35, 36. Персональные компьютеры

Базовую конфигурацию персонального компьютера составляют: системный блок, монитор, клавиатура, мышь. Системный блок – это основной узел компьютера, в его составе: материнская плата, накопитель на жестком диске, дисковод гибких дисков, дисковод компакт-дисков, видеокарта, звуковая карта. Наматеринской (иначе говоря, главной или системной) плате (Motherboard) располагаются следующие основные элементы:

- процессор – основная микросхема, выполняющая большую часть математических и логических операций;

- оперативная память (оперативное запоминающее устройство);

- постоянное запоминающее устройство;

- кэш-память, содержащая данные, необходимые для работы процессора в первую очередь и имеющая, по сравнению с оперативной памятью, меньшее время доступа;

- шинные интерфейсы.

Процессор (CPU – Central Processing Unit) – центральный арифметико-логический блок, который управляет вычислениями, программами и устройствами. Информация, располагающаяся в ячейках процессора, может рассматриваться как команды, как данные и как адресные данные. Важнейшие характеристики процессора: тактовая частота, разрядность, рабочее напряжение. В основе работы процессора лежит тактовый принцип, исполнение каждой команды занимает несколько тактов. Тактовые сигналы процессор получает от специальной микросхемы (тактового генератоа), которая входит в микропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате. Для различных процессоров тактовые частоты составляют от нескольких десятков Мгц до нескольких Ггц.

Разрядность процессора - количество бит, которое может обрабатываться процессором одновременно (за один такт). Современные процессоры обычно 32, 64 или 128-разрядные.

Степень интеграции чипа – плотность расположения транзисторов на площади кристалла, составляет несколько миллионов и даже несколько десятков миллионов транзисторов при площади кристалла ориентировочно в 100 – 300 мм².

Рабочее напряжение процессора в настоящее время составляет менее 2 В. Понижение рабочего напряжения позволяет, с одной стороны, уменьшить расстояние между структурными элементами в кристалле процессора без угрозы электрического пробоя, а с другой – понизить тепловыделение и значит увеличить производительность без риска перегрева.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM – Random Access Memory), иначе говоря, оперативная память или память с произвольной выборкой, - используется для хранения переменной информации для процессора и других устройств. При запуске системы или прикладной программы происходит загрузка данных из постоянной памяти в оперативную. Величина оперативной памяти определяет размер и число программ, которые могут выполняться одновременно. ОЗУ состоит из модулей – однорядных (SIMM) или двухрядных (DIMM). SIMM-модули имеют объемы 4, 8, 26, 32 Мбайта, DIMM-модули – объемами 16, 32, 64, 128 Мбайт. Для массовых моделей компьютеров размер ОЗУ составляет в настоящее время 128 – 256 Мбайт.

Время доступа к ОЗУ для SIMM-модулей составляет 50 – 70 нс, для DIMM-модулей – 7 – 10 нс. Важное свойство ОЗУ – зависимость от внешнего источника питания: при выключении энергопитания компьютера данные, содержащиеся в ОЗУ, теряются.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ или ROM – Read Only Memory) представляет собой микросхему, способную хранить информацию длительное время, в том числе при выключенном питании компьютера. Программы записывают («зашивают») в ПЗУ в процессе его изготовления. В ПЗУ записываются программы базовой системы ввода-вывода, которые проверяют состав и работоспособность вычислительной системы, обеспечивают взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков.

Кэш-память (Cache) – дорогостоящая сверхоперативная память, располагаемая внутри процессора и используемая для уменьшения количества обращений к оперативной памяти, а значит, увеличения производительности компьютера. Кэш-память, в зависимости от ее вида, реализуется в кристалле процессора или располагается на материнской плате, имеет объем от нескольких десятков Кбайт до нескольких Мбайт и работает на частоте процессора или на более низкой частоте материнской платы.

Накопитель на жестком диске (винчестер или HDD – Hard Disk Drive) это устройство, предназначенное для длительного хранения больших объемов информации – данных и программ. Физически это устройство представляет собой несколько соосных пластин (дисков), которые вращаются с высокой скоростью. Каждая из указанных пластин имеет две рабочие поверхности с магнитным покрытием. Над рабочей поверхностью располагается головка для чтения-записи данных. При вращении диска головка «парит» над рабочей поверхностью на высоте в несколько тысячных долей миллиметра, поскольку между нею и поверхностью образуется аэродинамическая подушка. Емкость каждой пластины современных жестких дисков достигает 6,4 Гбайт, при теоретическом пределе существующей технологии изготовления 20 Гбайт. Производительность жесткого диска зависит, главным образом, от характеристик интерфейса, связывающего его с материнской платой, и составляет от нескольких Мбайт/с до 60 Мбайт/с. Жесткий диск весьма чувствителен к ударам и перегрузкам.

