2. Функционально-структурная организация и программное обеспечение персонального компьютера

Приведем основные понятия вычислительной техники [1,2,48].

Архитектура компьютера – это описание основных компонентов компьютера и их взаимодействия, в него входит: набор команд, разрядность машинного слова, механизмы ввода/вывода, методы адресации. Другое определение: архитектура – это внутренняя структура системы или микропроцессора, которая определяет их функциональные возможности и быстродействие.

Организация компьютера – это описание конкретной реализации архитектуры, ее воплощения “в железе”. Оно включает: число процессоров, размер оперативной памяти, быстродействие, перечень используемых сигналов управления, интерфейсов, технологий памяти, реализацию арифметических, логических и других операций.

Схема компьютера – это детальное описание его электронных компонентов, их соединений, устройств питания, охлаждения и пр.

Традиционная архитектура компьютера, предложенная фон Нейманом, показана на рис. 2.1. Она основана на следующих принципах:

программа хранится в компьютере, программа во время выполнения и необходимые для ее работы данные находятся в оперативной памяти (ОЗУ), имеется арифметическо-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции с данными, имеется устройство управления (УУ), которое интерпретирует команды, выбираемые из памяти, и выполняет их, устройства ввода/вывода (ВВ) используются для ввода программы и данных и для вывода результатов работы программы. Работают под управлением УУ.

Рис. 2.1. Принципиальная архитектура компьютера фон Неймана

Устройства АЛУ и УУ составляют центральный процессор (ЦП), выполняющий машинные команды, выбираемые из оперативной памяти одна за другой. УУ интерпретирует очередную команду (из набора команд процессора), затем выполняются выборка данных, их обработка и запись результатов выполнения в оперативную память, “внешнюю” память или их отправка на устройство вывода. Основными компонентами компьютера являются:

• центральный процессор и оперативная память (ядро системы),

• вторичная (“внешняя”, ВЗУ) и устройства ВВ (периферия),

• коммуникации между компонентами системы, осуществляемые посредством шин.

Работа 6. Устройство и модернизация системного блока персонального компьютера.

Данные задания выполняются студентами поочередно по скользящему графику с неработоспособным системным блоком со снятой крышкой. Возможность самостоятельно модернизировать системный блок и наращивать мощность компьютера является важным достоинством принципа открытой архитектуры, лежащего в основе конструкции ПК. Главные компоненты компьютера размещены на системной (материнской) плате. Сведения об устройстве современных системных плат приведены в [49]. Рассмотрите системную плату, найдите на ней самую большую микросхему – микропроцессор с установленным на нем кулером (охладителем из радиатора и вентилятора) и разъемы для оперативной памяти.

Рис. 2.1. Пример установки модулей памяти на материнскую плату

Модули памяти имеют такие характеристики, как тип, емкость (256, 512 Мбайт, 1Гбайт), разрядность, быстродействие, напряжения питания и др. Оперативная память подразделяется на два основных типа: с динамической (Dynamic RAM, DRAM) и статической (Static RAM, SRAM) выборкой. В первом случае значение бита информации в ячейке определяется наличием или отсутствием заряда на миниатюрном конденсаторе, который управляется одним-двумя транзисторами. Из-за тока утечки конденсаторы разряжаются через короткое время, поэтому динамическая память должна периодически обновляться. Процесс обновления динамической памяти называется регенерацией памяти (Refresh). Специальная схема через определенные промежутки времени осуществляет чтение и запись всех ячеек памяти. В эти моменты процессор не имеет доступа к данным и находится в состоянии ожидания. Автоматическая регенерация памяти происходит также при выполнении каждой операции чтения или записи ячейки памяти.

3. Работа с жестким диском IDE. Рассмотрите внешний вид, устройство контактов и надписи на верхней крышке накопителя на жестких дисках. Типовой накопитель состоит из герметичного блока с магнитными дисками и съемной платы электронного блока. Гермоблок заполнен очищенным воздухом под давлением в одну атмосферу. Требования к чистоте воздуха высоки  исключается присутствие в нем пылинок. Поэтому, в отличие от других компонентов персональных компьютеров, накопители на жестких дисках ни в коем случае нельзя разбирать! Основными элементами конструкции типового накопителя на жестких дисках являются (рис. 1.9, 1.12, 2.2) [38]:

Магнитные диски Головки чтения/записи Механизм привода головок

Двигатель привода дисков Печатная плата с электронной схемой управления Разъемы, элементы конфигурирования и монтажа

Рис. 2.2. Устройство типового накопителя на жестких дисках

Накопители должны быть прочно и стабильно укреплены в корпусе системного блока винтами с обеих сторон. Тряска или перемещение накопителя во время процесса чтения/записи могут привести к повреждению головки поверхности диска. Также не рекомендуется размещать системный блок на одной поверхности с матричным принтером, создающим вибрацию во время работы. Второй причиной сокращения службы винчестеров является высокая температура окружающей среды. Никогда не устанавливайте компьютер вблизи источников тепла. К компьютеру должен быть всегда открыт доступ свежего воздуха для охлаждения. При высокой температуре окружающего воздуха винчестер следует охлаждать с помощью дополнительного вентилятора. Специальный дополнительный вентилятор может быть установлен в системном блоке. Такое охлаждение необходимо при использовании в системном блоке более одного (обычно двух) винчестеров. Возможно размещение винчестера в съемном контейнере типа Mobil Rack с вентилятором. В настоящее время наиболее распространены винчестеры со скоростью вращения дисков 5400 и 7200 об/мин. Более быстрые накопители с большим числом дисков (см. с. 27) нагреваются при работе сильнее, поэтому более требовательны к охлаждению. В настольных персональных компьютерах обычно используются накопители с дисками размера (форм-фактора) 3,5 дюйма, в ноутбуках  диски размером 2,5 дюйма.

Стандартное состояние для IDE-накопителя  Master. Если в системе установлен только один накопитель на жестких дисках, то всегда его состояние Master. Для накопителей с интерфейсом IDE состояние устанавливается с помощью переключателей (джамперов). Если к одному кабелю подключены два IDE-накопителя, то один из них является первичным (Master), а другой  вторичным (Slave). Джамперы для переключения состояний обычно размещаются рядом с 40-контактным интерфейсным разъемом (пример на рис. 2.3). Установите джампер винчестера в положение Master (Device 0).

Рис. 2.3. Переключение состояний Master/Slave HDD

5. Подключение жесткого диска IDE к материнской плате. Присоедините ленточный кабель IDE (рис. 3.4) и вилки питания к накопителю на жестких дисках HDD и к устройству чтения компакт-дисков CD-ROM.

К контроллеру

Рис. 3.4. Кабель данных IDE

Винчестер (определенный по умолчанию как Master) подключают к разъему HDD1 кабеля, присоединенного к первичному разъему IDE1 контроллера материнской платы. Разъемы накопителя для подключения к системе подачи питания и кабелю данных IDE обычно такие же, как и у дисководов гибких дисков (рис. 2.5). Стандартная цветовая кодировка проводов блока питания приведена в табл. 3.1. [50].

Рис. 2.5. Четырехконтактный разъем питания (слева) и 40-контактный интерфейсный разъем накопителя HDD (справа)

Таблица 2.1. Стандартная цветовая кодировка проводов блока питания

Цвет	Напряжение
Черный	“земля”, GND (“GrouND”), COM
Оранжевый	+3.3 В
Красный	+5 В
Желтый	+12 В
Розовый	+5 В Stand-by (“дежурное” питание)
Синий	-12 В
Белый	-5 В
Зеленый	Включение блока питания
Серый	Сигнал Power Good (PWR_OK +5±1 D

6. Установка накопителя HDD и привода CD-ROM. Установите винчестер в отсек так, чтобы к нему и от него был свободный доступ воздуха, и закрепите его винтами. Накопители HDD должны быть прочно и стабильно укреплены в корпусе системного блока винтами с обеих сторон. Тряска или перемещение накопителя во время процесса чтения/записи могут привести к повреждению головки поверхности диска. К одному кабелю можно подключить два накопителя HDD или накопитель НDD и устройство чтения компакт-дисков CD-ROM. Для повышения производительности компьютера CD-дисковод (определенный по умолчанию как Slave) подключают к разъему HDD2 кабеля, присоединенного к вторичному разъему IDE2 контроллера. К разъему HDD1 того же кабеля можно подключить и дополнительный винчестер (Master). Обмен данными с памятью может происходить без участия процессора в режиме DMA (Direct Memory Access  прямой доступ к памяти).

7. Установка второго накопителя HDD. Установите второй накопитель HDD (или его муляж) в отсек фомфактора 3,5. Джамперы переключения состояний Master/Slave второго накопителя HDD и переведите в режим Slave. Используйте второй шлейф IDE для подключения второго накопителя к материнской плате. Второй винчестер может устанавливаться для хранения копий важных файлов, потеря которых недопустима в случае выхода из строя первого винчестера. При установке более чем одного накопителя НDD они должны идентифицироваться определенным образом. Если накопители подключаются с помощью разных кабелей к двум слотам на материнской плате, джамперы обоих могут быть в состоянии Master, но системным (содержащим загрузочную область) будет только один из накопителей. При подключении второго IDE-накопителя к кабелю, к которому уже подключен первый, джамперы необходимо переключить не только на втором (новом) диске (как Slave), но и на первом (как Master). После установки нового (или замены старого) винчестера на действующий компьютер необходимо внести изменения в CMOS Setup, а уже затем форматировать или разбивать на разделы (логические диски) с помощью средств DOS. Для надежного резервного хранения данных используются внешние RAID-массивы (Redundant Array of Independent Data – Избыточный массив независимых дисков), [51]. Технология RAID способна ускорить доступ к жестким дискам и/или защитить систему от отказа диска. Например, устройство Bigget F800 2TB фирмы LaCia [52] позволяет организовать из четырех жестких дисков -массивы уровней 1, 0+1, 5, 5+spare. Уровень 1 предусматривает просто “зеркалирование” – данные с одного диска дублируются на другой (для отказоустойчивости). Уровень 0+1 подразумевает два подмассива по два диска с чередованием записи информации на них на уровень 0 (для увеличения скорости записи данные расщепляются на порции, которые распределяются по нескольким дискам), которые объединяются в общий массив по уровню 1 для достижения одновременного повышения быстродействия и надежности хранения информации. При этом для записи данных доступна половина дискового пространства. В RAID уровня 5 на три или два диска записывают пакеты с информацией, а на выбираемый по очереди четвертый (или третий) – пишется контрольная сумма. В режиме 5+spare задействованы три диска, а четвертый начинает работать, если один из них вышел из строя. Неисправный диск можно заменить без прекращения работы системы. Таким образом достигается высокая надежность и готовность системы.

Дополнительные жесткие диски могут устанавливаться также, как внешние устройства, и подключаться к системному блоку через разъемы USB или другие.

8. Работа с жестким диском SATA. Винчестеры SATA подключаются к материнской плате непосредственно (для новых моделей плат) или через SATA-контроллер (для старых моделей плат) с помощью более узких (и более удобных), чем IDE шлейфов (рис. 3.6 Домашний компьютер, 2006, №2, Вильянов С. В) [51].

9. Работа с коннекторами передней панели. К передней панели системного блока от материнской платы идут провода блока коннекторов Front-Panel Connectors). Их цветовая разметка указана в табл. 2.2.

Рис. 2.6. Разъемы питания и интерфейсанакопителя SATA

Таблица 2.2. Типичная цветовая кодировка блока коннекторов передней панели.

Цвет	Напряжение
Голубой	Коннектор кнопки Reset (перезагрузка)
Светло-зеленый	Коннектор кнопки Power (питание)
Красный, один из контактов отмечен крестиком	Коннектор индикатора (светодиода) HDD Led (винчестер Master)
Зеленый, один из контактов отмечен крестиком	Коннектор индикатора (светодиода) Power Led (питание)
Оранжевый	Коннектор корпусного спикера (динамика)

Найдите эти провода и убедитесь в их соединении с кнопками и индикаторами передней панели.

10. Работа с аккумулятором материнской платы. На материнской плате найдите аккумулятор питания CMOS-памяти BIOS и системных часов. Извлеките его и измерьте напряжение на нем с помощью тестера или вольтметра. Установите аккумулятор на место.

11. Работа с видеокартой. Отсоедините и вновь присоедините видеокарту в слот материнской платы. На старых материнских платах видеокарта устанавливалась в слот PCI , затем для видеокарт был выделен слот AGP (рис. 2.1). В новых моделях материнских плат видеокарта (или две видеокарты) устанавливаются в слот(ы) PCI Express.