Устройство персонального компьютера

Одним из революционных достижений в области вычислительной техники явилось создание персональных компьютеров. Большие ЭВМ были отделены от массового пользователя, с ними работали только специалисты.

Согласно легенде современный ПК появился в 1975 в гараже долины Санта Клер (США). Именно там Стив Джобс и Стив Возняк построили свой первый ПК Apple. В качестве начального капитала они использовали выручку от продажи автомобиля. На рынке первые ПК Apple появились в 1977 году. В 1981 году фирма IBM выпустила более удачную модель, которая за короткое время стала эталоном для ПК. Особенности ПК:

1. низкая стоимость;

2. малые габариты;

3. возможность использования непрофессиональным пользователем;

4. большое количество программного обеспечения для непрофессиональных пользователей.

Все это и привело к тому, что за очень короткое время ПК стали основным инструментом для обработки информации.

Конфигурация пк

При построении ПК основным принципом является принцип модульности. Модулями называются отдельные устройства компьютера, рассчитанные на выполнение отдельных функций и имеющие стандартные средства сопряжения (подключения). Таким образом, ПК складываются из модулей как из кубиков. Его конфигурацию легко наращивать и изменять добавляя новые модули или заменяя ранее установленные .

Конфигурация ПК – это конкретный набор модулей, из которых состоит данный компьютер.

Минимальная конфигурация ПК включает в себя три элемента:

• системный блок;

• дисплей;

• клавиатуру.

Они соединены между собой кабелями. В системном блоке располагаются основные аппаратные компоненты ПК: микропроцессор, память, контроллеры (адаптеры) для подключения различных устройств.

Рис. 3.2. Структурная схема ПК

5.2.1.1. Устройства, расположенные на материнской плате

Микропроцессор – это сверхбольшая интегральная схема, созданная в едином полупроводниковом кристалле с применением полупроводниковой технологии. Микропроцессор характеризуется тактовой частотой, разрядностью, архитектурой.

Тактовая частота – определяется максимальным временем выполнения элементарного действия микропроцессора.

Разрядность – это количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно.

Под архитектурой понимают принципы действия МП, состав и взаимное содержание его узлов.

Наиболее легкодоступные характеристики процессора – это его марка и тактовая частота. Теоретически марка определяет фирму, которая разработала и изготовила МП, а тактовая частота дает оценку его производительности. Если процессор маркирован как Pentium-4 1,6ГГц, то Pentium-4 – это марка процессора, модель Pentium выпускается фирмой Intel. Значение 1,6ГГц – это тактовая частота. Такты – это интервалы времени работы процессора, любая выполняемая операция занимает целое число тактов. При тактовой частоте 1ГГц процессор может менять свое состояние миллиард раз в секунду. Говоря о тактовой частоте процессора, часто употребляется термин внутренняя частота. Процессор устанавливается на материнскую плату, поэтому частота его работы задается извне. Стандартные частоты материнской платы – 66, 100 и 133МГц. Это меньше тактовой частоты МП. Но процессор устроен таким образом, что каждый внешний такт преобразуется в несколько внутренних, в соответствии с заданным коэффициентом умножения. Рост производительности процессоров обеспечивается ростом этого коэффициента.

Наибольшее распространение в России получили ПК платформы IBM PC. Первый ПК эта компания выпустила в 1981 году на базе процессора Intel 8086.

Процессоры разных поколений сначала нумеровались:

Intel 8086 – первый процессор семейства (16-разрядная архитектура, т. е. работал с данными, которые занимают 16 бит),

Intel 80286 - процессор второго поколения (24- разрядная архитектура, в нем был реализован режим защищенной работы, аппаратная поддержка виртуальной памяти, мультизадачность),

Intel 80386 – процессор третьего поколения (первый 32 разрядный процессор),

Intel 80486 – процессор четвертого поколения (первый процессор со встроенным математическим сопроцессором и конвейеризацией вычислений).

Процессор пятого поколения получил собственное имя – Pentium 5 (P5). Это связано с тем, что по американскому законодательству цифровой код или обозначение продукции (как 80486) не может рассматриваться как торговая марка. С появлением этого процессора закончилось прямое копирование процессорных технологий. Сегодня каждый изготовитель процессоров представляет на рынок собственные технологии. Процессоры, которые называются Pentium или Celeron выпускаются фирмой Intel. Модели Celeron имеют более низкую стоимость, и более низкую производительность. Процессоры Athlon и Duron выпускаются компанией AMD. Duron имеют более низкую производительность. Процессоры других марок, кто бы их не выпускал, имеют недостаточную производительность. Они рассматриваются как дешевые решения и рассчитаны на использование в переносных ПК, где основное значение имеет низкое энергопотребление.

Внутренняя память ПК состоит из нескольких разновидностей памяти. Они отличаются друг от друга по объему, быстродействию, стоимости, назначению, энергозависимости. Существование нескольких видов памяти позволяет снять противоречие между высокой стоимостью памяти одного вида и низким быстродействием памяти другого вида.

• Оперативная память – служит для хранения программ и данных для их работ. Она является энергозависимой. Процессор выбирает из ОП данные или команду, обрабатывает их, результаты снова помещает в ОП. На свойства Оп влияют ее объем, ее тип и конструктивный способ ее исполнения.

  • Объем ОП обычно измеряют в мегабайтах. Чем больше объем ОП, тем лучше, т.к. при нехватке ОП реализуется механизм виртуальной памяти, т. е. данные для которых не хватило места в ОП записываются на жесткий диск в, так называемый, файл подкачки. Когда они понадобятся программе, их надо буде поменять с теми данными, которые находятся непосредственно в ОП, а это занимает время.

  • Тип ОП важен, т. к. технология ее изготовления и принципы работы влияют на быстродействие. Чем выше быстродействие ОП, тем меньше время доступа к ней. Быстродействие ОП измеряется в наносекундах (нс). Наносекунда – это одна миллиардная часть секунды. В настоящее время на рынке наиболее широко представлены микросхемы памяти SDRAM. Они обеспечивают время доступа 4-10нс.

  • Конструктивный способ исполнения. Первоначально микросхемы памяти невозможно было заменить, т. е. компьютер отслуживал свой срок с неизменной конфигурацией ОП. Затем был разработан формат, который предусматривал компоновку микросхем памяти в виде модулей, которые легко устанавливались в специальные разъемы материнской платы. Первые такие модули назывались SIMM (Single Inline Memory Module – односторонний модуль памяти). Такие модули появились на ПК с процессором 80486 и продолжали использоваться с процессором Pentium. Затем они были вытеснены модулями DIMM (Dual Inline Memory Module – двусторонний модуль памяти). Они могут поддерживать больший объем более скоростной памяти. Этот тип памяти используется и в настоящее время, хотя он вытесняется модулями памяти DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM – двойная скорость передачи данных). Стоимость модулей этого типа ненамного выше, чем DIMM. Памятью такого типа также оснащены практически все видеоадаптеры. Существует еще один стандарт памяти DRDRAM (Direct Rambus DRAM – прямая шина памяти) которая обеспечивает обращение к памяти в 4 раза больше, чем частота материнской платы. Но эти микросхемы дороже, поэтому используются в основном модули памяти DDR SDRAM.

• ПЗУ – хранит тестирующие и загрузочные программы, которые начинают работать сразу же после включения ПК. Кроме них в ПЗУ хранятся драйверы стандартных внешних устройств, которые образуют BIOS. Драйвер – это программа, которая управляет ВУ. У каждого ВУ – свой драйвер. ПЗУ – энергонезависимая память. До недавнего времени она реализовывалась как микросхема, которую нельзя изменить программно (ROM – Read Only Memory). В настоящее время появилась FLASH память. Это память с электрическим способом стирания и записи информации. Такую память можно перепрограммировать, используя специальное программное обеспечение.

• КЭШ память – это высокоскоростная память, в которой хранятся копии недавно используемых данных из основной памяти. Если программ повторно выполняет эти же инструкции или модифицирует те же числа, а в большинстве случаев так и бывает, КЭШ повышает быстродействие. Современные ПК могут иметь несколько уровней КЭШ. Один находится внутри процессора, а 2 других на материнской плате. КЭШ первого и второго уровня работает на частоте процессора, КЭШ третьего уровня работает на частоте материнской платы. Современный процессор, как правило, содержит 256-512 Кбайт КЭШ памяти.

• Энергозависимая память CMOS - КМОП (Complementary Metal Oxide Semiconductor) – служит для запоминания конфигурации компьютера (текущего времени, даты, выбранного текущего диска и т. д.). Это маленькая память (64К), которая не может терять свою информацию. Для непрерывной работы этой памяти на материнской плате устанавливается специальная батарея питания или аккумулятор.

Контроллеры - служат для управления внешними устройствами. Каждому ВУ соответствует свой контроллер. После получения команды от МП каждый контроллер функционирует автономно и освобождает процессор от выполнения функций, характерных для управления соответствующим ВУ. Контроллеры используются для устройств быстрого обмена данными. Для ускорения обмена информацией между ОП и ВУ используется прямой доступ к памяти, когда контроллер, получив сигнал запроса о ВУ принимает управление обменом данными на себя, минуя процессор. Процессор в это время продолжает выполнять текущую программу.

Порты ввода-вывода – служат для обмена информацией с не очень быстрыми устройствами: мышь, принтер, модем. Порты бывают параллельными и последовательными. Последовательный порт ведет побитный обмен информацией, параллельный побайтный. Принтер подключается к параллельному, а модем к последовательному порту. Информация, поступающая через порт сначала направляется в МП, а потом в ОП. Так как клавиатура и монитор имеют в ОП выделенные участки памяти, то они подключаются через контроллеры, хотя клавиатура достаточно медленное устройство.