Шинные интерфейсы материнской платы – наборы проводников, которые связывают устройства системного блока между собой и позволяют подключать другие устройства через стандартные разъемы (слоты). От типа применяемой шины зависит пропускная способность материнской платы. Одна из наиболее популярных в настоящее время – технология USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная магистраль). Шина USB позволяет подключить до 256 устройств, максимальная длина кабеля – до 5 м, имеет производительность до 480 Мбит/с, что является достаточным для таких низкоскоростных устройств, как клавиатура, мышь, модем, джойстик. Дает возможность подключать оборудование в «горячем режиме», т.е. без предварительного отключения компьютера, а также формировать локальную сеть, но не более, чем из 16 компьютеров.

Дисковод гибких дисков (FDD – Floppy Disk Drive) предназначен для считывания и записи информации на дискеты (гибкие магнитные диски). Дисковод может быть встроен в системный блок или выполнен в виде отдельного устройства. Дискеты используются в качестве резервного (временного) средства хранения, а также для транспортировки информации. Это малонадежные носители информации, чувствительные к пыли, влаге, температурным перепадам, внешним электромагнитным полям. Современные дискеты имеют размер 3,5 дюйма и емкость 1,4 Мбайт.

Дисковод компакт-дисков - применяется для считывания и записи информации на компакт-диски. Запись и считывание информации на таких дисках осуществляется с помощью лазерного луча в инфракрасном диапазоне (780 нм). Стандартный диск имеет емкость 600-900 Мбайт. Срок хранения информации на дисках, по имеющимся оценкам, превышает 30 лет. Благодаря большой емкости лазерные диски используются для хранения мультимедийной информации (текст, графика, музыка, видео). Скорость чтения данных для дисковода компакт-дисков измеряется в кратных долях. В качестве исходной единицы принята скорость, характерная для первых серийных образцов, - 150 Кбайт/с. Современные устройства имеют производительность 4х, … 32х, т.е. от 600 Кбайт/с до 4,8 Мбайт/с и выше. Широкое распространение этих устройств обусловлено их низкой стоимостью и большой емкостью.

Основные разновидности дисководов компакт-дисков оперируют с CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD дисками. Существуют и различного рода комбинированные устройства, записывающие и читающие DVD-R и CD-RW диски. Практически все программные продукты сейчас поставляются на дисках CD-ROM. Дисководы CD-R позволяют осуществлять запись компакт-дисков. Дисководы CD-RW дают возможность многократно (не менее 1000 раз) записывать и стирать информацию.

DVD (Digital Versatible Disk – цифровой много целевой диск) при тех же размерах, что и обычный компакт-диск, вмещает до 17 Гбайт, при этом используется лазерный луч красного диапазона – 650 и 635 нм. Увеличение емкости диска и скорости чтения достигнуто за счет уменьшению в два раза размера элементов данных – лунок на поверхности диска, считываемых лазером. Алгоритмы сжатия информации отвечают стандартам, устанавливающим значительно более высокие требования к качеству изображения и звука, близкие к студийным форматам. Недостаток – высокая стоимость как дисководов, так и носителей DVD. В определенном смысле катализатором распространения DVD являются новые технологии мультимедиа, которые требуют все больше места для хранения информации и все более широко используются практически во всех сферах бизнеса и развлечений.

Видеокарта (видеоадаптер) – дочерняя плата, на которую возложено выполнение всех функций, связанных с управлением экраном (видеоконтроллера, видеопроцессора, видеопамяти), подключается к материнской плате. Основным параметром видеокарты является обеспечиваемое ею разрешение экрана (до 16,7 миллионов цветов). Для каждого размера экрана существует соответствующее оптимальное разрешение экрана. Применение заниженного разрешения имеет своим следствием увеличение элементов изображения, однако их количество на экране недостаточно для эффективной работы. Использование завышенного разрешения на экране малого размера вызывает быстрое утомление зрения. Большая часть современных прикладных и развлекательных программ предполагает работу с разрешением экрана 800 х 600 точек, поэтому наиболее распространенный размер экрана – 15 дюймов. Объем видеопамяти составляет обычно 16 Мбайт. Видеоускорение означает, что часть операций, связанных с построением изображений, осуществляется аппаратно – на микросхемах видеускорителя, а не за счет математических вычислений, выполняемых основным процессором.

Звуковая карта – дочерняя плата, выполняющая операции, связанные с обработкой речи, звука, музыки. Специальный разъем позволяет подключить микрофон. Разрядность звуковой карты определяет количество бит, используемых при оцифровке, т.е. переводе сигнала из аналоговой формы в цифровую. Более высокая разрядность уменьшает погрешности, связанные с оцифровкой. Наиболее распространены 32 и 64-разрядные звуковые карты.

