Главная Случайная страница


Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






Апаратне забезпечення персональних комп’ютерів

Архітектура та принципи роботи ЕОМ

Архітектура ЕОМ– це опис сукупності пристроїв, блоків ЕОМ та принципів взаємодії компонентів комп’ютера.

Основними функціями ЕОМ є обробка і збереження інформації, а також обмін інформацією з зовнішніми пристроями. В основі функціонування ЕОМ лежить принцип програмного управління (ЕОМ виконує програму автоматично без втручання людини), тобто обчислювальна машина повинна керуватися програмою з послідовним виконанням команд з цієї програми, а сама програма, як і самі дані, повинна зберігатися в пам’яті ЕОМ у вигляді кодів 0 та 1. Ці принципи роботи ЕОМ сформулював математик фон Нейман у 1946 р. Отже, програми – це керуючі засоби компонентами комп’ютера, що забезпечують функціонування комп’ютера та обробку інформації.

Команда –це інструкція компонентам ЕОМ, про те що вони мають робити на кожному кроці.

Програма– це упорядкована сукупність команд (директив), які може виконувати ЕОМ в автоматичному режимі.

За фон Нейманом обчислювальна машина має складатися з таких основних компонентів.

1. Запам’ятовуючий пристрій, в якому можна було б записувати двійкові коди та зчитувати їх. Цей пристрій називається оперативною пам’яттю (ОП). Виконана вона у вигляді комірок, кожна з яких має свій номер, тобто адресу. За адресою можна звернутися до потрібної комірки в операціях запису-зчитування.

2. Арифметико-логічний пристрій (АЛП). Цей пристрій призначений для автоматичного виконання певного набору арифметичних та логічних операцій над числовими і символьними даними.

3. Пристрій управління (ПУ). Цей пристрій забезпечує читання та запис інформації до комірок пам’яті. Він також формує і подає сигнали в усі блоки ЕОМ для керування їх роботою, наприклад, координує роботою АЛП та зовнішніх пристроїв. Мікропроцесори в сучасних комп’ютерах на одній мікросхемі поєднують в собі АЛП та ПУ.

4. Зовнішні пристрої. Це, насамперед, пристрої введення та виведення інформації. Такими пристроями є клавіатура, монітор, принтер тощо.

 

Магістрально-модульна структура персонального комп’ютера

Персональний комп’ютер –це багатофункціональна, одноко-ристувацька, малогабаритна обчислювальна машина, яка призначена для розв’язування задач обробки і збереження інформації.

Основними складовими частинами персонального комп’ютера є: системний блок, монітор, клавіатура, миша. Вони складають мінімальну конфігурацію сучасного персонального комп’ютера.

Модульний спосіб конструювання персонального комп’ютера разом з магістральним способом обміну інформацією і визначає магістрально-модульний принцип побудови ПК.

Функціональна схема ПК має вигляд, який наведено на рис. 1.2.

Різноманітні вузли комп’ютера пов’язані з мікропроцесором та між собою через пристрій, що називається системною шиною. Обмін даними відбувається через системну шину, яку ще називають магістраллю.

Магістраль містить такі шини:

1. Шина даних, по якій інформація (дані) передається від МП до будь-якого пристрою або навпаки від пристрою до МП.

2. Шина адреси – сукупність проводів і відповідних схем, по яких передається в паралель всі коди адреси комірки ОП або портів введення/виведення.

3. Шина управління містить проводи для передачі управління (управляючих сигналів) з боку мікропроцесора в усі блоки ПК.

4. Шина живлення, що містить проводи і схеми для підключення блоків ПК до системи електричного живлення.

 

Рис. 1.2 - Умовна схема ПК

 

Розрядність шини даних визначає розрядність комп’ютера. Наприклад, якщо шиною даних передається 32 біти в паралель, то ПК є 32-розрядним. Розрядність впливає на продуктивність комп’ютера. Розрядність адресної шини визначає адресний простір – максимальну кількість комірок ОП. Кількість адресованих комірок становить 2n, де n – розрядність адресної шини. Для сучасних комп’ютерів використовується 32-розрядна адресна шина (для процесорів сім’ї Pentium) і 64-розрядна (для процесорів сім’ї Itanium).

Системна шина забезпечує три напрямки передачі інформації:

1) між мікропроцесором і ОП;

2) між мікропроцесорами і портами введення/виведення зовнішніх

пристроїв;

3) між основною пам’яттю і зовнішніми пристроями (в режимі прямого доступу до пам’яті).

Завдяки наявності системної шини IBM-сумісні ПК мають принцип відкритої архітектури, тобто вони складаються з кількох модулів, що виготовляються у вигляді окремих плат. Модульна структура дозволяє користувачу самому комплектувати необхідну йому конфігурацію комп’ютера та полегшує модернізацію комп’ютера і його ремонт. Один з важливих модулів – це материнська плата, на якій розміщені мікропроцесор, оперативна пам’ять, системна шина та слоти розширення для підключення інших модулів. Цими модулями є електронні платиконтролери зовнішніх пристроїв, наприклад, плата відеоконтролера (відеокарта), що створює сигнали для монітора.

Склад системного блока

Усі основні вузли ПК розташовані всередині системного блока. Системний блок є основним вузлом комп’ютера, він містить:

- електронні схеми, що керують роботою ПК (мікропроцесор, пам’ять, системна плата, контролери пристроїв тощо);

- накопичувачі на жорстких та гнучких магнітних дисках, накопичувачі на оптичних дисках;

- блок живлення, який перетворює змінну напругу мережі на низьку постійну напругу, необхідну для роботи електронних схем та двигунів приводів дисководів тощо;

- систему охолодження (вентилятори та радіатори), яка забезпечує необхідний температурний режим.

Обладнання, розміщене ззовні системного блока, належить до зовнішніх пристроїв введення/виведення. Це обладнання також називають периферійними пристроями.

На фронтальній стороні системного блока знаходяться:

- кнопка Power – для ввімкнення/вимкнення ПК;

- кнопка Reset – для перезавантаження комп’ютера при його зависанні, тобто коли в результаті помилки в роботі ПК він перестає виконувати ваші команди;

- два індикатори (лампочки, які світяться): індикатор живлення – горить постійно та індикатор роботи жорсткого диску – горить тоді, коли на диск записується інформація або зчитується з нього.

На передній панелі знаходяться дисководи. Це малий дисковод FDD для гнучких дисків, та дисковод з висуваючим лотком – дисковод CD або DVD. Крім цього, на фронтальну панель для зручності виводять ще додаткові рознімання (USB, звукові).

На задній стороні системного блоку знаходиться множина різних рознімних з’єднань для підключення зовнішніх пристроїв. Це два великих рознімних з’єднання для підключення живлення системного блоку та монітора (деколи ці пристрої живляться окремо), рознімне з’єднання звукової карти – для підключення колонок, мікрофона, рознімне з’єднання відеокарти – для підключення монітора, паралельний LPT-порт (в паралель передаються 8 імпульсів, що несуть інформацію)– для підключення принтера, послідовний COM-порт – для підключення модема, гнізда PS/2 – для підключення клавіатури та миші (рознімні з’єднання різного кольору). Гнізда виконуються різної форми з тоненькими штирками або з дірочками. Оскільки рознімне з’єднання унікальне, то переплутати підключення пристроїв неможливо. Корпуси системного блока є вертикальні та горизонтальні (Desktop). Сучасними вважаються вертикальні Midi Tower (середній) і Big Tower (великий) корпуси. Блок живлення, як правило, вже вмонтований в корпус. Блоки живлення розрізняються за потужністю: 250 Вт, 300 Вт, 350 Вт, 400 Вт (краще за все). Цих потужностей має бути достатньо, щоб забезпечити енергоспоживання всіх під’єднаних до ПК пристроїв. Від ефективності блока живлення залежить і стабільність роботи всієї системи.

 

Материнська плата

Найважливішим вузлом ПК є системна (материнська) плата (рис.1.3).

 

 

Рис.1.3 – Материнська плата

 

Основна функція материнської плати – наводити зв’язки (мости) між пристроями ПК. За всіма пристроями комп’ютера потрібний контроль, їх роботу треба координувати. Материнська плата – це основна електронна схема ПК, від роботи якої залежить швидкодія комп’ютера та стабільність його роботи. Ось декілька пристроїв, з яких складається материнська плата:

- системна шина – магістраль, яка зв’язує пристрої ПК в єдине ціле. Саме по шині передаються сигнали керування та дані;

- базовий набір мікросхем логіки – чіпсет, за допомогою якого материнська плата здійснює контроль над усім, що відбувається всередині системного блоку. У кожному чіпсеті є два мости (чіпи): північний, що з’єднує між собою процесор, оперативну пам’ять і відеошину AGP та південний, що відповідає за роботу зі всіма підключеними до цієї шини периферійними пристроями. Чіпсет є основою будь-якої материнської плати, від нього залежить тип процесора, тип пам’яті та продуктивність материнської плати;

- схема BIOS. Основна функція BIOS – це управління стандартними периферійними пристроями, а саме, дисководами, клавіатурою, принтером, таймером тощо. Крім цього, BIOS відшуковує і завантажує в ОП програму-вантажник операційної системи з системного диска в ОП та здійснює тестування апаратури комп’ютера.

Решта елементів розміщуються на окремих платах і вставляються в рознімні з’єднання на материнській платі – так звані слоти, що мають вигляд довгих гнізд. Кількість слотів розширення визначає скільки можна вставити в комп’ютер додаткових плат. Відеокарта підключається через спеціальний слот, що має назву AGP або PCI Express, решта слотів називаються PCI. На материнській платі є слоти для установки ОП. Цих слотів може бути від 1 до 4, що дозволяє мати до 4 Гб оперативної пам’яті. Слоти чітко прив’язані до типу ОП.

Мікропроцесори встановлюються на материнській платі в квадратні гнізда, що називаються сокетами. Ці гнізда схожі між собою, але вони відрізняються кількістю ніжок. Для сучасних мікропроцесорів Pentium IV та Celeron використовуються материнські плати з гніздами Socket 478. Для різних груп мікропроцесорів існують різні материнські плати з відповідними гніздами для мікропроцесорів, наприклад для процесорів AMD Socket AM2 і AM2+. Отже, материнську плату потрібно вибирати у відповідності з мікропроцесором. Крім цього, на материнській платі знаходяться розняття (слоти) для установлення модулів оперативної пам’яті, розняття для підключення нагромаджувачів жорстких дисків, дисководів CD, DVD, FDD, розняття для підключення електроживлення. На задню стінку ПК з материнської плати виведені рознімні з’єднання, що називаються портами для підключення зовнішніх пристроїв. Існують паралельні (LPT) та послідовні (COM) порти. Для послідовного порту властива послідовна передача даних (біт за бітом), а для паралельного – одночасна передача декількох бітів в паралель (по 8 бітів).

Паралельний порт призначений для підключення принтера, сканера. Для нього характерна висока швидкість передачі даних – 2 Мб/с. Послідовні порти призначені для підтримки миші, модема. Для них характерна мала швидкість передачі даних – до 112 Кб/с.

Раніше клавіатура мала своє гніздо для підключення до материнської плати, а миша підключалася до COM-порта. Згодом клавіатуру і мишу вирішили підключати до однакового рознімання. Так в 1998 р. народився порт PS/2. Нові конструкції системних плат для підключення клавіатури та миші підтримують вбудований порт USB (Universal Serial Bus).

Оперативна пам’ять

Внутрішня пам’ять ПК складається з оперативно запам’ятовуючого пристрою (ОЗП, RAM-пам’ять, оперативна пам’ять) та постійно запам’ятовуючого пристрою (ROM BIOS).

Оперативна пам’ять(ОП) – це спеціальні мікросхеми, що складаються з комірок пам’яті, які призначені для тимчасового зберігання і поточної зміни інформації при роботі ПК.

Постійна пам’ять – це енерго незалежна пам’ять, в яку інформація заноситься при її виготовленні. До постійної пам’яті „прошиті” деякі програми та дані, які комп’ютер не може змінити. Ця пам’ять призначена тільки для зчитування інформації. Як правило, в постійній пам’яті зберігаються програми обслуговування пристроїв комп’ютера та ініціалізації завантаження операційної системи.

ОП використовується для збереження даних і програмного коду, що виконується мікропроцесором. Будь-яка інформація записується до електронних комірок пам’яті у вигляді двійкових чисел. Розташування інформації в пам’яті називається записом, а отримання інформації з пам’яті – зчитуванням. Під час запису попередні дані, які зберігалися в комірках пам’яті стираються. У фізичну комірку пам’яті записується 1 байт інформації. Ця ємність комірки достатня, щоб до неї записати один символ. Кожна комірка має свій адрес. Коли комп’ютер відправляє дані в ОП, він запам’ятовує адреси, потім за відомою адресою вибирає дані з пам’яті.

Найважливішими характеристиками ОП є її розрядність, ємність і швидкодія. Ще 10 років тому ПК з операційною системою Windows 95 працювали з 8 Мб ОП. Сім років назад для ПК повністю вистачало 64 – 128 Мб ОП. Для роботи сучасних операційних систем та мультимедійних додатків потрібно не менше 512 Мб оперативної пам’яті. Сучасні ПК мають і 4 Гб оперативної пам’яті. Швидкодія МП залежить від швидкості зчитування і запису в комірки пам’яті.

Рис. 1.4 – Модуль оперативної пам’яті

 

Крім обсягу ОП, актуальним є вибір типу пам’яті. За принципом роботи (принципом зберігання інформації) RAM можна розділити на динамічну і статичну. Різниця між динамічною і статичною пам’яттю полягає в конструктивних особливостях елементарних комірок для збереження окремих бітів. Нині для ОП використовується динамічна пам’ять DRAM. Вона побудована на мікросхемах, що потребують для збереження інформації її періодичного відновлення (регенерації), тобто на конденсаторах. За своєю логічною організацією DRAM може бути асинхронною і синхронною. Щоб забезпечити високу швидкість роботи пам’яті нині використовується синхронна динамічна пам’ять DDR SDRAM. SDRAM означає, що пам’ять є синхронною динамічною, тобто при роботі з пам'яттю SDRAM забезпечується синхронізація всіх вхідних і вихідних сигналів з тактами системного генератора.

Абревіатура DDR (Double Data Rate) означає подвійну швидкість передачі даних (до 4 Гб/с і більше). В чотири рази більшу швидкість передачі даних має стандарт DDR2. В 2009 р. основну долю ринку ОП завоював стандарт DDR3 (логічне продовження стандарта DDR2). Перші модулі пам’яті DDR3 мають ємність 1 Гб, наступні – 2 і навіть 4 Гб.

Залежно від форм-фактора розрізняють SIMM-модулі та DIMM-модулі пам’яті (з’явився в 1998 р.). У сучасних ПК використовується 184-контактні DIMM DDR-модулі пам’яті у вигляді окремих маленьких плат з напаяними на них мікросхемами (рис. 1.4). На відміну від модулів SIMM, дворядні модулі пам’яті – модулі DIMM мають електрично незалежні контакти по обидва боки розняттів.

Існують різні стандарти на модулі DIMM: DIMM-512 Мб, DIMM-1 Гб, DIMM-2 Гб та ін. На материнську плату в відповідні гнізда можна вставити 1, 2, 3 і навіть 4 мікросхеми пам’яті типу DIMM. Різні структури ОП відрізняються швидкістю доступу до пам’яті та їх пропускною здатністю.

Статична пам’ять використовується в якості допоміжної пам’яті – кеш-пам’яті, яка призначена для оптимізації роботи процесора. Оперативна пам’ять працює більш повільніше, ніж процесор, тому він оснащується запам’ятовуючим пристроєм невеликого об’єму (кеш-пам’яттю) для проміжного зберігання даних.

Мікропроцесори

Мікропроцесор (надалі МП) – це спеціальна надвелика інтегральна схема, що встановлюється на материнській платі. До материнської плати мікропроцесор під’єднується за допомогою спеціальних рознімних з’єднань (Socket 7, Socket A, Slot 1, Socket 423, Socket 478 тощо). Сучасні мікропроцесори – це одна мікросхема (рис. 1.5), яка виготовлена з напівпровідникового кристалу кремнію з щільним пакуванням фізичних елементів, завдяки чому на кристалі площею близько 1 см2 можна розмістити велику кількість елементів: транзисторів, кондесаторів тощо. Так схеми сучасних процесорів Pentium містять понад сотню мільйонів транзисторів. Остання модель Itanium 2 містить 410 млн. транзисторів. Але, оскільки електронним пристроям властиво нагріватися під час роботи, то над корпусом МП розміщують невеликий вентилятор та радіатор, які забезпечують охолодження МП у процесі роботи.

 

 

Рис. 1.5 – Мікропроцесор

 

Мікропроцесор – це пристрій, що виконує дві основні функції:

1. Обчислення згідно з програмою, яка зберігається в ОП.

2. Забезпечує загальне керування апаратурою комп’ютера та обчислювальними процесами.

При цьому МП виконує:

- читання та дешифрацію команд з ОП;

- читання даних з ОП та даних з регістрів зовнішніх пристроїв;

- обробку даних та запис їх в ОП.

Для того, щоб МП знав, що робити, він неперервно повинен отримувати потік команд. Ці команди складають програми. Завдяки програмі обчислення в ЕОМ відбуваються автоматично. В програмі складний обчислювальний процес розбивається на множину елементарних команд, які може виконувати МП. Число команд сучасного МП – 220. У кожної команди є свій код. МП відрізняються трьома характеристиками: тактовою частотою,

розрядністю і типом (моделлю).

Тактова частота визначає швидкодію процесора. Кількість команд, які процесор може виконати за 1 секунду залежить від тактової частоти. Кожна команда, що виконується в ЕОМ, займає декілька тактів, тому час виконання команди вимірюється в тактах. Тривалість одного такту залежить від тактової частоти. Вимірюється тактова частота у мегагерцах (1 МГц відповідає 1 мільйону тактів за секунду). Чим більша тактова частота, тим менша тривалість такту, і тим швидше працює ПК. Наприклад, МП Intel 8086 працював на тактовій частоті 4,7 МГц, Pentium III на 230 – 400 МГц, сучасні МП перейшли рубіж 3 Гц (3000 МГц). Тактова частота генерується тактовим генератором.

Ще однією важливою характеристикою процесорів є їхня розрядність. Процесор оперує з двійковими числами, що подані як послідовність нулів та одиниць. Розрядність МП – це кількість розрядів двійкових чисел, які обробляються процесором за один такт в паралель. Мікропроцесори перших ПК були 8-розрядними, а всі сучасні моделі МП вже 32- та 64-розрядні.

Модель МП визначається особливістю його архітектури, маркою фірми виробника та типом процесора.

В IBM-сумісних ПК найчастіше застосовуються МП фірми Intel, а також сумісні з ними моделі МП інших фірм – AMD, Cyrix, IBM тощо. Наведемо список моделей МП фірми Intel за порядком зростання їх продуктивності:

Intel 8086 (1976 р.), Intel 8088 (1979 р.) – перші 16-розрядні процесори і мали тактову частоту 5…10МГц;

Intel 80286 – 16-розрядний процесор з тактовою частотою до 12 МГц;

Intel 80386 (1985 р.) – перший 32-розрядний процесор. Він містив 275000 транзисторів і мав тактову частоту до 33 МГц;

Intel 80486 (1989 р.) містив 1,2 млн транзисторів і мав 32 лінії адреси, 32 лінії даних і працював на частоті до 100 МГц.

Новим етапом в виробництві МП став процесор Pentium (1993 р.). Згодом з’явилися досить успішний процесор Pentium Pro (1995 р.) та Pentium II, в кінці лютого 1999 р. були анонсовані перші МП Pentium III. В кінці 1999 р. з’явилося 9 моделей МП цього типу: Pentium 500E, 550, 533, 600, 700, 733 тощо. Після з’явилися Intel Pentium 750, 800, 900, 1140. Цифри після назви означають тактову частоту в МГц.

Сучасні мікропроцесори. В листопаді 2000 р. фірма Intel представила процесор Pentium IV, який на сьогодні є основним серед IBM-сумісних комп’ютерів. Архітектура його стала відрізнятися від архітектури попередників, завдяки чому змогли сильно наростити частоту процесора. Перші МП Pentium IV мали частоту 1,4 – 1,5 ГГц і містили 42 млн транзисторів на площі 217 мм2 (в два рази більше ніж Pentium III). 14 листопада 2002 р. Intel анонсувала МП Pentium IV 3,06 ГГц. Такої високої тактової частоти вдалося добитися завдяки організації обчислень в декілька потоків. Тепер виготовляють тільки мікропроцесори сім’ї Pentium IV. Тактові частоти останніх Pentium знаходяться в межах 4 ГГц. У процесорах сім’ї Pentium використовується 64-розрядна шина даних та 32-розрядна шина адреси (232 =4 294 967 296 комірок, біля 4 Гб ОП)

Відгалуженням від процесорів сім’ї Pentium стали процесори сім’ї Xeon, призначені для багатопроцесорних серверів та процесори Celeron – більш спрощений та здешевлений варіант процесорів Pentium. В 2001 р. з’явився процесор фірми Intel – Itanium. Остання модель Itanium 2 містить 410 млн транзисторів і має розрядність шини даних 128 байт.

Революційною подією на ринку МП став момент появи (cередина 2006 р.) продуктів Intel Core 2 (восьме покоління мікропроцесорів). Core 2 – це ефективна система взаємодії декількох процесорних ядер, але для їх ефективної роботи необхідно, щоб програмні продукти були адаптовані для багатопроцесорних систем. Зауважимо, що персональний комп’ютер з мікропроцесором Intel Core 2 Duo з тактовою частотою 2,4 Ггц має швидкодію 19,2 Гигафлопс (19,2*1012 операцій з плаваючою точкою за секунду).

Паралельно з фірмою Intel фірма AMD в 1999 р. випустила МП Athlon (K7). Це були моделі AMD Athlon 500, 550, 600, згодом 650, 700, 750, 800. Крім К7 на ринку з’явилася МП Athlon MP та Athlon XP (32-розрядні МП), що склали конкуренцію Pentium IV. В останній час фірма AMD вирішила маркувати свої процесори не реальною тактовою частотою, а так званим PR-рейтингом. PR-рейтинг нових Athlon XP, MP починається з відмітки 1500+, що відповідає частоті 1,33 ГГц і закінчується на рівні 2800+. В жовтні 2002 р. AMD випустила 2 нових МП: Athlon XP 2700+ та Athlon XP 2800+, який в багатьох тестах є кращим ніж Pentium IV 2,8 ГГц, хоча є дешевшим в 1,5 рази. В 2003 р. на ринок поступили МП фірми AMD 8-го покоління під назвою Athlon 64 FX (Hammer). Одноядерний Athlon 64 представлений моделями 2800+, …, 3400+. Компанія AMD в 2005 р. анонсувала випуск двоядерних процесорів Athlon 64 Х2 для настільних систем та лінійку серверних двоядерних процесорів Opteron. PR-рейтинг Athlon 64 Х2 знаходиться в діапазоні від 3800+ до 6000+ (2008 р.). Як видно, вибрати лідера серед перерахованих МП зовсім не просто.

Контролери, адаптери

Контролер(або адаптер, що у перекладі з англійської мови означає допоміжний пристрій) – це спеціальна електронна схема, яка керує роботою периферійного пристрою (дисководом, вінчестером, монітором тощо) і забезпечує зв’язок цього пристрою з материнською платою. Обмін інформацією між ОП, мікропроцесором та зовнішнім пристроєм відбувається не прямо, а через спеціальну схему – контролер.

Відмітимо, що на всіх сучасних материнських платах уже присутні контролери клавіатури, миші, накопичувачів, вінчестерів (з інтерфейсом IDE). До плат, що розширяють можливості ПК відносяться плата модема, відеокарта, звукова карта, мережна карта та ін. Якість зображення на екрані монітора залежить від двох складових – це від самого монітора та від графічного адаптера.

Последнее изменение этой страницы: 2016-07-23

lectmania.ru. Все права принадлежат авторам данных материалов. В случае нарушения авторского права напишите нам сюда...