Архитектура ПК

Введение 

    Каждый  архитектор, который создаёт проект нового здания, обязан позаботиться как  о его красоте и форме, так  и представить подробный план этого здания,  предусмотрев его  надежность, безопасность и удобство. Таким образом, он решает вопросы  взаимодействия проектируемого здания с окружающей средой и с людьми, для которых это здание строится.  Практически то же самое можно сказать и об архитектуре компьютера, которая связана с набором определённых качеств, которые влияют на её взаимодействие с пользователем. Под понятием «Архитектура ПК» понимается его логическая организация, совокупность его свойств и характеристик, существенных для пользователя и конечно же структура. Основное внимание при этом уделяется структуре и функциональным возможностям машины, которые в свою очередь можно разделить на два типа: основные и дополнительные. Основные функции определяют назначение ЭВМ: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами. Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций, т.е.  обеспечивают эффективные режимы ее работы, диалог с пользователем, высокую надежность и т.д. Названные функции ЭВМ реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных средств. Мы различаем внешнюю архитектуру и внутреннюю архитектуру. Во внешнюю архитектуру входит то, что видят люди, которые используют машину для своих целей. Внутренняя архитектура – это то, из чего состоит машина и на чем основывается накопление, обработка и передача информации внутри машины.

1 Основные понятия  об архитектуре  современного ПК 

    Компьютер — это многофункциональное электронное  устройство, которое служит для  обработки и передачи информации. Архитектура ЭВМ -  совокупность общих принципов организации  аппаратно-программных средств и  их характеристик, которая определяет функциональные возможности компьютера при решении всевозможных задач.      В основу построения большинства ЭВМ положены принципы, которые в 1945 году сформулировал Джон фон Нейман. Существует три основных принципа построения современных ПК:      Принцип программного управления (программа состоит из набора определённых  команд, выполняющихся процессором автоматически друг за другом в определённой последовательности).     Принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными).          Принцип адресности (основная память структурно состоит из нумерованных ячеек).          ЭВМ, построенные на этих принципах, имеют классическую архитектуру и относятся к типу «Фон Неймановских". Помимо основополагающих принципов логического устройства ЭВМ Фон Нейман предложил и  ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Архитектура ПК определяет принцип действия, информационные связи и соединение основных логических узлов компьютера, таких как центральный процессор, основная память, внешняя память, периферийные  устройства,  между собой. Характерной особенностью архитектуры Джона фон Неймана является то, что память представляет собой единое адресное пространство, которое  предназначено для хранения  программ  и данных.

2 Компьютеры и их  виды 

    Компьютер (англ. computer — «вычислитель»)— это  электронная вычислительная машина (ЭВМ), предназначенная для передачи, хранения и обработки информации.          В настоящее время словосочетание «электронная вычислительная машина» практически уже не употребляется. Данную аббревиатуру используют в качестве правового  термина в юридических документах, а также в историческом смысле — для обозначения компьютерной техники 1940-80-х годов.           Компьютер способен обрабатывать информацию по определённому алгоритму при помощи вычислений. Таким образом, любая задача для компьютера является последовательностью вычислений.   Персональный компьютер (англ. Personal computer) предназначен для личного использования. Его цена, размеры и возможности  удовлетворяют запросам большого количества людей. Изначально компьютер был создан для выполнения вычислительных операций, но сейчас он всё чаще используется в качестве инструмента, с помощью которого можно получать доступ к компьютерным сетям.          Данный термин был введён в употребление в конце 1970-х годов компанией Apple Computer для своего компьютера Apple II и впоследствии он был перенесён на компьютеры IBM PC. Некоторое время персональным компьютером называли любую машину, которая использовала процессоры Intel и работала под управлением операционных систем DOS, OS/2 и первых версий Microsoft Windows. Но с появлением других процессоров, поддерживающих работу перечисленных программ, таких, как AMD, Cyrix, данное название стало иметь более широкую трактовку. Основным фактом этому стало противопоставление «персональным компьютерам» вычислительных машин Amiga и Macintosh, которые  долгое время использовали альтернативную компьютерную архитектуру.    На сегодняшний день  существует несколько видов персональных компьютеров, к числу самых распространённых относятся  так называемые IBM-совместимые и серии Macintosh, или Мас. Компьютеры Мас имеют свое программное обеспечение и стандарты для устройств, поэтому несовместимы с IBM-компьютерами.          Устройства персонального компьютера подразделяются на внутренние, которые находятся  внутри системного блока, и внешние, которые подключаются к системному блоку через информационные кабели.  Ноутбук (англ. notebook — блокнот, блокнотный ПК) — портативный персональный компьютер, в корпусе которого объединены типичные компоненты ПК, включая дисплей, клавиатуру и устройство указания, а также аккумуляторные батареи. Ноутбуки отличаются своими компактными  размерами и весом, время автономной работы ноутбуков изменяется в пределах от 1 до 15 часов.       Дополнительно в комплект персонального компьютера могут быть включены другие внешние устройства — сканер, плоттер, джойстик, колонки, внешний жесткий диск и др.          История появления персональных компьютеров берет начало со дня появления обыкновенных счетов, которые на долгие века оставались почти единственным видом вычислительной техники. Кое-какие новые идеи начали появляться уже в XVI веке. Именно тогда испанский монах Раймунд Луллит выдвинул идею логической машины, однако конкретная реализация вычислительных устройств началась лишь в середине прошлого века. Первая простая машина для сложения и вычитания шестиразрядных чисел была создана астрономом Уильямом Шикардом в 1623 году. При помощи специальных счетов можно было производить операции умножения, а если результат превышал возможности машины, то звонил специальный колокольчик.

3 Внешняя архитектура

    Внешняя архитектура – это те устройства, которые видят люди, работающие с  компьютером. Она представляет собой  соединение монитора, клавиатуры, мыши и акустической системы к системному блоку. Системный блок— функциональный элемент, который защищает внутренние компоненты персонального компьютера как от внешнего воздействия, так и от механических повреждений, поддерживающий необходимый температурный режим  и являющийся  основой для дальнейшего расширения системы. Чаще всего системные блоки  изготавливаются из деталей на основе стали, алюминия и пластика, также иногда используются такие материалы, как древесина или органическое стекло.             В системном блоке расположены:

• Материнская плата с установленным на ней процессором, ОЗУ, картами расширения (видеокарта, звуковая карта, сетевая плата);
• Отсеки для накопителей — жёстких дисков, оптических приводов и т. п.;
• Блок питания;
• Фронтальная панель с кнопками включения и перезагрузки, индикаторами питания и накопителей, опционально гнёзда для наушников и микрофона, интерфейсы передачи данных.

     Монитор, дисплей  — универсальное устройство визуального отображения всех видов  информации. Различают алфавитно-цифровые и графические мониторы, а также  монохромные мониторы и мониторы цветного изображения — активно-матричные  и пассивно-матричные ЖКМ. Современный  монитор состоит из корпуса, блока  питания, плат управления и экрана. Информация (видеосигнал) для вывода на монитор поступает с компьютера посредством видеокарты, либо с другого  устройства, формирующего видеосигнал.

По виду выводимой информации:

1. алфавитно-цифровые
• дисплеи, отображающие только алфавитно-цифровую информацию;
• дисплеи, отображающие псевдографические символы;
• интеллектуальные дисплеи, обладающие редакторскими возможностями и осуществляющие предварительную обработку данных.
2. графические
• векторные (vector-scandisplay) – лазерное световое шоу;
• растровые (raster-scandisplay) – используется практически в каждой графической подсистеме PC; IBM назвала этот тип отображения информации (начиная с CGA) отображением с адресацией всех точек (All-Points-Addressable, APA), – в наст.время дисплеи такого типа обычно называют растровыми (графическими), поскольку каждому элементу изображения на экране соответствует один или несколько бит в видеопамяти.

По типу экрана:

ЭЛТ —  на основе электронно-лучевой трубки;

ЖК —  жидкокристаллические мониторы;

Плазменный  — на основе плазменной панели;

Проектор  — видеопроектор и экран, размещённые  отдельно или объединённые в одном  корпусе (как вариант — через  зеркало или систему зеркал) и  проекционный телевизор;

OLED-монитор  — на технологии OLED (органический  светоизлучающий диод);

Виртуальный ретинальный монитор — технология устройств вывода, формирующая изображение  непосредственно на сетчатке глаза;

Лазерный  — на основе лазерной панели (пока только внедряется в производство).

