inform-lab-1-2-3 / lab-inf-3

Задачи работы:

Познакомиться с внутренним устройством компьютера, системной платы и основными элементами, размещенными на ней.

Познакомиться с различными видами периферийного оборудования и правилами их подключения к компьютеру.

Научиться подбирать конфигурацию компьютера под конкретные задачи.

Описание работы: в ходе работы студенты под руководством преподавателя изучают внутреннее устройство компьютера и периферийного оборудования.

Основные понятия

Структура ЭВМ – составные части компьютера и их взаимосвязь. Архитектура ЭВМ – логическая организация элементов компьютера.

Рассмотрим составные части персонального компьютера.

Системный блок

Системный блок – функциональный элемент, защищающий внутренние компоненты ПК от внешнего воздействия и механических повреждений, поддерживающий внутри себя необходимый температурный режим, экранирующий создаваемые внутренними компонентами электромагнитное излучение и являющийся основой для дальнейшего расширения системы.

По форм-фактору различают горизонтальные (desktop) и вертикальные (tower) системные блоки.

Основные элементы системного блока: блок питания, системная плата, внутренние и внешние отсеки для накопителей (2.5 и 3.5 дюймов). На системном блоке могут размещаться дополнительные (к системной плате) разъемы (аудио, USB, eSATA). Системный блок может содержать управление скоростью вращения вентиляторов и монитор температуры.

Для того чтобы избежать перегрева элементов системного блока необходимо правильно организовать его охлаждение: при наличии энергоемких компонентов, необходимо размещать систему охлаждения (вентиляторы) соблюдая принцип отвода нагретого воздуха - часть вентиляторов работают на ввод холодного воздуха, часть на вывод нагретого воздуха (например, на передней панели воздух входит, а через заднюю панель выходит). В системном блоке должно быть достаточно свободного места для циркуляции воздуха.

Системная плата

Системная плата (материнская плата) – это сложная многослойная печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера (центральный процессор, контроллер ОЗУ и собственно ОЗУ, загрузочное ПЗУ, контроллеры базовых интерфейсов ввода-вывода). Как правило, материнская плата содержит разъёмы (слоты) для подключения дополнительных контроллеров, для подключения которых обычно используются шины USB, PCI и PCI-Express.

Все элементы на системной плате связаны системной магистралью. В виде микросхем реализованы следующие устройства: северный мост, южный мост, загрузочное ПЗУ.

Северный мост

Северный мост (Northbridge) – это системный контроллер, являющийся одним из элементов чипсета материнской платы, отвечающий за работу с оперативной памятью (RAM), видеоадаптером и процессором (CPU). Северный мост отвечает за частоту системной шины, тип оперативной памяти и ее максимально возможный объем. Одной из основных функций северного моста является обеспечение взаимодействия системной платы и процессора, а также определение скорости работы. Частью северного моста во многих современных материнских платах является встроенный видеоадаптер. Таким образом, функциональная особенность северного моста являет собой еще и управление шиной видеоадаптера и ее быстродействием. Также северный мост обеспечивает связь всех вышеперечисленных устройств с южным мостом.

Северный мост получил свое название благодаря "географическому" расположению на материнской плате. Внешне это квадратной формы микрочип, расположенный под процессором, но в верхней части системной платы. Как правило, северный мост использует дополнительное охлаждение. Обычно это пассивный радиатор, реже – радиатор с активным охлаждением в виде небольшого кулера. Связано это с тем, что температура северного моста примерно на 30 градусов Цельсия всегда выше температуры "южного собрата".

Завышенная температура вполне обоснована. Во-первых, северный мост находится в непосредственной близости от центрального процессора, во-вторых, он находится выше видеокарты, жестких дисков и южного моста. Это означает, что часть тепла от вышеупомянутых устройств доходит до северного моста. Ну и в-третьих, самое главное - северный мост отвечает за обработку команд самых сильных компонентов системы - процессор, память и графику. Поэтому будем считать, что увеличенный номинал температуры является нормой для северного моста любой материнской платы.

