Архитектура современных компьютеров

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

Темой моей курсовой работы является «Архитектура современных компьютеров». Персональный компьютер (ПК) - это настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения.

Трудно представить себе жизнь современного человека без компьютера. Его мы встречаем повсюду: в аэропорту, на производственном предприятии, в больнице, в школе. История компьютеров - в отличие от других изобретений человека - невелика: лишь в 40-е годы прошлого столетия было, положено начало созданию вычислительной машины современной архитектуры и с современной логикой. И вот менее чем за полвека компьютер проделал в своем развитии и совершенствовании такой стремительный путь, с каким не сравнится ни одно другое изобретение человека, включая атомную энергию и космическую технику. Благодаря успехам электроники, в частности массовому производству интегральных схем, компьютер превратился из гигантского монстра, занимавшего в 50-е годы целые залы, в довольно компактное создание, которое удобно размещается на письменном столе или даже встраивается в корпус наручных часов. Ныне компьютер стал неотъемлемой частью нашей повседневной жизни.

С каждым новым поколением ЭВМ увеличивались быстродействие и надежность их работы при уменьшении стоимости и размеров, совершенствовались устройства ввода и вывода информации. В соответствии с трактовкой компьютера - как технической модели информационной функции человека - устройства ввода приближаются к естественному для человека восприятию информации (зрительному, звуковому) и, следовательно, операция по её вводу в компьютер становится всё более удобной для человека.

Современный компьютер - это универсальное, многофункциональное, электронное автоматическое устройство для работы с информацией. Компьютеры в современном обществе взяли на себя значительную часть работ, связанных с информацией. По историческим меркам компьютерные технологии обработки информации ещё очень молоды и находятся в самом начале своего развития. Ещё ни одно государство на Земле не создало информационного общества. Ещё много потоков информации, не вовлеченных в сферу действия компьютеров.

Компьютерные технологии сегодня преобразуют или вытесняют старые, докомпьютерные технологии обработки информации. Текущий этап завершится построением в индустриально развитых странах глобальных всемирных сетей для хранения и обмена информацией, доступных каждой организации и каждому члену общества. Сегодня компьютерам поручаются те задачи, которые он может выполнить лучше, быстрее и качественнее человека, те задачи, которые человек может по какой либо причине являются либо трудновыполнимыми, либо требующими большой внимательности, либо требующими больших объемов вычислений.

Актуальность выбранной темы связана с тем, что современный рынок компьютерной техники столь разнообразен, что довольно не просто определить конфигурацию ПК с требуемыми характеристиками. Без специальных знаний здесь практически не обойтись.

Цель данной курсовой работы - дать основное представление о структуре и функциях аппаратной части персонального компьютера. Другими словами определить архитектуру современного ПК, которая будет описана в представленной курсовой работе.

Архитектор, проектируя здание, обязан не только позаботиться о его красоте и форме, но и представить подробный план здания (структуры), предусмотреть надежность, безопасность, удобство его эксплуатации и использование эффективных технологий. Таким образом, он решает вопросы взаимодействия проектируемого здания с окружающей средой, с людьми, для которых здание строится.

Подобное можно сказать и об архитектуре компьютера, которая связана с набором качеств, влияющих на ее взаимодействие с пользователем. Под архитектурой компьютера понимается его логическая организация, структура, совокупность его свойств и характеристик, существенных для пользователя. Основное внимание при этом уделяется структуре и функциональным возможностям машины, которые можно разделить на основные и дополнительные. Основные функции определяют назначение ЭВМ: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами. Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций: обеспечивают эффективные режимы ее работы, диалог с пользователем, высокую надежность и др. Названные функции ЭВМ реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных средств, компьютер, процессор, оперативная память.

Одним из существенных достоинств современного ПК является гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования и в быту.

Глава 1. История появления и представление о современном персональном компьютере

1.1. Появление персональных компьютеров

В 40-х и 50-х годах компьютеры создавались на основе электронных ламп. Поэтому компьютеры были очень большими (они занимали огромные залы), дорогими и ненадежными - ведь электронные лампы, как и обычные лампочки, часто перегорают. Но в 1948 г. были изобретены транзисторы - миниатюрные и недорогие электронные приборы, которые смогли заменить электронные лампы. Это привело к уменьшению размеров компьютеров в сотни раз и повышению их надежности. Первые компьютеры на основе транзисторов появились в конце 50-х годов, а к середине 60-х годов был созданы и значительно более компактные внешние устройства для компьютеров, что позволило фирме Digital Equipment выпустить в 1965 г. первый мини-компьютер PDP-8 размером с холодильник и стоимостью всего 20 тыс. дол. (компьютеры 40-х и 50-х годов обычно стоили миллионы дол.).

После появления транзисторов наиболее трудоемкой операцией при производстве компьютеров было соединение и спайка транзисторов для создания электронных схем. Но в 1959 г. Роберт Нойс (будущий основатель фирмы Intel) изобрел способ, позволяющий создавать на одной пластине кремния транзисторы и все необходимые соединения между ними. Полученные электронные схемы стали называться интегральными схемами, или чипами. В 1968 г. фирма Burroughs выпустила первый компьютер на интегральных схемах, а в 1970 г. фирма Intel начала продавать интегральные схемы памяти.^[1]

В дальнейшем количество транзисторов, которое удавалось разместить на единицу площади интегральной схемы, увеличивалось приблизительно вдвое каждый год, что и обеспечивает постоянное уменьшение стоимости компьютеров и повышение быстродействия.

В 1974 г. несколько фирм объявили о создании на основе микропроцессора Intel-8008 персонального компьютера, т. е. устройства, выполняющего те же функции, что и большой компьютер, но рассчитанного на одного пользователя. В начале 1975 г. появился первый коммерчески распространяемый персональный компьютер «Альтаир-8800» на основе микропроцессора Intel-8080. Этот компьютер продавался по цене около 500 долл. И хотя возможности его были весьма ограничены (оперативная память составляла всего 256 байт, клавиатура и экран отсутствовали), его появление было встречено с большим энтузиазмом: в первые же месяцы было продано несколько тысяч комплектов машины. Покупатели снабжали этот компьютер дополнительными устройствами: монитором для вывода информации, клавиатурой, блоками расширения памяти и так далее. Вскоре эти устройства стали выпускаться другими фирмами. В конце 1975 г. Пол Аллен и Билл Гейтс (будущие основатели фирмы Microsoft) создали для компьютера «Альтаир» интерпретатор языка Basic, что позволило пользователям достаточно просто общаться с компьютером и легко писать для него программы. Это также способствовало росту популярности персональных компьютеров.

Успех «Альтаир-8800» заставил многие фирмы также заняться производством персональных компьютеров. Персональные компьютеры стали продаваться уже в полной комплектации, с клавиатурой и монитором, спрос на них составил десятки, а затем и сотни тысяч штук в год. Появилось несколько журналов, посвященных персональным компьютерам. Росту объема продаж весьма способствовали многочисленные полезные программы практического значения. Появились и коммерчески распространяемые программы, например программа для редактирования текстов WordStar и табличный процессор VisiCalc (1978 г. и 1979 г. соответственно). Эти и многие другие программы сделали покупку персональных компьютеров весьма выгодной для бизнеса: с их помощью стало возможно выполнять бухгалтерские расчеты, составлять документы и т. д. Использование же больших компьютеров для этих целей было слишком дорого.^[2]

В конце 1970-х годов распространение персональных компьютеров даже привело к некоторому снижению спроса на большие компьютеры и мини-компьютеры (мини-ЭВМ). Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IBM - ведущей компании по производству больших компьютеров, и в 1979 г. фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров. Однако руководство фирмы недооценило будущую важность этого рынка и рассматривало создание персонального компьютера всего лишь как мелкий эксперимент - что-то вроде одной из десятков проводившихся в фирме работ по созданию нового оборудования. Чтобы не тратить на этот эксперимент слишком много денег, руководство фирмы предоставило подразделению, ответственному за данный проект, невиданную в фирме свободу. В частности, ему было разрешено не конструировать персональный компьютер «с нуля», а использовать блоки, изготовленные другими фирмами. И это подразделение сполна использовало предоставленный шанс.

В качестве основного микропроцессора компьютера был выбран новейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intel-8088. Его использование позволило значительно увеличить потенциальные возможности компьютера, так как новый микропроцессор позволял работать с 1 мегабайтом памяти, а все имевшиеся тогда компьютеры были ограничены 64 килобайтами.

В августе 1981 г. новый компьютер под названием IBM PC был официально представлен публике, и вскоре после этого он приобрел большую популярность у пользователей. Через пару лет компьютер IBM PC занял ведущее место на рынке, вытеснив модели 8-битовых компьютеров.

Секрет популярности IBM PC в том, что фирма IBM не сделала свой компьютер единым неразъемным устройством и не стала защищать его конструкцию патентами. Наоборот, она собрала компьютер из независимо изготовленных частей и не стала держать спецификации этих частей и способы их соединения в секрете. Напротив, принципы конструкции IBM PC были доступны всем желающим. Этот подход, называемый принципом открытой архитектуры, обеспечил потрясающий успех компьютеру IBM PC, хотя и лишил фирму IBM возможности единолично пользоваться плодами этого успеха. Вот как открытость архитектуры IBM PC повлияла на развитие персональных компьютеров.^[3]

1.2. Современные персональные компьютеры

Сегодня персональный компьютер стал еще более доступным для населения, более мощным и «гибким». Под «гибкостью» понимается приспособляемость компьютера к различным условиям эксплуатации. Если пользователю нужна мощная «рабочая лошадка», то он приобретает настольный компьютер, который, при желании, можно дополнить, обновить его аппаратную часть, для соответствия выполняемым задачам.

Если ключевое требование при выборе - это мобильность, то тут тоже огромный выбор переносных ПК, или ноутбуков. Их особенность состоит в том, что все базовые устройства ввода-вывода информации находятся в едином переносном корпусе, обладающим возможностью работать от аккумуляторной батареи. К тому же, благодаря повсеместному внедрению интерфейсa USB, к ноутбуку можно подключить любое устройство и считать с него данные. Сегодня на компьютерном рынке представлено огромное количество моделей ноутбуков, в тои числе и промышленные модели, защищенные от вредного воздействия пыли, влаги и воды, модели с повышенной и сверхвысокой емкостью аккумулятора, позволяющие работать без подключения к электрической сети максимально продолжительное время.^[4]

Отдельной категорией ПК следует отметить приобретшие в последнее время большую популярность нетбуки. Нетбук - это небольшой ноутбук, предназначенный для доступа к Интернету и работы с офисными приложениями. Нетбуки отличаются компактными размерами (диагональ экрана 7-10 дюймов или 17,8-25,4 см), небольшим весом, низким энергопотреблением и относительно невысокой стоимостью. Способствует повышению популярности нетбуков также операционная система Internet OS iСloud, которая представляет собой интерактивную веб-страницу, доступную по адресу os.icloud.com через современный веб-браузер и предназначена для выполнения в среде XML виртуальной машины (на стороне клиента) специально созданного программного обеспечения.

Проще говоря, эта ОС уже не установлена на машине пользователя, а на удаленном сервере, используя его ресурсы и дисковое пространство. К тому же, пользователь имеет доступ к своему личному рабочему столу из любой точки мира, с любого компьютера, снабженного доступом в Интернет. iCloud - одна из первых и самая на сегодняшний день стабильная сетевая ОС. Некоторые эксперты считают, что именно сетевые операционные системы, так называемые облака, в будущем полностью поменяют современное представление о ПК.^[5]

1.3. Применение компьютера

Первые компьютеры создавались исключительно для вычислений (что отражено в названиях «компьютер» и «ЭВМ»). Даже самые примитивные компьютеры в этой области во много раз превосходят людей (если не считать некоторых уникальных людей-счётчиков). Не случайно первым высокоуровневым языком программирования был Фортран, предназначенный исключительно для выполнения математических расчётов.

В современном мире невозможно представить себе бухгалтерию или планово-экономический отдел любого предприятия, не оснащенную ПК. Сейчас ПК - это и архивы документов, и легкий поиск документов по различным атрибутам, будь то дата, номер документа и так далее. Компьютеры заняты расчетом заработной платы, налоговых вычетов и тому подобных. Именно на ПК ведется учет любых средств предприятия. Другими словами, персональный компьютер - это «орудие труда» современного бухгалтера или экономиста.

Вторым крупным применением были базы данных. Прежде всего они были нужны правительствам и банкам. Базы данных требуют уже более сложных компьютеров с развитыми системами ввода-вывода и хранения информации. Для этих целей был разработан язык Кобол. Позже появились СУБД со своими собственными языками программирования.

Третьим применением было управление всевозможными устройствами. Здесь развитие шло от узкоспециализированных устройств (часто аналоговых) к постепенному внедрению стандартных компьютерных систем, на которых запускаются управляющие программы. Кроме того, всё большая часть техники начинает включать в себя управляющий компьютер.^[6]

Наконец, компьютеры развились настолько, что компьютер стал главным информационным инструментом как в офисе, так и дома. То есть, теперь почти любая работа с информацией осуществляется через компьютер - будь то набор текста или просмотр фильмов. Это относится и к хранению информации, и к её пересылке по каналам связи.

Современные суперкомпьютеры используются для моделирования сложных физических и биологических процессов. Например, для моделирования ядерных реакций или климатических изменений. Некоторые проекты проводятся при помощи распределённых вычислений, когда большое число относительно слабых компьютеров одновременно работает над небольшими частями общей задачи, формируя таким образом очень мощный компьютер. Наиболее сложным и слаборазвитым применением компьютеров является искусственный интеллект - применение компьютеров для решения таких задач, где нет чётко определённого более или менее простого алгоритма. Примеры таких задач - игры, машинный перевод текста, экспертные системы.

Глава 2. Основные принципы функционирования современного персонального компьютера и структура современного персонального компьютера

Исторически компьютер появился как машина для вычислений и назывался электронной вычислительной машиной - ЭВМ. Структура такого устройства была описана знаменитым математиком Джоном фон Нейманом в 1945 г. Современные компьютеры, базируясь на тех же принципах, имеют некоторые отличия, обусловленные развитием техники и служащие решению важных для пользователя задач (рис. 2.1).

Рис.2.1. - Структурная схема современного ПК^[7]

Компьютер состоит из:

АЛУ - арифметическое логическое устройство. Преобразует информацию, выполняя сложение, вычитание и основные логические операции «И», «ИЛИ», «НЕ».

УУ - устройство управления. Организует процесс выполнения программ.

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство, или память.

УВВ - устройства ввода и вывода. Получают информацию извне, выводят ее получателю.^[8]

Достижения микроэлектроники позволили объединить в одной сверхбольшой интегральной схеме, называемой микропроцессором (МП) или процессором, АЛУ и УУ. Уменьшение габаритов ОЗУ позволило разместить МП и ОЗУ на одной электронной плате, называемой системной, или материнской. Все связи между отдельными устройствами объединены в пучок параллельных проводов - локальную или системную шину. В состав этой шины входят шина данных, по которой передаются из ОЗУ в МП также и команды, шина адреса и шина управления. УВВ включают УВВ и управляющие ими контроллеры (карты), включаемые в системную плату или установленные прямо на ней.

В современных ПК возможна также параллельная работа нескольких процессоров. За счет распараллеливания выполнения одной задачи или параллельного выполнения многих задач достигается увеличение общей производительности компьютера. Для этого предусматривают цепи, связывающие между собой отдельные процессоры. Двухпроцессорные машины отличаются от однопроцессорных прежде всего именно более «мягкой» реакцией на действия пользователя, особенно если в системе одновременно запущено несколько задач.

Важным элементом структуры современного компьютера и принципа его действия являются сигналы и понятия прерываний. Если в микропроцессор извне поступает сигнал запроса на прерывание, выполнение текущей программы приостанавливается, в заранее определенной области ОЗУ сохраняются все промежуточные результаты и адрес останова в программе, и микропроцессор выполняет специальную программу обработки прерывания, в которой указано, что надо сделать в этом случае. После ее завершения восстанавливаются все промежуточные результаты, и микропроцессор продолжает выполнение текущей программы с запомненного ранее адреса.^[9]

В основу архитектуры современных ПК положен магистрально-модульный принцип. Этот принцип позволяет самим комплектовать нужную конфигурацию компьютера и при необходимости производить ее модернизацию. Модульная организация опирается на шинный метод обмена информацией между модулями (устройствами). Этот принцип также называют принципом открытой архитектуры.

Структура современного персонального компьютера

Структура компьютера - это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов (рис.2.2).

Рис. 2.2 - Структурная схема ПК^[10]

Рассмотрим принципы взаимодействия основных устройств ПК.

Материнская (системная) плата - важнейший элемент ПК, к которому подключено всё то, что составляет сам компьютер (рис. 3). В нее устанавливается процессор, оперативная память, микропроцессорный комплект (чипсет), с ней связаны жесткий диск и CD-ROM, к ней подключаются различные дополнительные устройства.^[11]

Таким образом, материнская плата, центральный процессор, оперативная память составляют основу ПК, от их производительности зависит производительность компьютера в целом. На материнской плате находятся специальные перемычки - джамперы, позволяющие подстроить ее под тип процессора и других устройств, устанавливаемых на ней. На материнской плате устанавливаются разъемы для установки дополнительных устройств - слоты расширения. Все дополнительные устройства взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных - шину.

Виды слотов расширения различаются по типу шины.

Аппаратно-логические устройства, отвечающие за совместное функционирование различных компонентов, называют интерфейсами.^[12]

Современный компьютер заполнен разными интерфейсами, обеспечивающими всеобщее взаимодействие. В основе построения интерфейсов лежат унификация и стандартизация (использование единых способов кодирования данных, форматов данных, стандартизация соединительных элементов - разъемов и т.д.). Именно совокупность интерфейсов, реализованных в компьютере, образует архитектуру компьютера.

Центральной частью компьютера является системный блок с присоединенными к нему клавиатурой, монитором и мышью (рис. 2.3).

Рис. 2.3 – Системный блок, монитор, клавиатура и мышь^[13]

Системный блок и монитор независимо друг от друга подключаются к источнику питания - сети переменного тока. В современных компьютерах дисплей и системный блок иногда монтируются в едином корпусе.

В системном блоке располагаются все основные устройства компьютера: микропроцессор, оперативная память, контроллеры, накопители, дисководы для компакт-дисков, блок питания, счетчик времени и другие устройства.

Все компоненты ПК по их функциональному отношению к работе с информацией можно условно разделить на:

- устройства обработки информации (центральный процессор, специализированные процессоры);

- устройства хранения информации (жесткий диск, CD-ROM, оперативная память и др.);

- устройства ввода информации (клавиатура, мышь, микрофон, сканер и т.д.);

- устройства вывода информации (монитор, принтер, акустическая система и т.д.).^[14]

Глава 3. Характеристики основных компонентов современного персонального компьютера и архитектура персонального компьютера в будущем

Устройства обработки.

Микропроцессор (центральный микропроцессор, CPU) – программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки информации под управлением программы, находящейся сейчас в оперативной памяти.^[15]

Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему - тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных сантиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Микропроцессор установлен на материнской плате и связан с ней интерфейсом процессорного разъема (Socket). Следующие два года AMD готовят нам встречу с тремя новыми процессорными разъёмами: Socket AM2+, Socket AM3 и Socket F+. С ними будут выпускаться чипы, основанные на архитектуре, условно названной K8L.^[16]

В состав микропроцессора входят АЛУ, устройство управления, внутренние регистры. УУ вырабатывает управляющие сигналы для выполнения команд, АЛУ - арифметические и логические операции над данными. Оно может состоять из нескольких блоков, например блока обработки целых чисел и блока обработки чисел с плавающей запятой.

Директор по технологиям Intel Патрик Гелсингер, отметил, что процессоры Intel следующего поколения будут поддерживать новый набор векторных инструкций AVX (Advanced Vector Extensions), которые позволят ускорить выполнение операций с плавающей запятой.

В современных микропроцессорах в основу работы каждого блока положен принцип конвейера. Если в микропроцессоре имеется несколько блоков обработки, в основу работы которых положен принцип конвейера, то его архитектуру называют суперскалярной. Серия процессоров NVIDIA GeForce 6 имеет новую суперскалярную шейдерную архитектуру, которая удваивает количество операций на такт по сравнению с традиционными архитектурами. В результате производительность становится значительно выше одношейдерного нескалярного проектирования. Также, новая архитектура обеспечивает полноценную 32-битную точность операций с плавающей запятой, сохраняя при этом 16-битный режим сохранения в памяти.^[17]

Основными характеристиками процессора являются: быстродействие, тактовая чистота и разрядность. По результатам тестирования, проведенного журналом «Железо», неплохие характеристики имеет четырехъядерный процессор Intel Core 2 Extreme QX6700 (частота процессора 2,66 ГГц, кэш второго уровня L2 8192 Кб, частота шины 1066 Мгц).^[18]

Важным этапом в развитии аппаратных платформ Intel, по словам П. Гелсингера, станет появление новой архитектуры Nehalem. В Intel отмечают, что переход на архитектуру Nehalem позволит добиться значительного повышения производительности при одновременном снижении энергопотребления. Платформа Nehalem будет использовать новую системную архитектуру QuickPath Interconnect, включающую встроенный контроллер памяти и усовершенствованные каналы связи между компонентами. Процессоры на основе Nehalem получат от двух до восьми ядер и благодаря технологии Simultaneous Multi-threading смогут одновременно обрабатывать от четырех до шестнадцати потоков инструкций. Объем кэш-памяти третьего уровня сможет достигать 12 Мб. Процессоры Nehalem получат новый набор инструкций SSE4 и поддержку технологии Smart Cache для работы нескольких ядер с общим кэшем.

Гелсингер также заметил, что позднее Intel планирует показать чип, разрабатывающийся в рамках проекта Larrabee. Larrabee будет предназначен, прежде всего, для ускорения различных расчетов, а также повышения производительности вычислительных систем, обрабатывающих данные научного, финансового характера и пр. Инициатива Larrabee предполагает создание многоядерного процессора, построенного на основе усовершенствованной архитектуры х86. Первые версии чипа, предположительно, будут насчитывать от 16 до 24 ядер и работать на тактовой частоте около 2 ГГц. Производительность процессора теоретически будет достигать одного терафлопса (триллиона операций с плавающей запятой в секунду). Ожидать появления продуктов на основе Larrabee следует ближе к концу 2009 года или в 2010 году.^[19]

Связь между устройствами ПК осуществляется с помощью сопряжений, которые в вычислительной технике называются интерфейсами.

В персональном компьютере, как правило, используется структура с одним общим интерфейсом, называемым также системной шиной. При такой структуре все устройства компьютера обмениваются информацией и управляющими сигналами через системную шину. Физически она представляет собой систему функционально объединенных проводов, по которым передаются три потока данных: непосредственно информация, управляющие сигналы и адреса.

Несомненными достоинствами ПК с шинной структурой являются ее простота, а, следовательно, и невысокая стоимость; гибкость, так как нификация связи между устройствами позволяет достаточно легко включать в состав ПК новые модули, т.е. менять конфигурацию компьютера. К недостаткам следует отнести снижение производительности системы из-за задержек, связанных со временем ожидания устройствами возможности занять шину, пока осуществляется передача информации между устройствами с более высоким приоритетом. Для преодоления этого недостатка в персональных суперкомпьютерах используется архитектура с несколькими шинами.

Рис. 3.1 – Шинная структура ПК

Шинная структура ПК (ЦП - центральный процессор, ОП - оперативная память, ПП - постоянная память, К - контроллер, ПУ - периферийное устройство).^[20]

Максимальное количество одновременно передаваемой информации называется разрядностью шины. Чем больше разрядность шины, тем больше информации она может передать в единицу времени.

При работе с оперативной памятью шина проводит поиск нужного участка памяти и обменивается информацией с найденным участком. Эти задачи выполняют две части системной шины: адресная шина и шина данных.

Шина адреса предназначена для передачи адреса ячейки памяти или порта ввода-вывода. Разрядность адресной шины определяет адресное пространство процессора, т.е. количество ячеек памяти. У процессоров Intel Pentium (а именно они наиболее распространены в персональных компьютерах) адресная шина 32-разрядная.

Шина данных предназначена для передачи команд и данных, которые могут передаваться в любом направлении. В современных компьютерах разрядность шины данных составляет 64 бита.

Шина управления включает в себя все линии, которые обеспечивают работу общей шины. В большинстве современных процессоров шина управления 32-разрядная (например, в процессоре Intel Pentium), хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже 128-разрядные.

Шина работает циклами. Количество циклов срабатывания шины в единицу времени называется частотой шины. В современных компьютерах частота процессора может превышать частоту системной шины. Корпорация Intel официально представила новые серверные процессоры Itanium серии 9100 (кодовое название Montvale). Процессор Itanium 9110N имеет тактовую частоту 1,6 ГГц, частота системной шины - 533 МГц.^[21]

Для каждого устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет, - контроллер. Все контроллеры взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную плату.

Устройства хранения.

Центральный процессор (ЦП) взаимодействует с внутренним ЗУ, называемым оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) или оперативной памятью (ОП). ОП предназначена для приема, хранения выдачи всей информации, необходимой для выполнения операций в ЦП. Кроме оперативной памяти во всех компьютерах обычно имеется внутренняя постоянная память, используемая для хранения постоянных данных и программ.

Оперативная память (ОП, англ. RAM - Random Access Memory - память с произвольным доступом) - это быстродействующее запоминающее устройство с прямым доступом процессора, которое предназначено для записи, считывания и временного хранения выполняемых программ и данных. Она ограничена по объему. ОП - электрическое устройство, и при выключении ПК все его содержимое пропадает.^[22]

В связи с этим на материнской плате есть микросхема «энергонезависимой памяти», так называемая СMOS-память (изготовленная по технологии CMOS - Comple Mentary Metal - oxide semiconductor), которая предназначена для длительного хранения данных о конфигурации и настройке компьютера. Для этого используют специальные электронные схемы со средним быстродействием, но очень малым энергопотреблением, питаемые от специального аккумулятора, установленного на материнской плате. Это полупостоянная память.

Данные записываются и считываются под управлением команд, содержащихся в другом виде памяти - BIOS (Basic Input-Output System), которая является базовой системой ввода-вывода - содержит наборы групп команд, называемых функциями, для непосредственного управления различными устройствами ПК.

Для ускорения доступа к оперативной памяти используется кэш-память (cache - запас). Это сверхбыстрая оперативная память, предназначенная для временного хранения текущих данных и помещенная между оперативной памятью и процессором. У современных микропроцессоров может быть кэш-память первого уровня, которая обычно встроена в тот же кристалл и работает на одинаковой с микропроцессором частоте. Для некоторых микропроцессоров предусмотрена еще кэш-память второго и третьего уровня (от 8Мб до 24Мб). Существуют два способа организации такой памяти: общая, когда команды и данные хранятся вместе, и разделенная, когда они хранятся в разных местах. Наличие разделенной кэш-памяти увеличивает производительность микропроцессора, сокращая среднее время доступа к используемым командам и данным.

Для хранения больших объемов информации, которые не используются в данный момент времени процессором, предназначаются внешние запоминающие устройства (ВЗУ). К ним относятся: винчестеры (жесткие магнитные диски), оптические диски, магнитно-оптические диски, флоппи диски, Zip and Jaz Iomega discs (относительно новые носители информации, которые призваны заменить гибкие магнитные диски. Они быстрые и большие по емкости (100 мегабайт - Zip, 1 гигабайт - Jaz)), магнитные ленты.

Ученые из Центра прикладной наноионики (CANi) при Университете штата Аризона (США) сообщили о создании нового типа памяти, позволяющей выпускать крошечные накопители емкостью до 1 Тб. Кроме столь впечатляющей емкости при малых размерах, чипы памяти на базе новой технологии смогут похвастаться низким энергопотреблением, превзойдя по этому показателю даже распространенную флэш-память.^[23]

В современных ПК реализована виртуальная память, которая предоставляет пользователю возможность работы с расширенным пространством оперативной памяти. Виртуальная память представляет собой совокупность оперативной памяти и внешних запоминающих устройств, а также комплекса программно-аппаратных средств, обеспечивающих динамическую переадресацию данных, в результате чего пользователь не должен заботиться о том, где располагаются необходимые ему данные (в ОЗУ или ВЗУ), а функции по требуемому перемещению данных берет на себя вычислительная система.

Конструктивно элементы памяти выполнены в виде модулей, так что при желании можно сравнительно просто заменить их или установить дополнительные и тем самым изменить объем общей оперативной памяти компьютера. В настоящее время отдельные микросхемы памяти не устанавливаются на материнскую плату. Они объединяются в специальных печатных платах, образуя вместе с некоторыми дополнительными элементами модули памяти (SIMM- и DIMM-модули).

Для подключения к системной шине различных внешних устройств существуют устройства - порты. Различают несколько типов портов: внутренний (таймерный), клавиатурный, коммуникационный, игровой (джойстик).

Коммуникационные порты обеспечивают подключение таких внешних устройств, как мышь, принтер, сканер, внешний модем и др. Эти порты подразделяются на последовательные (COM1, COM2, СОМ3, СОМ4) и параллельные (LPT1, LPT2, LPT3). Последовательные порты обеспечивают двусторонний побайтовый обмен последовательными кодами, они обычно используются для подключения мыши и модема.

Параллельные порты могут реализовать либо однонаправленную побайтовую передачу параллельных кодов, либо двунаправленную. Параллельный порт имеет более высокую скорость передачи информации, чем последовательные порты, и используется для подключения принтера.^[24]

Широкое распространение получил порт USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина). Он обеспечивает высокоскоростное подключение к компьютеру сразу нескольких периферийных устройств (сканера, цифровых камер и т.п.).