    Клавиатура  компьютера — устройство, представляющее собой набор кнопок (клавиш), предназначенных  для управления каким-либо устройством  или для ввода информации. Стандартная компьютерная клавиатура, также называемая клавиатурой PC/AT или AT-клавиатурой (поскольку она начала поставляться вместе с компьютерами серии IBM PC/AT), имеет 101 или 102 клавиши. Клавиатуры, которые поставлялись вместе с предыдущими сериями — IBM PC и IBM PC/XT, — имели 86 клавиш. Расположение клавиш на AT-клавиатуре подчиняется единой общепринятой схеме, спроектированной в расчёте на английский алфавит.        По своему назначению клавиши на клавиатуре делятся на шесть групп:

• функциональные;
• алфавитно-цифровые;
• управления курсором;
• цифровая панель;
• специализированные;
• модификаторы.

    Двенадцать  функциональных клавиш расположены  в самом верхнем ряду клавиатуры. Ниже располагается блок алфавитно-цифровых клавиш. Правее этого блока находятся  клавиши управления курсором, а с  самого правого края клавиатуры —  цифровая панель.       Манипулятор «мышь»— механический манипулятор, преобразующий механические движения в движение курсора на экране. Принцип действия: мышь воспринимает своё перемещение в рабочей плоскости  и передаёт эту информацию компьютеру. Программа, работающая на компьютере, в ответ на перемещение мыши производит на экране действие, которое отвечает направлению и расстоянию этого перемещения. В универсальных интерфейсах (например, в оконных) с помощью мыши пользователь управляет специальным курсором — указателем — манипулятором элементами интерфейса.           В дополнение к детектору перемещения, мышь имеет от одной до трёх и более кнопок, а также дополнительные элементы управления (колёса прокрутки, потенциометры, джойстики, трекболы, клавиши и т. п.), действие которых обычно связывается с текущим положением курсора (или составляющих специфического интерфейса).Элементы управления мыши во многом являются воплощением идей аккордной клавиатуры (то есть, клавиатуры для работы вслепую). Мышь, изначально создаваемая в качестве дополнения к аккордной клавиатуре, фактически её заменила.   Принтер- устройство печати цифровой информации на твёрдый носитель, обычно на бумагу. Относится к терминальным устройствам компьютера. Процесс печати называется вывод на печать, а получившийся документ — распечатка или твёрдая копия.     Принтеры бывают матричные, струйные, лазерные и сублимационные, а по цвету печати — чёрно-белые (монохромные) и цветные. Иногда из лазерных принтеров выделяют в отдельный вид светодиодные принтеры.  Матричный принтер - компьютерный принтер, создающий изображение на бумаге из отдельных маленьких точек ударным способом. Матричные принтеры — старейшие из доныне применяемых принтеров. Их механизм был изобретён в 1964 году корпорацией Seiko Epson.    Струйный принтер - один из видов принтеров, принцип действия которого похож на матричный принтер тем, что изображение на носителе формируется из точек. Но вместо головок с иголками в струйных принтерах используется матрица, печатающая жидкими красителями. Картриджи с красителями бывают со встроенной печатающей головкой — в основном такой подход используется компаниями Hewlett-Packard, Lexmark. Фирмы, в которых печатающая матрица является деталью принтера, а сменные картриджи содержат только краситель.      Лазерный принтер - один из видов принтеров, позволяющий быстро изготавливать высококачественные отпечатки текста и графики на обыкновенной бумаге. Подобно фотокопировальным аппаратам лазерные принтеры используют в работе процесс ксерографической печати, однако отличие состоит в том, что формирование изображения происходит путём непосредственного сканирования лазерным лучом фоточувствительных элементов принтера.        Сублимационный принтер (термосублимационный принтер) — принтер, печатающий изображение на плотных твердых поверхностях путем внесения твердотельного (обычно кристаллического) красителя под поверхность бумаги. На данный момент принтер обычно используют для печати изображений на пластиковых картах и на CD, DVD. Для печати фотографий сублимационный принтер используют редко из-за их дороговизны.  Сканер  - устройство, которое, анализируя какой-либо объект (обычно изображение, текст), создаёт цифровую копию изображения объекта. Процесс получения этой копии называется сканированием. В большинстве сканеров для преобразования изображения в цифровую форму применяются светочувствительные элементы на основе приборов с зарядовой связью. На сегодняшний день наиболее распространены  многофункциональные устройства (МФУ), в которых в одном приборе объединены функции принтера, сканера, копировального аппарата и телефакса. Такое объединение рационально технически и удобно в работе.