Южный мост

Южный мост (Southbridge) – это функциональный контроллер, известен как контроллер ввода-вывода или ICH (In/Out Controller Hub). Отвечает за так называемые "медленные" операции, к которым относится отработка взаимодействия между интерфейсами IDE, SATA, USB, LAN, Embeded Audio и северным мостом системы, который, в свою очередь, напрямую связан с процессором и другими важными компонентами, такими как оперативная память или видеоподсистема. Также южный мост отвечает за обработку данных на шинах PCI, PCIe и ISA (в старых моделях системных плат).

Список обслуживаемых систем материнской платы южным мостом довольно велик. Помимо вышеприведенных IDE, SATA, USB, LAN и прочего, южный мост отвечает еще и за SM шину (используется для управления вентиляторами на плате), DMA-контроллер (режим обмена данными между устройствами или же между устройством и основной памятью (RAM), без участия центрального процессора), IRQ-контроллер (контроллер прерываний), системные часы, BIOS, системы энергообеспечения APM и ACPI, шину LPC

Bridge (доступ к загрузочной ПЗУ, подключение манипулятора «мышь», клавиатуры и флоппи-дисковода).

Как правило, выход из строя южного моста ставит точку в жизни системной платы. Именно южный мост является порой первым щитом, принявшим "удар на себя". Ввиду технологических особенностей это так. Причин "гибели" южного моста на порядок больше, чем северного, ведь он работает напрямую с "внешними" устройствами. Так, частой причиной выхода из строя ЮМ является банальный перегрев, вызванный коротким замыканием, например, USB-разъема. Либо неисправности питания жесткого диска. Т.к. в большинстве случаев южный мост не оборудован системой дополнительного охлаждения, он перегревается и сгорает. Реже причиной поломки южного моста является заводской брак. Деформация (излишние изгибы) системной платы также приводит к повышению нагрева южного моста с последующим выходом его из строя.

Загрузочное ПЗУ

Загрузочное ПЗУ хранит ПО, которое исполняется сразу после включения питания. Как правило, загрузочное ПЗУ содержит BIOS, однако может содержать и ПО, работающие в рамках EFI (менеджер загрузки EFI используется для выбора и загрузки ОС, исключая потребность в специализированном механизме загрузки).

Разъемы системной платы

На системной плате располагаются следующие разъемы:

Графические – AGP (Accelerated Graphics Port).

Дополнительные платы устройств (подключение периферийного оборудования) – ISA (Industry Standard Architecture), PCI (Peripheral component interconnect), PCI Extended (PCI-X), PCI Express (PCIe).

Накопители – ATA (PATA, IDE, параллельный интерфейс обмена данными с накопителями информации, возможно подключение двух устройств на 1 разъем), SCSI, SATA (Serial ATA, последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации), eSATA (External SATA, интерфейс подключения внешних устройств, поддерживающий режим «горячей замены»).

Мобильные устройства – PC Card (PCMCIA Card), ExpressCard.

Периферийные устройства – MIDI (цифровой интерфейс музыкальных инструментов), IEEE 1284 (порт принтера, параллельный порт), IEEE 1394 (FireWire, i-Link), PS/2 (сиреневый – для подключения клавиатуры, зеленый – для

подключения манипулятора «мышь»), USB (универсальная последовательная шина), Gameport (разъем ввода/вывода, применяется для подключения игрового манипулятора или музыкального синтезатора).

На системной плате могут быть встроены ряд устройств: сетевые контроллеры LAN, BlueTooth, WiFi, мультимедиа контроллер и видеоконтроллер.

