2. Основні типи комп'ютерів. Конфігурації персональних комп'ютерів (ПК)
Персональний комп'ютер з технічної точки зору можна визначити як єдину систему, що представляє собою набір змінних компонентів, з'єднаних між собою стандартними інтерфейсами. Компонентом тут виступає окремий вузол (пристрій), що виконує певну функцію в складі системи.
Інтерфейсом називають стандарт приєднання компонентів до системи. У цій іпостасі служать роз'єми, набори мікросхем, що генерують стандартні сигнали, стандартний програмний код.
У комп'ютерній індустрії існує набір однотипних компонентів з різними функціональними можливостями (і, відповідно, з різною вартістю), що включаються в систему по єдиному інтерфейсу. Повний опис набору і характеристик пристроїв, що становлять даних комп'ютер, називається конфігурацією ПК.
Існує "мінімальна" конфігурація ПК, тобто мінімальний набір пристроїв, без яких робота з ПК стає безглуздою. Це: системний блок, монітор, клавіатура, миша. Зазвичай під набором комплектуючих, об'єднаних поняттям "типовий персональний комп'ютер", розуміють наступний їх склад:
- корпус з блоком живлення;
Для російських умов додатковим обладнанням (у багатьох країнах вже вважається стандартом) виступають:
- телевізійний і УКВ тюнер;
- джерела безперебійного живлення,
- дисковод DVD;
- модем;
- мережева карта.
На комп'ютерному ринку склалося таке поділ конфігурацій персональних комп'ютерів.
Робоча станція (Work Station) являє собою потужний комп'ютер, заснований зазвичай на двухпроцессорной платформі, оснащений максимальним об'ємом швидкої оперативної пам'яті, масивом жорстких дисків і часто включений в локальну мережу підприємства. Залежно від розв'язуваних завдань робочі станції бувають графічними, для наукових розрахунків чи іншого призначення.
Настільний комп'ютер (Desktop) передбачає самий великий спектр можливих конфігурацій, як платформи, так і додаткових пристроїв.
Прийнято класифікувати настільні комп'ютери за призначенням або за продуктивністю. За призначенням комп'ютери поділяють на офісні, домашні, ігрові, дизайнерські. За продуктивністю розрізняють комп'ютери початкового рівня (Easy PC), середнього рівня (Mainstream), вищого класу (High End).
Офісний комп'ютер орієнтований на роботу з програмами офісного класу, може підключатися до локальної мережі і не відрізняється високою продуктивністю. Головна вимога до нього - надійність.
Ігровий комп'ютер вимагає наявності найпотужнішою графічної підсистеми. Тому головним його елементом є графічна карта і адекватний потребам процесор при достатньому обсязі оперативної пам'яті. Ігровий комп'ютер додатково комплектують джойстиком, кермом (штурвалом), педалями, пристроями віртуальної реальності (шоломи, окуляри, рукавички).
Ноутбук (Notebook) є переносним персональним комп'ютером. Крім компактних габаритів, ноутбук відрізняється від настільного комп'ютера можливістю роботи від акумуляторів. Автономне функціонування зумовило високі вимоги режиму енергоспоживання компонентів. Зазвичай в ноутбуках використовують спеціальні модифікації процесорів, графічних чіпсетів, жорстких дисків з низьким енергоспоживанням і автоматичним регулюванням продуктивності в залежності від розв'язуваної задачі.
Зазвичай ноутбуки класифікують за розміром, діагоналі дисплея і числу "шпинделів" (окремих приводів: жорсткий диск, дисковод CD-ROM. Дисковод і ін.). Наприклад, вираз "двошпиндельний" ноутбук має на увазі наявність в комп'ютері жорсткого диска і ще одного дисковода (частіше комбінованого приводу DVD / CD-RW).
Планшетний ПК (Tablet PC) характеризується наявністю окремого сенсорного дисплея з можливістю рукописного введення і спеціального електронного пера. Деякі моделі комплектуються клавіатурою, трекболом, приводом CD-ROM. жорстким диском.
Персональні комп'ютери є найбільш широко використовуваними, їх потужність постійно збільшується, область застосування розширюється. Однак їх можливості обмежені, і для вирішення специфічних завдань, що вимагають об'ємних обчислень, найвищого швидкодії, застосовують «не-персональні" комп'ютери: супер-ЕОМ, великі ЕОМ (мейнфрейми), міні-ЕОМ.
3. Склад типового комп'ютера
Розглянемо в найзагальніших рисах принципи взаємодії основних пристроїв.
Материнська (системна) плата - найважливіший елемент ПК, до якого підключено все те, що складає сам комп'ютер. Вона служить для об'єднання і організації взаємодії інших компонентів. По суті, вибір конфігурації комп'ютера починається саме з вибору системної плати. У неї встановлюється процесор, оперативна пам'ять, з нею пов'язані жорсткий диск і CD-ROM. до неї через відповідні різним інтерфейсів роз'єми і порти підключаються різні додаткові пристрої. Таким чином, материнська плата, центральний процесор, оперативна пам'ять складають основу ПК, від їх продуктивності в великій мірі залежить продуктивність комп'ютера в цілому. Материнські плати розрізняються за типом процесорів, які можуть бути встановлені на них, і назви фірм, що їх випускають. На материнських платах знаходяться спеціальні перемички - джампери. що дозволяють підлаштувати її під тип процесора і інших пристроїв, що встановлюються на ній.
Комп'ютер повинен бути готовий до додавання в систему стандартних додаткових пристроїв, використовуючи стандартні способи їх підключення. Всі вузли комп'ютера взаємопов'язані фізично і логічно. На материнській платі встановлюються роз'єми для установки додаткових пристроїв - слоти розширення.
Апаратно-логічні пристрої, що відповідають за спільне функціонування різних компонентів, називають інтерфейсами. Сучасний комп'ютер заповнений різними інтерфейсами, що забезпечують загальне взаємодія. На інтерфейси існують стандарти.
Сукупність інтерфейсів, реалізованих в комп'ютері, утворює те, що називають архітектурою комп'ютера.
Щоб додати до ПК нового додаткового пристрою необхідний контролер - пристрій, апаратно узгоджувати роботу системи і додаткового пристрою. Крім того, необхідний драйвер цього пристрою - програма, що дозволяє програмно зв'язати цей пристрій з системою в цілому.
Контролер повинен враховувати апаратні особливості пристрою, що підключається, а драйвер повинен дозволити операційній системі, використовуючи стандартний набір командних запитів, керувати нестандартним пристроєм.
Драйвер виступає в ролі "перекладача" з мови операційної системи на мову конкретного пристрою, контролер виступає в ролі апаратного "містка" між системою в цілому і додатковим пристроєм.
Центральною частиною комп'ютера є системний блок. з приєднаними до нього клавіатурою, монітором і мишкою. Системний блок і монітор незалежно один від одного підключаються до джерела живлення - мережі змінного струму. У сучасних комп'ютерах дисплей і системний блок іноді монтуються в єдиному корпусі.
У корпусі системного блоку розташовуються всі основні пристрої комп'ютера:
Всі компоненти ПК по їх функціональному відношенню до роботи з інформацією можна умовно розділити на:
4. Пристрої обробки - мікропроцесор
4.1. Історія розвитку мікропроцесорів
У 1959 р інженери фірми "Texas Instruments" розробили спосіб, як розмістити всередині одного напівпровідникового кристала кілька транзисторів і з'єднати їх між собою - народилася перша інтегральна мікросхема (ІМС). У порівнянні з функціонально тими ж пристроями, зібраними з окремих транзисторів, резисторів і т.п. ІМС володіє значними перевагами: меншими габаритами, більш високою надійністю і т.д. Не дивно, що кількість випущених мікросхем стало швидко зростати, а їх асортимент неухильно розширюватися. Остання обставина створювало ряд труднощів для споживачів. Важливо навіть не стільки те, що стрімко зростало кількість типів ІМС ускладнювало орієнтацію в море найменувань. Значно більшим недоліком була вузька спеціалізація ІМС, через яку обсяг їх випуску не міг бути більшим, а значить вартість однієї мікросхеми залишалася високою. Поліпшити ситуацію дозволило б створення універсальної логічної ІМС, спеціалізація якої визначалася б не закладеної на заводі внутрішньою структурою, а заданої безпосередньо самим споживачем програмою роботи.
Таким чином, виявляється, що перші мікропроцесори (МП) з'явилися зовсім не для мініатюризації ЕОМ, а з метою створення більш дешевої логічної мікросхеми, легко адаптується до потреб користувача.
Історія створення першого в світі мікропроцесора досить повчальна. Влітку 1969 р японська компанія "Busicom", яка розробляла нове сімейство калькуляторів, звернулася за допомогою у фірму "Intel". На той час "Intel" проіснувала всього близько року, але вже проявила себе створенням самої ємної на той момент мікросхеми пам'яті. Фірмі "Busicom" якраз і було потрібно виготовити мікросхеми, що містять кілька тисяч транзисторів. Для реалізації спільного проекту був залучений інженер фірми "Intel" М.Хофф. Він познайомився з розробками "Busicom" і запропонував альтернативну ідею: замість 12 складних спеціалізованих мікросхем створити одну програмовану універсальну - мікропроцесор. Проект Хоффа переміг і фірма "Intel" отримала контракт на виробництво першого в світі мікропроцесора.
Подальший розвиток подій відбувався прямо-таки з фантастичною швидкістю, навіть якщо порівнювати з темпами динамічно розвивається обчислювальної техніки. За десятиліття був пройдений шлях від винаходу 4-розрядного МП до досить складної 32-розрядної архітектури. Було ліквідовано відставання мікропроцесорної техніки від звичайних ЕОМ і почалося інтенсивне витіснення останніх (усі ЕОМ четвертого покоління зібрані на базі того чи іншого мікропроцесора!). Для ілюстрації вкажемо, що перший МП 4004 містив 2200 транзисторів, МП 8080 - 4800, МП "Intel 80486" - близько 1,2 мільйона, а сучасний "Pentium" - близько 3 мільйонів!
Історія розвитку мікропроцесорів являє собою досить цікаву самостійну тему. Тут згадаємо тільки, що піонер у створенні процесорних мікросхем фірма "Intel" як і раніше зберігає свої лідируючі позиції в цій області. Її програмно-сумісне сімейство послідовно ускладнюються МП (16-розрядні 8086, 80286 і 32-розрядні 80386, 80486, "Pentium") є "мозком" значної частини використовуються комп'ютерів. Саме на базі цих мікропроцесорів зібрані всі широко поширені в нашій країні IBM-сумісні комп'ютери.
Іншу гілку великого мікропроцесорного сімейства утворюють МП фірми "Motorola": її вироби працюють в відомих комп'ютерах "Apple", а також в більш простих - "Atari", "Commador", "Amiga" і ін. Процесори "Motorola" нітрохи не гірше, а часом навіть помітно краще вироблених компанією "Intel". Але на стороні останньої - величезні виробничі потужності транснаціонального гіганта IBM і десятки південно-азіатських фірм, буквально заполонили світ дешевими IBM-сумісними комп'ютерами.
Завершуючи короткий історичний екскурс, спробуємо визначити деякі нові напрямки розвитку МП в найближчому майбутньому. Характерною рисою останніх моделей процесорів є можливість роботи в багатозадачному режимі, який фактично став нормою для сучасних ЕОМ. Розвивається RISC-архітектура мікропроцесорів (процесори з мінімальним числом команд). Такий МП працює надзвичайно швидко і здатний виконати будь-яку зі своїх нечисленних команд за один машинний такт, в той час як зазвичай на виконання простої операції потрібно 4-5 тактів. Яскравим прикладом достоїнств RISC-архітектури є вже згадуваний процесор "PowerPC". Слід особливо підкреслити, що успіхи RISC-підходу істотно впливають і на конструювання CISC-процесорів (процесори з повним набором команд). Так, значне прискорення класичних CISC МП старших моделей сімейства "Intel" досягається за рахунок конвеєрного виконання команд, запозиченого з RISC МП.
І, нарешті, не можна не згадати про транспьютерах, що містять в процесорному кристалі власне ОЗУ від 2 до 16 кбайт і канали зв'язку із зовнішнім ОЗУ і з іншими транспьютерами. Теоретичні можливості цих ІМС, що реалізують алгоритми паралельних обчислень, вражають уяву. Однак знадобиться чимало часу, перш ніж вони зможуть бути практично реалізовані.
4.2. Внутрішня організація мікропроцесора
Перелічимо основні функції мікропроцесора:
• вибірка команд з ОЗУ;
• виконання операцій, закодованих в командах;
• управління пересиланням інформації між своїми внутрішніми регістрами, оперативною пам'яттю і зовнішніми (периферійними) пристроями;
• обробка внутріпроцессорних і програмних переривань;
• обробка сигналів від зовнішніх пристроїв і реалізація відповідних переривань;
• управління різними пристроями, що входять до складу комп'ютера.
Внутрішній устрій мікропроцесорів дуже складно (згадаємо три мільйони транзисторів в "Pentium"). Навіть якщо спробувати розглянути найбільш загальну схему основних функціональних вузлів, і то вийде досить складна картина. До того ж внутрішній устрій МП сильно залежить від його марки, а отже вивчення структури одного процесора не обов'язково допомагає зрозуміти роботу іншого. Слід визнати недоцільним для користувача (і навіть, може бути, для програміста) вивчення інженерних деталей процесора сучасної ЕОМ, і обмежитися, як це прийнято робити, тільки тими функціональними вузлами, які доступні програмно. При такому підході виявляється, що МП мають багато спільного, і стають чітко видно деякі закономірності їх внутрішнього устрою. Крім того, зникає лякає складність і виникає приємне і корисне почуття, що комп'ютер - це не якась там "річ в собі" і його поведінку можна зрозуміти.
Мікропроцесор (центральний мікропроцесор, CPU) - програмно керований пристрій, призначений для обробки інформації під управлінням програми, що знаходиться зараз в оперативній пам'яті. Конструктивно являє собою невелику мікросхему, що знаходиться всередині системного блоку і встановлену на материнській платі, пов'язану з материнською платою інтерфейсом процесорного роз'єму (Socket).
4.3. Принципи роботи процесора і його характеристики
Мікропроцесор може обробляти дані будь-якої природи: текст, числа, графіка, звук та ін. Це можливо тому, що дані перед використанням на комп'ютері перетворюються до найпростішого виду, представляються в двійковому коді, "оцифровуються". Фізично це може виглядати як чергування намагнічених і розмагніченого ділянок жорсткого диска, що відображають і не відображають промінь ділянок компакт-диска, переданих сигналів напруги високого і низького рівня і т.д.
Для опису роботи цифрових пристроїв використовується двійкова система числення, Булева логіка, закони алгебри логіки.
Основними характеристиками процесора є: