Аппаратное обеспечение компьютера

     С началом серийного выпуска ЭВМ  начали условно делить по поколениям;  

Поколения ЭВМ

     В истории вычислительной техники  существует своеобразная периодизация ЭВМ по поколениям. В ее основу первоначально  был положен физико-технологический  принцип: машину относят к тому или  иному поколению в зависимости  от используемых в ней физических элементов или технологии их изготовления. Границы поколений во времени  размыты, так как в одно и то же время выпускались машины совершенно разного уровня. Когда приводят даты, относящиеся к поколениям, то скорее всего имеют в виду период промышленного производства; проектирование велось существенно раньше, а встретить в эксплуатации весьма экзотические устройства можно и сегодня.⁵

     В настоящее время физико-технологический  принцип не является единственным при определении принадлежности той или иной ЭВМ к поколению. Следует считаться и с уровнем программного обеспечения, с быстродействием, другими факторами, основные из которых сведены в прилагаемую табл. 4.1.

     Следует понимать, что разделение ЭВМ по поколениям весьма относительно. Первые ЭВМ, выпускавшиеся до начала 50-х годов, были «штучными» изделиями, на которых отрабатывались основные принципы; нет особых оснований относить их к какому-либо поколению. Нет единодушия и при определении признаков пятого поколения. В середине 80-х годов считалось, что основной признак этого (будущего) поколения - полновесная реализация принципов искусственного интеллекта. Эта задача оказалась значительно сложнее, чем виделось в то время, и ряд специалистов снижают планку требований к этому этапу (и даже утверждают, что он уже состоялся). В истории науки есть аналоги этого явления: так, после успешного запуска первых атомных электростанций в середине 50-х годов ученые объявили, что запуск многократно более мощных, дающих дешевую энергию, экологически безопасных термоядерных станций, вот-вот произойдет; однако, они недооценили гигантские трудности на этом пути, так как термоядерных электростанций нет и по сей день.

     В то же время среди машин четвертого поколения разница чрезвычайно  велика, и поэтому в табл. 4.1 соответствующая  колонка разделена на на две: А и Б. Указанные в верхней строчке даты соответствуют первым годам выпуска ЭВМ. Многие понятия, отраженные в таблице, будут обсуждаться в последующих разделах учебника; здесь ограничимся кратким комментарием.

     Чем младше поколение, тем отчетливее классификационные  признаки. ЭВМ первого, второго и  третьего поколений сегодня, в конце 90-х годов - в лучшем случае музейные экспонаты.⁶ Машина первого поколения - десятки стоек, каждая размером с большой книжный шкаф, наполненных электронными лампами, лентопротяжными устройствами, громоздкие печатающие агрегаты, и все это на площади сотни квадратных метров, со специальными системами охлаждения, источниками питания, постоянно гудящее и вибрирующее (почти как в цехе машиностроительного завода). Обслуживание - ежечасное. Часто выходящие из строя узлы, перегорающие лампы, и вместе с тем невиданные, волшебные возможности для тех, кто, например, занят математическим моделированием. Быстродействие до 1000 оп/с и память на 1000 чисел делало доступным решение задач, к которым раньше нельзя было и подступиться.

     Приход  полупроводниковой техники (первый транзистор был создан в 1948 г., а первая ЭВМ с их использованием - в 1956 г.) резко изменил вид машинного  зала -более нормальный температурный режим, меньший гул (лишь от внешних устройств) и, самое главное, возросшие возможности для пользователя. Впрочем, непосредственного пользователя к машинам первых трех поколений почти никогда не подпускали - около них колдовали инженеры, системные программисты и операторы, а пользователь чаще всего передавал в узкое окошечко или клал на стеллаж в соседнем помещении рулон перфоленты или колоду перфокарт, на которых была его программа и входные данные задачи. Доминировал для машин первого и второго поколении монопольный режим пользования машиной и/или режим пакетной обработки; в третьем поколении добавился более выгодный экономически и более удобный для пользователей удаленный доступ - работа через выносные терминалы в режиме разделения времени.