Накопители

Жесткие магнитные диски (IDE, SATA)

Гибкие магнитные диски

Оптические диски (CD, DVD, HD, BluRay)

Твердотельный накопитель (SSD)

Память

Оперативная память – часть системы компьютерной памяти, в которой временно хранятся данные и команды, необходимые процессору для выполнения им операции и время доступа к которой не превышает одного его такта. В

оперативном запоминающем устройстве используется динамическая память

(DRAM).

Кэш-память – промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Используется высокоскоростной статический тип памяти (SRAM).

Карты памяти – Флеш (Flash).

Звуковая плата

Звуковая плата – плата, которая позволяет работать со звуком на компьютере.

Стандарты - AC'97, HD Audio.

Внешние устройства вывода

Принтер

Монитор. Виды разъемов для подключения монитора: D-sub (VGA), DVI (Digital Visual Interface), S-Video (Separate Video), HDMI (High-Definition Multimedia Interface).

Плоттер

Динамик

Внешние устройства ввода

Клавиатура

Мышь

Тачпад

Сенсорный экран

Графический планшет

Микрофон

Сканер

Сетевое оборудование

Сетевая плата: LAN

Беспроводное соединение: BlueTooth, WiFi

Маршрутизатор (router)

Выбор конфигурации компьютера

Выбор правильной конфигурации компьютера является важным фактором для дальнейшего его использования. Рассмотрим критерии выбора.

Решаемые задачи

Основой для выбора компьютера или ноутбука является то, какие задачи предполагается на нем решать.

Офисный компьютер (для работы с документами, просмотр видео, простые игры) может иметь более простые компоненты, нет особых требований для производительности процессора и видеокарты, объем оперативной памяти должен быть не менее 1-2 ГБ

(Windows XP), 2-3 ГБ (Windows 7 32-bit), 3-4 ГБ (Windows 7 64-bit). Количество ядер процессора и разрядность системы не играют особой роли, поскольку офисные пакеты идут в 32-разрядном формате и используют только одно ядро.

Компьютер для учебы и работы с использованием программного обеспечения для работы с графикой и программированием требуют больше оперативной памяти (порядка

4 ГБ) и более мощного многоядерного процессора (это особенно важно для параллельного программирования).

Компьютер для вычислений требует производительный процессор и большого объема оперативной памяти (в зависимости от типа вычислений). Особых требований для видеокарты нет, если только не предполагается производить вычисления, используя процессор видеокарты (вычисления на GPU).

Компьютер для мультимедиа (кодирование и обработка видео) требователен к процессору и жесткому диску. Для игровой компьютера требуется производительный процессор, видеокарта и объем оперативной памяти 4-8 ГБ.

Процессор

Первый элемент компьютера – это процессор. Выбираемые характеристики: архитектура и набор инструкций, разъем на системной плате, разрядность, количество ядер, количество уровней и объем кэша, частота процессора, частота шины и т.д. В современных процессорах может быть встроенный видеоконтроллер. Для конфигурации нетребовательной к видеокарте встроенный видеоконтроллер заменяет отдельную видеокарту. Процессор может идти с системой охлаждения (box-процессоры) или без. В последнем случае необходимо выбрать для процессора систему охлаждения (пассивную с радиатором или активную с вентилятором в зависимости от величины тепловыделения).

Видеокарта

Видеоконтроллеры могут быть интегрированными (реализованными в виде микросхемы на системной плате или размещены внутри процессора) или дискретными (реализованными в виде отдельной платы). Интегрированные видеоконтроллеры используют часть оперативной памяти (что снижает их быстродействие и уменьшает объем оперативной памяти доступной приложениям). Дискретные видеоконтроллеры имеют собственную оперативную память.

При выборе видеокарты необходимо учитывать следующие параметры:

ширина шины памяти – количество бит информации, передаваемой за такт (влияет на производительность);

объём и тип видеопамяти – объем оперативной памяти видеокарты (встроенные видеокарты используют часть оперативной памяти) и тип реализации механизма передачи данных;

частоты ядра и памяти – определяет скорость обработки информации;

выводы карты – разъемы для подключения монитора или проектора;

поддержка 3D-ускорителей и версия поддерживаемых форматов – форматы работы с векторными моделями (основные форматы: DirectX и OpenGL).

