Устройства персонального компьютера

В основе компьютеров классической архитектуры лежит магистрально-модульный принцип. Согласно последнему ПК строится из набора устройств и блоков-модулей. Каждый модуль реализует какую-либо законченную функцию и обладает свойством независимости от других модулей. Модули объединяются в необходимую конфигурацию ПК (компьютер, как сборный конструктор, комплектуется из отдельных модулей, представляющих логические узлы компьютера). Соединение модулей производят с помощью шин (электрических цепей) для передачи по ним сигналов (отдельные модули соединены с процессором общей системной шиной - магистралью). Совокупность шин, связывающих два модуля, и алгоритм, определяющий порядок обмена информацией между ними, называется интерфейсом (interface от inter - между, и face - лицо). Компьютерный интерфейс -это совокупность стандартных физических, программных и конструктивных средств, обеспечивающих объединение различных компьютерных компонентов в единую систему.Физические средства обеспечивают совместимость амплитудных и временных параметров электрических сигналов. Программные средства обеспечивают логические правила и форматы обмена данными. Конструктивные средства– это, главным образом, типы разъемов, обеспечивающих электрическую стыковку компонентов, а также стандарты на габаритно-установочные размеры. Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру (микропроцессор, постоянная и оперативная память, кэш-память, интерфейсные схемы шин и др.), размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской, и которая является основной в системном блоке.

Процессор (CPU) – это функционально законченное программно-управляемое устройство обработки информации (выполненное в виде одной или нескольких больших или сверхбольших интегральных схем), центральная часть ПК, предназначенная для управления работой всех блоков машины. В состав микропроцессора входят:

· устройство управления (УУ) - формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления, обусловленные спецификой выполняемой операции, а также формирует адреса ячеек памяти и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ;

· арифметико-логическое устройство (АЛУ) - предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор);

· микропроцессорная память (МПП) - служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях (обеспечивает высокое быстродействие машины);

· регистры - применяются для хранения различных адресов, признаков результатов выполнения операций, режимов работы ПК и др.;

· кэш-память - высокоскоростная память, позволяющая увеличить скорость выполнения операций;

· интерфейсная система микропроцессора - реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК (включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной).

Количество фирм, разрабатывающих и производящих процессоры для IBM-совместимых компьютеров, невелико. В настоящее время известны: Intel, Cyrix, AMD и др.

Производительность CPU характеризуется следующими основными параметрами:

Степень интеграции микросхемы показывает, сколько транзисторов (самый простой элемент любой микросхемы) может поместиться на единице площади. Для процессора Pentium Intel эта величина составляет приблизительно 3 млн. на 3,5 кв.см, у Pentium Pro – 5 млн.

Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет за одну секунду (измеряется в МГц). Тактовая частота определяет быстродействие процессора.

Для процессора различают внутреннюю (собственную) тактовую частоту процессора (с таким быстродействием могут выполняться внутренние простейшие операции) и внешнюю (определяет скорость передачи данных по внешней шине).

Внутренняя разрядность процессора определяет, какое количество битов он может обрабатывать одновременно при выполнении арифметических операций (в зависимости от поколения процессоров – от 8 до 32 битов).

Внешняя разрядность процессора определяет сколько битов одновременно он может принимать или передавать во внешние устройства (от 16 до 64 и более в современных процессорах).

Количество адресов ОЗУ, доступное процессору, определяется разрядностью адресной шины.

С бурным развитием мультимедиа-приложений перед разработчиками процессоров возникли проблемы увеличения скорости обработки огромных массивов данных, содержащих графическую, звуковую или видео информацию. В результате возникли дополнительно устанавливаемыеспециальные процессоры DSP, а затем появились разработанные на базе процессоров Pentium так называемые MMX-процессоры (первый из них – Pentium P55C).

Кроме того, к основным характеристикам процессора относят: количество регистров, систему команд, объем кэш-памяти.

В современных персональных компьютерах разных фирм применяются процессоры двух основных архитектур:

· МП типа CISC (Complex Instruction Set Computing) с полным набором команд;

· МП типа RISC (Reduced Instruction Set Computing) с сокращенным набором команд;

Весь ряд процессоров фирмы Intel, устанавливаемых в персональные компьютеры IBM, имеют архитектуру CISC, а процессоры Motorola, используемые фирмой Apple для своих персональных компьютеров, имеют архитектуру RISC. Обе они имеют свои преимущества и недостатки. Так CISC-процессоры имеют обширный набор команд (до 400), из которых программист может выбирать команду, наиболее подходящую в конкретном случае. Недостатком этой архитектуры является то, что большой набор команд усложняет внутреннее устройство управления процессором, увеличивает время исполнения команды на микропрограммном уровне. Команды имеют различную длину и время исполнении.

RISC-архитектура имеет ограниченный набор команд и каждая команда выполняется за один такт работы процессора. Небольшое число команд упрощает устройство управления процессора. К недостаткам RISC-архитектуры можно отнести то, что если требуемой команды в наборе нет, программист вынужден реализовать ее с помощью нескольких команд из имеющегося набора, увеличивая размер программного кода.

Напомним, что ЭВМ может иметь несколько процессоров. Многопроцессорные системы, ориентированные на достижение сверхбольших скоростей работы, содержат десятки или сотни сравнительно простых процессоров с упрощенными блоками управления. Такие вычислительные системы, их специализация на определенном круге задач обеспечивают эффективное распараллеливание вычислений.

Контроллер -высокая скорость обработки информации процессором и медленная работа устройств ввода-вывода (в большинстве своем содержащих механические движущиеся части) породило проблему малоэффективной работы ПК в целом (процессор вынужден простаивать в ожидании информации от внешних устройств). Решением ее было освобождение центрального процессора от функций обмена информацией и передаче их специальным электронным схемам управления работой внешних устройств - контроллерам внешних устройств. Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой соответствующего внешнего устройства по специальным встроенным программам. Применение контроллеров позволило использовать для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ принципиально новое устройство - общую шину, наличие которой позволяет изменить организацию обмена информацией между ОЗУ и внешним устройством. Передача информации протекает под управлением контроллера без использования аппаратно-программных средств центрального процессора. Это, во-первых, повысило эффективность работы ПК в целом и, во-вторых, компьютер, созданный по такой схеме, легко пополнять новыми устройствами. Данное свойство называют открытостью архитектуры. Для пользователя открытая архитектура означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств для своего компьютера в зависимости от круга решаемых задач.

Системная шина - основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой (она, наряду с процессором и запоминающим устройством, во многом определяет производительность работы компьютера). Важнейшими функциональными характеристиками системной шины являются: количество обслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность, т.е. максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит от ее разрядности (есть шины 8-, 16-, 32- и 64-разрядные) и тактовой частоты, на которой шина работает. Системная шина включает в себя:

· кодовую шину данных, содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;

· кодовую шину адреса, включающую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;

· кодовую шину инструкций, содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов) во все блоки машины;

· шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.

Существует несколько стандартов шин: шина PCI (Peripheral Component Interconnect bus), шина USB (Universal Serial BUS), шина SCSI (Small Computer System Interface) для соединения устройств различных классов – памяти, CD-ROM, принтеров, сканеров и т.д.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

1) между микропроцессором и основной памятью;

2) между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

3) между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему - контроллер шины, формирующий основные сигналы управления.

Основная память (ОП) - предназначена для хранения и оперативного обмена информацией со всеми блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство - ПЗУ (ROM – Read Only Memory) и оперативное запоминающее устройство - ОЗУ (RAM - Random Access Memory - память с произвольным доступом). ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию. ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка ОЗУ следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость). Объем ОЗУ обычно составляет от 32 до 512 Мбайт, но иногда для сложных задач компьютерного дизайна могут потребовать от 512 Мбайт до 2 Гбайт ОЗУ. Основная память имеет для ОЗУ и ПЗУ единое адресное пространство.

В настоящее время в качестве оперативной памяти используются модули DIMM, RIMM, SO-DIMM и SO-RIMM. Все они имеют разное количество контактов. Модули SIMM сейчас встречаются только в старых моделях материнских плат, а им на смену пришли 168-контактные DIMM. Модули SO-DIMM и SO-RIMM, имеющие меньшее количество контактов, чем стандартные DIMM и RIMM, широко используются в портативных устройствах.

