Лекция 1
Устройство персонального компьютера
Содержание
Введение
1. Общие принципы организации и работы компьютера.
2. Основы построения компьютерных систем.
Заключение
Введение
Слово «компьютер» означает «вычислитель», т.е. устройство для вычислений. Персональным компьютером (сокращенно ПК англ. реrsonal сomputer) называют небольшую ЭВМ, ориентированную на неспециалиста в вычислительной технике.
До появления персональных компьютеров инженеры, ученые, экономисты, представители других профессий общались с ЭВМ только с помощью посредников - инженеров-системотехников и программистов, поскольку работа на ЭВМ старых типов требовала специальной подготовки. С появлением персональных ЭВМ необходимость в таком посредничестве отпала, так как процесс общения с ЭВМ значительно упростился. Кроме того, произошло снижение их стоимости. В связи с этим, персональные компьютеры стали такими же привычными на рабочих местах инженеров, ученых, секретарей и менеджеров как, например, телефоны.
Общие принципы организации и работы компьютера
С давних времен люди стремились облегчить свой труд. С этой целью создавались различные машины и механизмы, усиливающие физические возможности человека. Компьютер был изобретен в середине XX века для усиления возможностей интеллектуальной работы человека, т.е. работы с информацией.
Из истории науки и техники известно, что идеи многих изобретений человек подглядел в природе. Например, еще в XV веке великий итальянский ученый и художник Леонардо да Винчи изучал строение тел птиц и использовал эти знания для конструирования летательных аппаратов. Русский ученый Н.Е. Жуковский, основоположник науки аэродинамики, также исследовал механизм полета птиц.
А с кого списали компьютер? С самого себя. Только человек постарался передать компьютеру не свои физические, а свои интеллектуальные способности, т.е. возможность работы с информацией.
По своему назначению компьютер — это универсальное техническое средство для работы с информацией.
По принципам своего устройства компьютер — это модель человека, работающего с информацией. Имеются четыре основных компонента информационной функции человека:
прием (ввод) информации;
запоминание информации (память);
процесс мышления (обработка информации);
передача (вывод) информации.
Компьютер включает в себя устройства, выполняющие эти же функции мыслящего человека:
устройства ввода,
устройства запоминания (память),
устройство обработки (процессор),
устройства вывода.
Работая с информацией, человек пользуется не только теми знаниями, которые помнит, но и книгами, справочниками и другими внешними источниками. У компьютера тоже есть два вида памяти: оперативная (внутренняя) и долговременная (внешняя) память.
Конструктивно эти части могут быть объединены в одном корпусе размером с книгу или же каждая часть может состоять из нескольких достаточно громоздких устройств.
Схема устройства компьютера:
1.1. Принцип действия компьютера
Выдающимся английским математиком и изобретателем Чарльзом Бэббиджем (1792-1871) в Аналитической машине, которая, к сожалению, так и не была до конца построена изобретателем при жизни, но была воспроизведена в наши дни по его чертежам, был реализован принцип разделения информации на команды и данные. Аналитическая машина содержала 2 крупных узла – «склад» и «мельницу». Данные вводились в механическую память «склада» путем установки блоков шестерен, а потом обрабатывалась в «мельнице» с использованием команд, которые вводились с перфорированных карт.
Идея Чарльза Бэббиджа о раздельном рассмотрении команд и данных оказалась необычайно плодотворной. В ХХ в. она была развита в принципах Джона фон Неймана (1941 г.), и сегодня в вычислительной технике принцип раздельного рассмотрения программ и данных имеет очень важное значение. Он учитывается и при разработке архитектур современных компьютеров, и при разработке компьютерных программ.
Возможность представления любых чисел (да и не только чисел) двоичными цифрами впервые была предложена Готфридом Вильгельмом Лейбницем в 1966 году. Попытка представить мироздание в виде непрерывного взаимодействия двух начал («черного» и «белого», «мужского» и «женского», добра и зла) и применить к его изучению методы «чистой» математики подтолкнули Лейбница к изучению свойств двоичного представления данных с помощью нулей и единиц.
Принципы фон Неймана
1. Принцип двоичного кодирования. Это означает, что вся информация в компьютере передается и хранится в двоичном виде.
2. Принцип программного управления. Тут речь идет о том, что программа представляет собой набор команд, которые процессор выполняет автоматически и в определенной последовательности.
3. Принцип однородности памяти. Разнотипная информация различается по способу использования, а не по способу кодирования.
4. Принцип адресности. Информация размещается в ячейках памяти, которые имеют точный адрес. Зная адрес, ЦП может получить доступ к нужной информации в любой момент времени.
В 1949 г. английским исследователем Морисом Уилксом был построен первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана.
В основе любого современного компьютера лежит тактовый генератор, вырабатывающий через равные интервалы временны электрические сигналы, которые используются для приведения в действие всех устройств компьютерной системы. Управление компьютером фактически сводится к управлению распределением сигналов между устройствами. Такое управление может производиться автоматически (в этом случае говорят о программном управлении) или вручную с помощью внешних органов управления – кнопок, переключателей, перемычек и т.п. (в ранних моделях). В современных компьютерах внешнее управление в значительной степени автоматизировано с помощью специальных аппаратно-логических интерфейсов, к которым подключаются устройства управления и ввода данных (клавиатура, мышь, джойстик и другие). В отличие от программного управления такое управление называется интерактивным.
1.2. Типы современных ЭВМ и их классификация
По принципу применения компьютера различают СуперЭВМ, большие ЭВМ, мини-ЭВМ, микро-ЭВМ, персональные компьютеры, которые, в свою очередь, подразделяются на массовые, деловые, портативные, развлекательные и рабочие станции.