     Уже начиная со второго поколения, машины стали делиться на большие, средние  и малые по признакам размеров, стоимости, вычислительных возможностей. Так, небольшие отечественные машины второго поколения («Наири», «Раздан», «Мир» и др.) с производительностью порядка 10⁴ оп/с были в конце 60-х годов вполне доступны каждому вузу, в то время как упомянутая выше БЭСМ-6 имела профессиональные показатели (и стоимость) на 2 - 3 порядка выше.⁷

     В начале 70-х годов, с появлением интегральных технологий в электронике, были созданы  микроэлектронные устройства, содержащие несколько десятков транзисторов и  резисторов на одной небольшой (площадью порядка 1 см² ) кремниевой подложке. Без пайки и других привычных тогда в радиотехнике действий на них «выращивались» электронные схемы, выполняющие функции основных логических узлов ЭВМ (триггеры, сумматоры, дешифраторы, счетчики и т.д.). Это позволило перейти к третьему поколению ЭВМ. техническая база которого - интегральные схемы.

     При продвижении от первого к третьему поколению радикально изменились возможности  программирования. Написание программ в машинном коде для машин первого  поколения (и чуть более простое  на Ассемблере) для большей части  машин второго поколения является занятием, с которым подавляющее  большинство современных программистов  знакомятся при обучении в вузе, а потом забывают. Появление процедурных  языков высокого уровня и трансляторов с них было первым шагом на пути радикального расширения круга программистов. Научные работники и инженеры сами стали писать программы для  решения своих задач.

     Уже в третьем поколении появились  крупные унифицированные серии  ЭВМ. Для больших и средних  машин в США это прежде всею семейство IBM 360/370. В СССР 70-е и 80-е годы были временем создания унифицированных серии: ЕС (единая система) ЭВМ (крупные и средние машины), СМ (система малых) ЭВМ и «Электроника» (серия микро-ЭВМ). В их основу были положены американские прототипы фирм IBM и DEC (Digital Equipment Corporation). Были созданы и выпущены десятки моделей ЭВМ, различающиеся назначением и производительностью. Их выпуск был практически прекращен в начале 90-х годов, но многие из них еще используются в самых разных сферах деятельности, включая образование (например, компьютеры ДВК, БК, а также УКНЦ - аналоги мини-ЭВМ типа PDP-11 фирмы DEC).⁸

Персональные  компьютеры

     Подлинную революцию в вычислительной технике  произвело создание микропроцессора. В 1971 г. компанией «Intel» (США) было создано устройство, реализующее на одной крошечной микросхеме функции процессора - центрального узла ЭВМ. Последствия этого оказались огромны не только для вычислительной техники, но и для научно-технического прогресса в целом. В области разработки ЭВМ первым таким последствием оказалось создание персональных компьютеров (ПК) -небольших и относительно недорогих ЭВМ, способных аккумулировать и усиливать интеллект своего персонального хозяина (впрочем, заметим, что как и всякое техническое средство, ПК способен и на обратный эффект - напрасно отнимать время и подавлять интеллект).

     Небольшие компьютеры, предназначенные для  одного пользователя, который в каждый момент решает не более одной задачи, использовались в профессиональной деятельности уже в начале 70-х  годов. Восьмиразрядные микропроцессоры  i8080 и Z80 в сочетании с операционной системой СР/М позволили создать ряд таких компьютеров, но тем не менее началом эры их массового появления стал 1976 г., когда появился знаменитый «Apple» («Яблоко»), созданный молодыми американскими инженерами Стивом Возняком и Стивом Джобсом. За несколько лет было продано около 2 млн. экземпляров лишь этих ПК (особенно «Apple-2»), т.е. впервые в мировой практике компьютер стал устройством массового производства. Вскоре лидерство в этой области захватила фирма IBM - компьютерный гигант, представивший в 1981 г. свой персональный компьютер IBM PC (PC - persona computer). Его модели PC XT (1983 г.). PC AT (1984 г.), ПК с микропроцессором Pentium (начало 90-х годов; содержит более 3 миллионов транзисторов!) стали, каждый в свое время, ведущими на мировом рынке ПК. В настоящее время производство ПК ведут десятки фирм (а комплектующие выпускают сотни фирм) по всему миру.⁹