И, тем не менее, скорость работы ОЗУ ниже, чем быстродействие процессора, поэтому применяются различные методы для повышения ее производительности. Для уменьшения влияния времени обращения процессора к ОЗУ и увеличения производительности компьютера дополнительно устанавливается сверхбыстродействующая буферная память, которая называется кэш-памятью.

КЭШ-память - представляет собой небольшой блок быстродействующей, но дорогой памяти, которая располагается как бы «между» процессором и оперативной памятью. Запись в кэш-память осуществляется параллельно с запросом процессора к ОЗУ. Данные, выбираемые процессором, одновременно копируются и в кэш-память. Если процессор повторно обратиться к тем же данным, то они будут считаны уже из кэш-памяти. Такая же операция происходит и при записи процессором данных в память. Они записываются в кэш-память, а затем в интервалы, когда шина свободна, переписываются в ОЗУ. Проще говоря, при обращении процессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в КЭШ-памяти. Поскольку время доступа к ней в несколько раз меньше, чем к обычной памяти (а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные содержатся в КЭШ-памяти), среднее время доступа к памяти уменьшается. Управление записью и считыванием данных в кэш-память выполняется автоматически. Когда кэш-память полностью заполняется, то для записи последующих данных устройство управления кэш-памяти по специальному алгоритму автоматически удаляет данные, которые реже всего использовались процессором на текущий момент. Использование процессором кэш-памяти увеличивает производительность процессора.

Современные процессоры имеют встроенную кэш-память, которая находится внутри процессора, кроме этого есть кэш-память и на системной плате. Чтобы их различать, кэш-память делится на уровни. На кристалле самого процессора находится кэш-память первого уровня, она имеет объем порядка 16-128 Кбайт и самую высокую скорость обмена данными. В корпусе процессора, но на отдельном кристалле находится кэш-память второго уровня, которая имеет объем порядка 256 Кбайт – 4 Мбайт. И, наконец, кэш-память третьего уровня, расположена на системной плате, ее объем может составлять 2-24 Мбайт. Заметим, что обмен данными с последней происходит не на внутренней частоте МП, а на частоте тактового генератора, которая обычно в 2 - 3 раза ниже, что снижает общее быстродействие компьютера.

Внешняя память - относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач (целостность её содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер). В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, но наиболее распространенными, имеющимися практически на любом компьютере, являются накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках. Назначение этих накопителей - хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. В качестве устройств внешней памяти используются также запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте, накопители на оптических дисках и др.

Внешние запоминающие устройства весьма разнообразны. Их можно классифицировать по целому ряду признаков: по виду носителя, типу конструкции, по принципу записи и считывания информации, методу доступа и т.д. В зависимости от типа носителя все ВЗУ можно подразделить на дисковые накопители и накопители на магнитной ленте. Накопители на дисках бывают:

· накопители на гибких магнитных дисках (флоппи-диски);

· накопители на жестких магнитных дисках типа «винчестер»;

Магнитная запись в качестве запоминающей среды использует магнитные материалы со специальными свойствами (с прямоугольной петлей гистерезиса), позволяющими фиксировать два магнитных состояния - два направления намагниченности. Каждому из этих состояний соответствуют двоичные цифры: 0 и 1.

Исторически первыми магнитными носителями в машинах 1 и 2 поколения были магнитные ленты (цифровые магнитофоны) и магнитные барабаны. Цифровой магнитофон представлял собой обычный многоголовочный магнитофон, записывающий на широкую ленту. Магнитный барабан - это цилиндр с магнитной поверхностью диаметром около полуметра и емкостью несколько десятков КБ. Еще один вид магнитной записи в ЭВМ 1 и 2 поколения - матрицы из маленьких (около 1 мм) магнитных колец, перемагничивающихся под действием электрического тока. Уже в ЭВМ 3-го поколения такой вид хранения информации перестал использоваться.

Наиболее распространенными внешними запоминающими устройствами в ПК являются накопители на магнитных дисках (НМД). Диски бывают жесткими и гибкими, сменными и встроенными в ПК. Устройство для чтения и записи информации на магнитном диске называется дисководом.