Монитор – первичное устройство вывода информации, обеспечивающее визуальное представление данных. Это один из наиболее дорогостоящих компонентов компьютерной системы. Важнейшие требования к монитору: устойчивость изображения, безопасность работы пользователя, небольшое потребление энергии. Основной параметр – размер изображения по диагонали в дюймах. Стандартными являются размеры 14″, 15″, 17″, 19″, 20″, 21″. Разрешениемонитора составляет от 640х480 до 1800х1440 пикселей. Частота смены изображения (регенерации) (частота кадров) показывает, сколько раз в течение секунды монитор может полностью изменить изображение. Минимальным считается частота 75 Гц (изображение воспринимается человеческим глазом как устойчивое), нормативным – 85 Гц, комфортным – 100 Гц и более.

Современные мониторы являются жидкокристаллическими. По сравнения с мониторами на базе электронно-лучевой трубкой они имеют следующие преимущества: высокую четкость изображения, отсутствие геометрических искажений, дрожания и мерцания, меньшую вероятность появления бликов, малые габариты и вес, пониженное энергопотребление.

Характеристика клавиатуры и мыши даны в параграфе 7.5. «Периферийные устройства».

Суперкомпьютеры

В настоящее время в самых разных областях использования вычислительной техники самым критичным является моделирование процессов, которое ведется для изучения параметров вычислений от точки к точке в условиях внешнего воздействия в течение времени. Любая область пространства содержит бесконечное число точек, поэтому для полного описания материальной среды в общем случае необходимо бесконечное число данных. Рассматривая среду как сетку, состоящую из конечного множества узлов (точек), равномерно распределенных по всей исследуемой области, исследователи концентрируют внимание на изменении параметров среды только в узлах сетки. Чтобы получить более точное решение, необходимо уменьшать ячейки сетки, иначе говоря, увеличивать точность, а значит, и объем вычислений.

Качество моделирования зависит от степени адекватности модели соответствующему фрагменту действительности, качества компьютерной программы, а также производительности вычислительной системы. Для некоторых приложений, где велика размерность модели, ключевое значение приобретает производительность вычислительной системы.

Производительность компьютера определяется, главным образом, его элементной базой и его архитектурой – логической организацией в представлении программиста. Архитектура суперкомпьютера позволяет параллельно (одновременно) выполнять похожие операции. Производительность суперкомпьютера может повышаться также вследствие углубления специализации входящих в его состав процессоров. Рост производительности суперкомпьютеров сдерживает, с одной стороны, ограниченность возможности разбиения данных для одновременного выполнения вычислений на потоке, а с другой – стоимость процессоров, используемых для параллельной обработки данных. Дело в том, что стоимость суперкомпьютера растет линейно с увеличением количества простых процессоров, тогда как его производительность повышается гораздо медленнее в связи с возрастанием количества связей и невозможностью эффективно использовать все процессоры.

Производительность современных суперкомпьютеров измеряется в мегафлопах – миллионах операций с «плавающей точкой» в секунду, гигафлопах – миллиардах операций (Гфлоп), а иногда и в терафлопах - триллионах операций (Тфлоп). «Плавающая точка» относится к двоичному представлению чисел, которые записываются в виде произведения, где один множитель имеет величину между 0,1 и 1, а другой – является степенью числа 10. Так, число 17000000 записывается как 0,17х10. Основные характеристики суперкомпьютеров: максимальная реально достигаемая производительность и теоретически возможная пиковая производительность. Их стоимость колеблется в зависимости от технических характеристик и фирмы-производителя от нескольких тысяч до десятков миллионов долларов США.

Кластерная система – это объединение компьютеров, которое выступает как единое целое для операционной системы, системного программного обеспечения, прикладных программ и пользователей. Преимуществами кластерной системы является, во-первых, минимальная стоимость создания и эксплуатации - более низкая, чем у суперкомпьютеров. Во вторых, - возможность мгновенного перехода с вышедшего из строя узла на другой, исправный узел, т.е. высокая отказоустойчивость.

Кластерные системы позволяют эффективно реализовывать технологии параллельных баз данных, когда большое количество одновременно работающих процессоров разделяет доступ к одной базе данных. Это весьма актуально для предприятий с непрерывным циклом производства.

Области применения суперкомпьютеров и кластерных систем следующие: метеорология, аэродинамика, сейсмология, военные исследования, атомная и ядерная физика, физика плазмы, математическое моделирование сплошных сред. С их помощью моделируются испытания на прочность, гидравлические процессы, электромагнитные поля, осуществляются химические и иные расчеты. Подчеркнем, что ключевое значение для эффективного использования компьютеров имеет качество отражения реальности математической моделью, на основе которой производятся вычисления.

В качестве примера приведем один и наиболее мощных в мире суперкомпьютер NEC EARTH Simulator, применяемый для прогнозирования природных катаклизмов и моделирования погодных условий. Он имеет размеры с трехэтажный дом. Исследования проводятся «Научным и технологическим центром моря» (г. Канагава, Япония). Производителем компьютера является компания NEC. Данный суперкомпьютер состоит из 640 узлов, каждый из которых включает в себя 8 специализированных процессоров NEC Vector. Его реально достигаемая производительность превышает 35 Тфлоп.³⁸