Ближайшим конкурентом компьютеров IBM PC являются персональные компьютеры фирмы «Apple Computer». Пришедшие на смену «Apple-2» машины «Macintosh» широко используются в системах образования многих стран.

     В дальнейшем, по мере знакомства с архитектурой ЭВМ, рассказ о ПК будет продолжен. Сейчас же уточним характеристики, которые в совокупности позволяют  отнести компьютер к этой группе:

     • относительно невысокая стоимость (доступная для приобретения в личное пользование значительной частью населения):

     • наличие «дружественных» операционной и интерфейсной систем, которые максимально  упрощают пользователю работу с компьютером;

     • наличие достаточно развитого и  относительно недорогого набора внешних  устройств в «настольном» исполнении;

     • наличие аппаратных и программных  ресурсов общего назначения, позволяющих  решать реальные задачи по многим видам  профессчональной деятельности.

     За  четверть века, прошедшие с момента  создания ПК, уже сменилось несколько  их поколении: 8-битные, 16-битные, 32-битные. Многократно усовершенствовались  внешние устройства, все операциональное окружение, включая сети, системы связи, системы программирования, программное обеспечение и т.д. Персональный компьютер занял нишу «персонального усилителя интеллекта» множества людей, стал в ряде случаев ядром автоматизированного рабочего места (в цехе, в банке, в билетной кассе, в школьном классе- все перечислить невозможно).¹⁰ 
 
 
 
 

ГЛАВА 2 АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРА

2.1Основные устройства 

1. Материнская плата - основная плата компьютера. На ней размещаются:
1. процессор - основная микросхема, выполняющая арифметические и логические операции - мозг компьютера. Процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называются регистрами. Часть регистров являются командными, то есть такими, которые воспринимают данные как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах. Управляя засылкой данных в разные регистры, можно управлять обработкой данных. На этом основано исполнение программ. С остальными устройствами процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами. Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина. Адресная шина состоит из 32 параллельных проводников(32-разрядная). По ней передаются адреса ячеек оперативной памяти. К ней подключается процессор для копирования данных из ячейки ОП в один из своих регистров. Само копирование происходит по шине данных. В современных компьютерах она, как правило, 64-разрядная, т.е. одновременно на обработку поступает 8 байт. По командной шине передаются команды из той области ОП, в которой хранятся программы. В большинстве современных компьютеров командная шина 32-разрядная, но есть уже и 64-разрядные. Основными характеристиками процессора являются разрядность, тактовая частота и кэш-память. Разрядность указывает, сколько бит информации процессор может обработать за один раз(один такт).¹¹ Тактовая частота определяет количество тактов за секунду, например, для процессора выполняющего около 3 миллиардов тактов за секунду тактовая частота равна 3 Ггц/сек. Обмен данными внутри процессора происходит быстрее, чем с оперативной памятью. Для того, чтобы уменьшить число обращений к ОП, внутри процессора создают буферную область - кэш-память. Принимая данные из ОП, процессор одновременно записывает их в кэш-память. При последующем обращении процессор ищет данные в кэш-памяти. Чем больше кэш-память, тем быстрее работает компьютер.
2. микропроцессорный комплект (чипсет) - набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств и определяющих основные функциональные возможности материнской платы.
3. шины- наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами .
4. оперативная память- набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных. Оперативная память(RAM - random access memory) - массив ячеек, способных хранить данные. память может быть динамической и статической. Ячейки динамической памяти можно представить в виде микроконденсаторов, накапливающих электрический заряд. Динамическая память является основной оперативной памятью компьютера. Ячейки статической памяти представляют собой триггеры -элементы в которых хранится не заряд, а состояние(включен/выключен). Этот вид памяти более быстрый, но и более дорогой и используется в т.н. кэш-памяти, предназначенной для оптимизации работы процессора. Оперативная память размещается на стандартных панельках(модулях, линейках). Модули вставляются в специальные разъёмы на материнской плате.
5. ПЗУ- постоянное запоминающее устройство. В момент включения компьютера его оперативная память пуста. Но процессору, чтобы начать работать, нужны команды.¹² Поэтому сразу после включения на адресной шине выставляется стартовый адрес. Это происходит аппаратно. Этот адрес указывает на ПЗУ. В ПЗУ находятся "зашитые" программы, которые записываются туда при создании микросхем ПЗУ и образуют базовую систему ввода-вывода(BIOS - Base Input/Output System). Основное назначение этого пакета - проверить состав и работоспособность базовой конфигурации компьютера и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жёстким диском и дисководом гибких дисков.
6. разъёмы для подключения дополнительных внутренних устройств (слоты).
2. Жёсткий диск.