Гибкий диск (англ. floppy disk), или дискета, - носитель небольшого объема информации. Дискета состоит из круглой полимерной подложки, покрытой с обеих сторон магнитным окислом (являющим собой физическую основу записи/считывания) и помещенной в пластиковую упаковку. В упаковке сделаны с двух сторон радиальные прорези, через которые головки записи/считывания накопителя получают доступ к диску. Информация записывается по концентрическим дорожкам (трекам), которые делятся на секторы. Количество дорожек и секторов зависит от типа и формата дискеты. Сектор хранит минимальную порцию информации, которая может быть записана на диск или считана. Ёмкость сектора постоянна и составляет обычно 512 байтов. Один или несколько смежных секторов дорожки составляют кластер. В настоящее время наибольшее распространение получили дискеты со следующими характеристиками: диаметр 3,5 дюйма (89 мм), ёмкость 1,44 Мбайт, число дорожек 80, количество секторов на дорожках 18. Дискета устанавливается в накопитель на гибких магнитных дисках (англ. floppy-disk drive), автоматически в нем фиксируется, после чего механизм накопителя раскручивается до частоты вращения 360 об/мин. За один оборот диска может быть считана информация с одной дорожки. Общее время доступа к информации на диске складывается из времени перемещения головки на нужную дорожку и времени оборота диска. Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков.

Накопитель на жёстких магнитных дисках (HDD - Hard Disk Drive) или «винчестер» используется для постоянного хранения информации - программ и данных. В этих накопителях один или несколько жестких дисков (платтеров), изготовленных из сплавов алюминия или керамики (поверхности которых покрыты слоем магнитного материала), вместе с блоком магнитных головок записи/считывания помещены в герметически закрытый корпус. Термин винчестер возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска емкостью 16 Кбайт (IBM, 1973 г.), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром «30/30» известного охотничьего ружья «Винчестер». По сравнению с дисководами для гибких дисков винчестеры обладают рядом ценных преимуществ: объем хранимых данных неизмеримо больше (достигает сотен Гбайт), время доступа у винчестера на порядок меньше (все современные накопители снабжаются встроенным кэшем, который существенно повышает их производительность). Единственный недостаток: они не предназначены для переноса информации на другие компьютеры (это касается стационарных, т.е. встраиваемых в корпус компьютера винчестеров). В настоящее время существуют внешние винчестеры – External Hard Disc Drive, объемом до сотен Гбайт. Очень популярны накопители Flash, которые, как и внешние винчестеры подключаются через USB-порт (они выпускаются объемом 32, 64, 128, 256, 512 Мбайт и более). Физические размеры винчестеров стандартизированы параметром, который называют форм-фактором (form factor). Винчестерский накопитель связан с процессором через контроллер жесткого диска.

Приводы компакт-дисков (CDD – Compact Disk Drive) необходимый атрибут современного компьютера. Благодаря маленьким размерам, большой емкости и надежности эти накопители становятся все более и более популярными. Существует несколько разновидностей оптических дисков:

· обычные CD, только для считывания, т.е. устройства ROM;

· CD-R – диски с возможностью однократной записи;

· DVD-RW – с возможностью многократной перезаписи.

Основными достоинствами накопителей на оптических дисках являются:

· малая чувствительность к загрязнениям и вибрациям;

· нечувствительность к электромагнитным полям.