4 Внутренняя архитектура  ПК 

    Внутренняя  архитектура – это устройства, которые обеспечивают процессы накопления, обработки, хранения. Представления  и передачи информации внутри машины. Большинство из них находятся  в системном блоке.            Чипсет - набор микросхем, спроектированных для совместной работы с целью выполнения набора каких-либо функций. Так, в компьютерах чипсет выполняет роль связующего компонента, обеспечивающего совместное функционирование подсистем памяти, ЦПУ, ввода-вывода и других. Чипсеты встречаются и в других устройствах, например, в радиоблоках сотовых телефонов.            Раньше компьютер имел до 2-х сотен микросхем на материнской плате. Современные компьютеры содержат две основные большие микросхемы чипсета:

• контроллер-концентратор памяти (MCH) или северный мост(англ. North Bridge), который обеспечивает работу процессора с памятью и с видеоподсистемой;
• контроллер-концентратор ввода-вывода (ICH) или южный мост (англ. South Bridge), обеспечивающий работу с внешними устройствами.

    Выбор типа чипсета зависит от процессора, с которым он работает, и определяет разновидности внешних устройств (видеокарты, винчестера и др.). В  характеристиках каждого процессора можно найти, с какими чипсетами  он может работать.          Материнская плата - это сложная многослойная печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера (центральный процессор, контроллер ОЗУ и собственно ОЗУ, загрузочное ПЗУ, контроллеры базовых интерфейсов ввода-вывода). Как правило, материнская плата содержит разъёмы (слоты) для подключения дополнительных контроллеров, для подключения их обычно используются шины USB, PCI и PCI-Express.       Оперативная память (также оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) — в информатике — память, часть системы памяти ЭВМ, в которую процессор может обратиться за одну операцию (jump, move и т. п.). Она предназначена для временного хранения данных и команд, необходимых процессору для выполнения им операций. Оперативная память передаёт процессору данные непосредственно, либо через кеш-память. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой индивидуальный адрес.

    ОЗУ может изготавливаться как отдельный  блок или входить в конструкцию  однокристальной ЭВМ или микроконтроллера.  Загрузочное ПЗУ — хранит ПО, которое исполняется сразу после включения питания. Как правило, загрузочное ПЗУ содержит BIOS, однако может содержать и ПО, работающие в рамках EFI.    Центральный процессор (центральное вычислительное устройство) - исполнитель машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающий за выполнение операций, заданных программами.    Современные ЦП, выполняемые в виде отдельных микросхем (чипов), реализующих все особенности, присущие данного рода устройствам, называют микропроцессорами. С середины 1980-х последние практически вытеснили прочие виды ЦП, вследствие чего термин стал всё чаще и чаще восприниматься как обыкновенный синоним слова «микропроцессор». Тем не менее, это не так: центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы больших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС).           Изначально термин Центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.  Видеокарта - устройство, преобразующее изображение, находящееся в памяти компьютера, в видеосигнал для монитора.     Обычно видеокарта является платой расширения и вставляется в разъём расширения, универсальный (PCI-Express, PCI, ISA, VLB, EISA, MCA) или специализированный (AGP), но бывает и встроенной (интегрированной) в системную плату (как в виде отдельного чипа, так и в качестве составляющей части северного моста чипсета или ЦПУ).     Современные видеокарты не ограничиваются простым выводом изображения, они имеют встроенный графический микропроцессор, который может производить дополнительную обработку, разгружая от этих задач центральный процессор компьютера. Например, все современные видеокарты NVIDIA и AMD (ATi) поддерживают приложения OpenGL на аппаратном уровне. В последнее время также имеет место тенденция использовать вычислительные способности графического процессора для решения неграфических задач.