1. СуперЭВМ – это самые мощные компьютеры, предназначены для решения громоздких задач в военном деле, экономике, космонавтике, метеорологии и пр. Это очень сложные и дорогие машины. Лучшие ПЭВМ по производительности примерно в 100 тыс. раз слабее суперЭВМ.
В мае 2005 года установлен новый рекорд быстродействия для компьютера. СуперЭВМ IBM BlueGene/L в Lawrence Livermore National Laboratory достиг на тесте Linpack производительности 135.3 Tflop/s(135 триллионов операций в секунду над числами с плавающей запятой). Компьютер предназначается для моделирования ядерных взрывов и обеспечения интересов национальной безопасности США.
Родоначальником производства суперкомпьютеров считается американская компания Cray Research.
Серийно суперЭВМ производятся только в Японии и США. В России их делают в единичных экземплярах и по производительности они сильно отстают от лидеров.
2. Мэйнфреймы или большие вычислительные комплексы (БВК). Ориентировочные данные подобных ЭВМ: быстродействие до 5 млн опер./с; объем ОЗУ до 8 Мбайт; занимаемая площадь от 50 до 200 м2;
Мэйнфрейм начала XXI века — это 1 или 2 стойки высотой по 2 м и весом по 1 т каждая.
Область применения БВК — решение особо ответственных задач в военной, финансовой и прочих сферах — там, где требуется исключительная надежность работы. От суперЭВМ мэйнфреймы отличаются прежде всего огромным количеством пользователей и более отказоустойчивой работой.
В них используются все известные средства повышения производительности и надежности вычислительных систем. Поэтому сравнивать БВК даже десятилетней давности с современным ПЭВМ только по производительности и объему ОЗУ сложно. Стоимость современных серийно выпускаемых мэйнфреймов исчисляется миллионами долларов за 1 штуку. Но в крупных организациях применение БВК экономически более оправдано, чем применение сетей ПК, так как их обслуживание значительно дешевле. К сожалению, дипломированных специалистов по мэйнфреймам в России не готовят, хотя БВК используются практически в каждом крупном городе. И, конечно, мэйнфреймы у нас не разрабатываются и не производятся.
В настоящее время около 70% деловой информации в мире хранится на мэйнфреймах.
3. Мини-ЭВМ – от больших отличаются уменьшенными размерами, меньшей производительностью и стоимостью. Ранее они использовались в небольших организациях для решения сравнительно небольших задач. Примерные данные их: быстродействие до 1,5 млн операций в секунду (MIPS). Для организации работы с мини-ЭВМ тоже требунтся специальный вычислительный центр, хотя и не такой многочисленный, как для больших ЭВМ- занимаемая площадь до 30 м².
Они находят применение, например, в банковской сфере, в качестве серверов (центральных ЭВМ) высоко надежных локальных вычислительных сетей с числом рабочих станций до 300. Используются крупными предприятиями, научными учреждениями и некоторыми вузами, сочетающими учебную деятельность с научной.
Мини ЭВМ часто применяют для управления производственными процессами, например, в механическом цехе компьютер может поддерживать ритмичность подачи заготовок, узлов и комплектующих на рабочее место; управлять автоматизированными линиями и промышленными роботами; своевременно информировать цеховые и заводские службы о необходимости выполнения мероприятий по переналадке оборудования и т.д.
4. Рабочие станции — это младшие модели супер-ЭВМ, их производительность выше, чем у самых мощных ПК. Чаще всего это однопользовательские компьютеры. Применяются рабочие станции в студиях анимации, при разработках в системах автоматизированного проектирования.
Приведем короткое описание настольной рабочей станции HP с8000. Содержит 2 или 4 процессора, поддерживает лучшие графические адаптеры совместимость на уровне двоичных кодов с приложениями HP-UX 10.20, HP-UX 11.0 и HP-UX Hi. Стандартной является 2-процессорная архитектура (РА-8800 900 МГц и 1 ГГц с технологией Dual Core), а 4-процес-сорная система ориентирована на работу с ресурсоемкими приложениями, в том числе графическими. HP c8000 поддерживает 16 ГБ высокопроизводительной памяти SDRAM с функцией обнаружения и исправления ошибок (ЕСС), что позволяет справляться с самой большой нагрузкой без ущерба для качества и стабильности. Модули DIMM 4 ГБ следующего поколения позволяют увеличить объем памяти до 32 ГБ.
5. Микро-ЭВМ. Компьютеры данного класса доступны многим предприятиям. Создание вычислительных центров не требуется, достаточно небольшой лаборатории в составе нескольких человек. Программисты вычислительной лаборатории занимаются внедрением приобретенного или заказного программного обеспечения, выполняют его доводку и настройку, согласовывают его работу с другими программами и устройствами компьютера.
6. Персональные ЭВМ (ПЭВМ, ПК). Обладая большими возможностями, они вытеснили мэйнфреймы и мини-ЭВМ из многих областей деятельности. И действительно, их возможности велики: производительность — более 1 млн опер./с (тактовая частота может превышать 3600 МГц); объем ОЗУ 1 Гбайт; объем винчестера — 300 Гбайт.
7. Карманные персональные компьютеры (0,5—0,1 кг) — КПК имеют в виде своей более простой разновидности электронные записные книжки (они позволяют только записывать и читать текст). Эти ЭВМ отличаются от ПК не только размерами, но и тем, что формат данных, применяемый в них, не совместим с ПК. В них используются собственные операционные системы.
8. Смартфоны (умные телефоны) можно условно выделить в отдельный тип ЭВМ, так как у них огромные перспективы. Эти устройства являются гибридами сотовых телефонов и карманных персональных компьютеров (КПК). Для примера рассмотрим некоторые характеристики одного из популярных коммуникаторов.