Накопители

Как правило в конфигурацию включают накопитель на оптических дисках. Бюджетный вариант, пишущий DVD-привод, позволяет читать и записывать любые форматы CD и DVD дисков. Более дорогие варианты: BluRay-Combo (дополнительно к функциям DVD-привода можно читать BluRay-диски) и BluRay-RE (позволяет записывать

BluRay-диски).

Необходимо установить один жесткий диск. Жесткие диски характеризуются формфактором (на ноутбуках 1.8'' или 2.5'', на компьютерах, как правило, 3.5''), объемом (до 3 ТБ), интерфейсом (PATA, SATA), скоростью (5400--10000 оборотов в минуту, rpm), шумом (в дБ). Для ноутбуков (например, при замене жесткого диска) важно учитывать толщину жесткого диска. Наибольшая скорость обмена данными обеспечивается интерфейсом SATA 6 Гбит/с (SATA-III).

Если скорость передачи данных является критичным параметром, то устанавливается SSD-диск (твердотельный накопитель), что позволяет повысить скорость работы с диском до 5 раз в сравнении с жесткими дисками. Однако при высокой стоимости объем SSDдисков небольшой (порядка 128 ГБ), поэтому рекомендуется следующая конфигурация: под кэш операционной системы, загрузочный раздел и системный раздел устанавливается SSD-диск, а под хранение данных --- жесткий диск. На ноутбуках SSD-диск можно установить для повышения быстродействия и энергосбережения, а под данные использовать внешний жесткий диск.

Оперативная память

Оперативная память выбирается по следующим параметрам: тип (определяет разъем и скорость обмена данными), объем и частоту (или скорость передачи данных). Тип оперативной памяти задает диапазон возможных значений объема и частоты. Самая современная (и дешевая) оперативная память имеет тип DDR3 (или PC3).

Обозначение DDR с номером версии и через тире значением указывает частоту памяти в МГц (например, DDR3-1333 означает память DDR третьего поколения, работающую на эффективной частоте 1333 МГц). Обозначение PC с номером версии и через тире значением указывает максимальную пропускную способность в МБ/с (например, PC3-10600 означает скорость передачи данных 10667 МБ/c). Частота (в МГц) умноженная на 8 дает значение скорости (в МБ/с), т.е. DDR3-1333 эквивалентно PC310600.

Если память работает на повышенной частоте (более 1333 МГц), но необходимо обеспечить пассивное или активное охлаждение с помощью специальных радиаторов для оперативной памяти.

Системная плата

Системная плата должна содержать разъем под выбранный процессор и поддерживать выбранные видеокарту, накопители и оперативную память. Если конфигурация требовательна к объему оперативной памяти, то выбирается системная плата с максимально возможным числом разъемов под ОЗУ (современные системные платы имеют 4-6 слотов и поддерживают до 24--32 ГБ). Для офисного компьютера достаточно системной платы с 2 слотами. В зависимости от того, сколько каналов поддерживает процессор, оперативную память рекомендуется устанавливать по два (для двухканальной памяти) или три (для трехканальной памяти) модуля.

Для процессоров со встроенным видеоконтроллером необходимо выбирать системную плату с видеовыходами (D-SUB, DVI или HDMI). При установке дискретной видеокарты дополнительно к интегрированной желательно выбирать системную плату с поддержкой динамического переключения видеоконтроллера.

Системный блок

Системный блок выбирается по форм-фактору системной платы и количеству и типу используемых накопителей. После сборки всех компонент компьютера системный блок должен обеспечивать работу компьютера на максимальной загрузке без перегрева за счет охлаждения (в различные системные блоки можно устанавливать от 0 до 6 вентиляторов, некоторые модели позволяют подводить жидкостное охлаждение).

Блок питания

Мощность блока питания выбирается с учетом наиболее энергоемких элементов ---

процессора и видеокарты. Она не должна быть меньше суммы пикового потребления этих элементов плюс 25–50%. Если предполагается в будущем установка дополнительной видеокарты, то это нужно учитывать заранее при выборе блока питания.

Блок питания должен иметь все необходимые для выбранных компонентов разъемы: для системной платы, накопителей и видеокарты.

Сеть

Как правило, современные системные платы содержат встроенный сетевой контролер LAN, и нет необходимости в дополнительном контроллере. Существуют модели системных плат содержащие встроенные модули WiFi (беспроводная сеть) и BlueTooth (радиомодуль для связи ПК с мобильными устройствами и периферией).

Монитор

Выбор монитора определяется решаемыми задачами. ЭЛТ мониторы обеспечивают высокое разрешение, высокую частоту обновления кадра, корректную цветопередачу, но имеют большие размеры и потребляют больше электроэнергии. ЖК мониторы более компактны (по толщине), имеют меньшее электромагнитное излучение и являются предпочтительными для большинства пользователей.

Основные характеристики ЖК мониторов: диагональ экрана (14--30''), разрешение и соотношение сторон, тип подсветки.

Выбор ноутбука

Основные характеристики ноутбука: процессор, разрешение и диагональ экрана, объем оперативной памяти, тип привода, размер жесткого диска, типы сетевых соединений, набор разъемов, время работы от аккумулятора, вес.

Порядок выполнения работы

1.Изучить внутреннее устройство компьютера, характеристики основных компонент компьютера, организации охлаждения системного блока под руководством преподавателя.

2.Изучить периферийное оборудование.

3.Подготовить конфигурацию компьютера под конкретные задачи согласно варианту.

Варианты заданий

Задание выполняется по варианту группой студентов по 3 человека. Один студент составляет конфигурацию компьютера согласно заданию, второй студент выбирает компоненты для конфигурации, третий студент проверяет совместимость компонентов. После выполнения задания студенты включают выбранную конфигурацию в отчет с объяснением критериев выбора всех компонентов.

Варианты:

1.Неттоп для работы с офисными приложениями (создание и редактирование документов и электронных таблиц), просмотра почты и страниц в сети Интернет, просмотра видео и прослушивания музыки.

2.Офисный компьютер. Работа с офисными приложениями (создание и редактирование документов, электронных таблиц и презентаций; работа с системой управления базами данных), электронная почта и Интернет.

3.Домашний компьютер. Просмотр веб-сайтов в сети Интернет, использование программ для обмена мгновенными сообщениями, IP-телефония, нересурсоемкие компьютерные игры, просмотр видео и прослушивание музыки.

4.Мультимедиа-центр. Кодирование видео и аудио.

5.Компьютер для работы и учебы. Офисные пакеты, работа с файлами, параллельное программирование, работа с базами данных, работа с графикой, ежедневное резервное копирование.

6.Высокопроизводительные ресурсоемкие вычисления. Использование инженерных пакетов, системы автоматизации разработки, использование математических пакетов, проведение научных расчетов с помощью программ, использующих параллельные алгоритмы для CPU и GPU.

Контрольные вопросы

1.Что такое архитектура компьютера? Какие основные виды архитектуры существуют и где они используются?

2.Что такое структура компьютера?

3.Назвать виды системных блоков и их основные характеристики.

4.Назвать основные характеристики блока питания.

5.Что такое системная плата и магистральный принцип организации компьютера?

6.Назвать и показать основные компоненты и разъемы системной платы.

7.Отличия ОЗУ и ПЗУ. Назвать другие виды памяти.

8.Виды и основные характеристики накопителей.

9.Внешние устройства ввода и вывода.

10.Сетевое оборудование.

11.Организация охлаждения системного блока.

12.Критерии выбора конфигурации компьютера под конкретные задачи.