Жёсткий диск - устройство для долговременного  хранения больших объёмов данных и программ. На самом деле, это не один диск, а группа дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой скоростью. Над поверхностью каждого диска располагается головка чтения-записи. При высоких скоростях вращения возникает аэродинамическая подушка между поверхностью диска и головкой. При изменении силы тока, протекающего через головку, меняется напряженность магнитного поля в зазоре, что вызывает изменение магнитного поля ферромагнитных частиц, образующих покрытие диска. Так осуществляется запись на диск. Чтение происходит в обратном порядке. Намагниченные частицы наводят в головке ЭДС самоиндукции, возникают электромагнитные сигналы, которые усиливаются и передаются на обработку. Управление работой жёсткого диска осуществляется специальным устройством - контроллером жесткого диска. Функции контроллера частично вмонтированы в жёсткий диск, а частично находятся на микросхемах чипсета. Отдельные виды высокопроизводительных контроллеров поставляются на отдельной плате.¹³ 
 

3. Дисковод  гибких дисков.

Для оперативного переноса небольших (до 1.4Мб) объёмов информации используются гибкие диски, которые вставляют в специальный  накопитель - дисковод.

4. Дисковод для компакт-дисков CD или DVD.

Принцип действия устройства CD состоит в  считывании(записи) данных, с помощью лазерного луча, отражающегося от поверхности диска. При этом плотность записи, по сравнению с магнитными дисками, очень высокая. На стандартный CD-диск можно записать до 650Мб. Появление формата DVD ознаменовало собой переход на новый, более продвинутый, уровень в области хранения и использования данных, звука и видео.  Первоначально аббревиатура DVD расшифровывалась, как digital video disc, это оптические диски с большой емкостью. Эти диски используются для хранения компьютерных программ и приложений, а так же полнометражных фильмов и высококачественного звука. Поэтому, появившаяся несколько позже расшифровка аббревиатуры DVD, как digital versatile disc, т.е. универсальный цифровой диск - более логична.  Снаружи, диски DVD выглядят как обычные диски CD-ROM. Однако возможностей у DVD гораздо больше. Диски DVD могут хранить в 26 раз больше данных, по сравнению с обычным CD-ROM. Имея физические размеры и внешний вид, как у обычного компакт-диска или CD-ROM, диски DVD стали огромным скачком в области емкости для хранения информации, по сравнению со своим предком, вмещающим 650MB данных. Стандартный однослойный, односторонний диск DVD может хранить 4.7GB данных.¹⁴ Но это не предел -- DVD могут изготавливаться по двухслойному стандарту, который позволяет увеличить емкость хранимых на одной стороне данных до 8.5GB. Кроме этого, диски DVD могут быть двухсторонними, что увеличивает емкость одного диска до 17GB.