Оптический компакт-диск (CD) появился в 1982 г. Он идеально подходил для записи цифровой информации больших объемов (600-700 Мбайт) на сменном носителе. Запись на компакт-диск при промышленном производстве производится в несколько этапов. Сначала с использованием мощного инфракрасного лазера в стеклянном контрольном диске выжигаются отверстия диаметром 0,8 микрон. По контрольному диску изготавливается шаблон с выступами в тех местах, где лазер прожег отверстия. В шаблон вводится жидкая смола (поликарбонат), и получают диск с таким же набором впадин, что и отверстий в контрольном диске. Со стороны впадин на диск напыляется тонкий слой алюминия, который затем покрывается лаком, защищающим его от царапин. Впадины и площадки (имеющие разную отражательную способность) записываются на диск по спирали. В середине 90-х гг. появились устройства, устанавливаемые непосредственно на компьютере и позволяющие производить однократную запись информации на компакт-диск. Для таких устройств выпускают специальные компакт-диски, которые получили название CD-Recodable (CD-R). Отражающим слоем у них служит тонкий слой позолоты. Между слоем позолоты и слоем поликарбамидной смолы вводится слой красителя. На диске без записи этот слой красителя бесцветен, но под воздействием лазерного луча краситель темнеет, образуя пятна, которые при воспроизведении воспринимаются как выступы. Позднее появились компакт-диски с возможностью перезаписи - CD-ReWritable (CD-RW). На этих дисках слой красителя может находиться в двух состояниях: кристаллическом и аморфном. Эти два состояния имеют разную отражательную способность. Лазер устройства имеет три уровня мощности. При записи мощность лазерного диода повышается и расплавляет слой красителя, переводя его в аморфное состояние с низкой отражательной способностью, что соответствует выступу (запись информации). При средней мощности краситель плавится и переходит в кристаллическое состояние с высокой отражательной способностью (стирание информации). Низкая мощность лазера используется для считывания информации. Дальнейшее развитие технологий производства компакт-дисков привело к созданию дисков с высокой плотностью записи - цифровой универсальный диск Digital Versatile Disk (DVD). Впадины на них имеют меньший диаметр (0,4 микрона), а спираль размещается с плотностью 0,74 микрона между дорожками (вместо 1,6 микрон у CD). Это позволило увеличить объем информации на диске до 4,7 Гбайт. Дальнейшее увеличение объема информации обеспечивается применением двусторонних DVD.

К недостаткам дисковой памяти можно отнести наличие механических движущих компонентов и большую потребляемую мощность при записи и считывании. Появление большого числа цифровых устройств (цифровых фото- и видеокамер, карманных компьютеров и т.д.) потребовало разработки миниатюрных устройств внешней памяти, которые обладали бы малой энергоемкостью, небольшими размерами, значительным объемом и обеспечивали бы совместимость с персональными компьютерами. Первые промышленные образцы такой памяти появились в 1994 г. Новый тип памяти получил название флэш-память (Flash-Memory). Флэш-память представляет собой микросхему энергонезависимого, перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства с произвольным доступом и неограниченным числом циклов перезаписи. Она используется как для создания быстродействующих, компактных запоминающих устройств – «твердотельных дисков», так и для замены ПЗУ.

Накопители на магнитной ленте. Как отмечалось, исторически первыми магнитными носителями в машинах 1 и 2 поколения были магнитные ленты (цифровые магнитофоны) и магнитные барабаны. В универсальных ЭВМ широко использовались и используются накопители на бобинной магнитной ленте, а в персональных ЭВМ - накопители на кассетной магнитной ленте. Последние весьма разнообразны: они отличаются как шириной применяемой магнитной ленты, так и конструкцией и носят название стримеров. Стримеры просты в использовании и обеспечивают самое дешевое хранение данных. Основными преимуществами кассетной ленты по сравнению с другими носителями информации является ее относительно малая стоимость и большой объем памяти. Главный же недостаток ее состоит в том, что на доступ к информации затрачивается больше времени, чем при других видах памяти.

Итак, персональные ЭВМ имеют четыре иерархических уровня памяти: микропроцессорную память, регистровую КЭШ-память (1-го и 2-го уровней), основную память, внешнюю память.

Следует сказать, что кроме постоянной памяти и обычной оперативной памяти, в IBM PC - совместимых компьютерах имеется также небольшой блок памяти для хранения параметров конфигурации компьютера. Эта часть памяти («Setup») является энергонезависимой, т.е. питается от отдельной батареи, и в ней содержатся параметры настройки конфигурации компьютера, например, типы жестких дисков и дисководов для дискет и т.д. Содержимое этой памяти (которую называют иногда полупостоянной) не изменяется при выключении электропитания компьютера, поскольку для ее электропитания используется специальная батарея, срок годности которой обычно несколько лет. При замене батареи необходимо обновлять основные установки.

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: