными. Начиная с процессора Pentium они имеют 64-разрядную архитектуру.

Тактовая частота – это количество операций, которое процессор может выполнить в секунду. Измеряется этот показатель в гигагерцах (ГГц); 1 ГГц равен одному миллиарду тактов в секунду. Тактовая частота определяется параметрами кварцевого резонатора, представляющего собой кристалл кварца в оловянной оболочке. Под воздействие электрического напряжения в кристалле кварца возникают колебания электрического тока с частой, определяемой формой и размерами кристалла. Частота этого переменного тока и называется тактовой частотой. Наименьшей единицей времени для процессора, как для логического устройства является период тактовой частоты или простотакт. На каждую операцию (выполнение команды) процессор затрачивает некотороеколичество тактов. Естественно, чем выше тактовая частота процессора, тем производительнее он работает, так как в единицу времени происходит большее количество тактов и выполняется большее количество команд. начиная с 1971 г., когда появился первый микропроцессор, тактовая частота увеличилась в 25000 раз. Тактовые частоты современных процессоров лежат в диапазоне от 1,8 ГГц до 3,8 ГГц, и более.

Однако с увеличением тактовой частоты возрастает и энергопотребление, а также выделение тепла, которое нужно отводить от чипа (иначе процессор будет работать нестабильносм. рис. 22, 23). Поэтому «гонка частот» пошла на спад, а разработчики пошли по пути увеличения количества ядер в одной микросхеме, так возникло понятие многоядерности.

Рис. 22Рост тактовых частот процессоров Intel и AMD с 1993 по 2006 г.

Рис. 223Рост энергопотребления процессоров

Кэш-память. Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью. Для тогочтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область– так называемую кэш-память. Это как бы«сверхоперативная память». Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит егообращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память. «Удачные» обращения в кэш-память называют попаданиями в кэш. Процент попаданий темвыше, чем больше размер кэш-памяти, поэтому высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш-памяти.

Использование кэш-памяти позволило значительно поднять производительность компьютеров. Когда для486-х процессоров впервые была примененатехнология кэширования, кэш-память располагалась на материнской плате какможно ближе к процессору. Сегодня кэш-память устанавливается«пирамидой».

Самая быстрая по скорости, но самая малая по объему кэш-память первого уровня входит в состав кристалла процессора. Ее производят теми же технологиями, что и регистры процессора, в результате она оказывается безумно дорогой, но очень быстрой и, главное, надежной. Она играет очень важную роль вбыстродействии. Кэш-память второго уровня может располагаться на том жекристалле процессора(в этом случае она работает с частотой ядра процессора), но может располагаться и в отдельной микросхеме рядом с процессором (в этом случае она работает с половинной частотой ядра). Объем кэш-памятивторого уровня больше, чем первого. Самая большая, но и самая медленнаякэш-память– третьего уровня. Она к процессору не относится, поскольку устанавливается на материнской плате и работает с ее частотой. Размер кэш-памяти первого и второго уровня очень сильно влияет на стоимость процессора. Процессоры одной модели и с одной рабочей частотой могут различатьсяобъемом кэш-памяти. С каждым новым поколением процессоров кэш-память увеличивается.

Многоядерность

Многоядерные процессоры содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (на одном или нескольких кристаллах). Это ведет к увеличению производительности персонального компьютера.Ядром процессора можно назвать его систему исполнительных устройств (набор арифметико-логических устройств), предназначенных для обработки данных

Операционная система рассматривает каждое из исполнительных ядер, как дискретный процессор со всеми необходимыми вычислительными ресурсами. Поэтому многоядерная архитектура процессора, при поддержке соответствующего программного обеспечения, осуществляет полностью параллельное выполнение нескольких программных потоков.

К 2006 году все ведущие разработчики микропроцессоров создали двуядерные процессоры. Первыми появились двуяхдерные RISC-процессоры — у Sun Microsystems (UltraSPARC IV), IBM (Power4, Power5) и HP (PA-8800 и PA-8900). О выпуске двуядерных процессоров с архитектурой х86 фирмы AMD и Intel объявили почти одновременно. В настоящее время выпускаются 4-х, 8-ядерные процессоры. Число ядер информирует о том, какое количество программ можно запустить одновременно, не теряя быстродействие.