Также высокоскоростное подключение до 7 устройств (винчестеров, сканеров, СD-ROM и DVD-ROM дисководов и др.) к компьютеру реализует интерфейс малых вычислительных систем (Small Computer System Interface). SCSI-адаптеры размещаются в слотах расширения системной платы.

Устройства ввода и вывода.

Совокупность ВЗУ и устройств ввода-вывода информации образует периферийную часть ЭВМ. Так как существует достаточно много разнообразных периферийных устройств, каждый ПК может быть укомплектован по-разному и иметь в своем составе те или иные периферийные устройства. Поэтому принято говорить о конфигурации ЭВМ, понимая под этим термином конкретный состав ее устройств с учетом их характеристик.

Передача информации из периферийных устройств в центральные называется операцией ввода, а передача информации из центральных устройств в периферийные - операцией вывода.

Производительность и эффективность использования ПК определяются не только возможностями его процессора и характеристиками ОП, но в большей степени составом его периферийных устройств, их техническими данными, а также способом организации их совместной работы с центральной частью ПК.

Внешними называются устройства, обеспечивающие ввод, вывод и накопление информации в ПК и взаимодействующие с процессором и оперативной памятью через системную шину, а также через порты ввода-вывода. К ним относятся как устройства, находящиеся вне системного блока (клавиатура, мышь, трекбол, тачпад, монитор, принтер, плоттер и другие), так и устройства, размещаемые внутри него (накопители на дисках, контроллеры устройств, внутренние факс-модемы и другие).

К устройствам вывода относятся: монитор, видеокарта, принтер, плоттер, сетевая карта.

Устройства ввода информации: клавиатура, мышь, трекбол, тачпад (TouchPad), сканер, цифровая камера, ТВ-тюнер, звуковая карта, микрофон и т.п.

Архитектура современного ПК.

Современный ПК используется в таких приложениях, для которых первоначально и не предназначался. 3D графика, потоковое видео, многоканальное аудио и высокоскоростные коммуникации стали настолько привычными и обязательными, что компьютерные системы находятся под постоянным напором новых требований к их архитектуре. К сожалению, ПК, которые мы видим в настоящее время, с их древними форм-факторами и унаследованной из поколения в поколение уродливостью, не могут в полной мере соответствовать требованиям, предъявляемым к современным ПК. Новая архитектура от NVIDIA - nForce, разработана фактически с чистого листа на основе нескольких новейших технологий, в результате чего получилась воистину современная платформа XXI века.Архитектура NVIDIA nForce обладает самой производительной на сегодняшний день платформой; новой шиной AMD HyperTransport, связывающей обе части чипсета nForce - IGP и MCP, позволяющей добиться в шесть раз большей производительности, чем принятые в настоящие время внешние шинные соединения; многоканальным, высокопроизводительным аудио движком, позволяющим декодировать аудио по схеме Dolby Digital 5.1 в реальном времени. NVIDIA nForce составлена из двух "сопроцессоров": nForce Integrated Graphics Processor (IGP) и nForce Media and Communications Processor (MCP).^[25]

Продолжая совершенствовать концепции дизайна персональных компьютеров, компании Microsoft и Hewlett-Packard недавно познакомили нас с еще одним вариантом ПК будущего. Разработка носит кодовое название Athens и с виду напоминает Tablet PC, подключенный проводом к стоящей отдельно док-станции небольшого размера. Прототип, демонстрировавшийся на конференции WinHEC в Новом Орлеане, предстал перед аудиторией в виде сравнительно небольшого по размерам «системного блока», соединенного с плоскопанельным монитором с диагональю 23 дюйма. Этот дисплей оснащен телефонной гарнитурой и видеокамерой, размещенными с разных сторон, в дисплейном модуле могут также размещаться медиа-порты и приводы для оптических дисков. Все остальные компоненты ПК, в том числе процессор и системная плата,помещены в компактное шасси, соединенное с дисплеем одним кабелем. По этому кабелю, как поясняют разработчики, осуществляются и подача питания на экран, и передача различных данных. Устройство работает с беспроводными клавиатурой и мышью. Таким образом прототип Athens представляет настольную систему, которая дает пользователю также возможность участвовать в видеоконференциях и разговаривать по телефону наряду с выполнением привычной работы с Web и электронной почтой.

Как подчеркнул Байрон Сэндз, директор по вопросам передовых технологий подразделения персональных компьютеров HP, Athens разрабатывается не как элитное устройство, а как стандарт для настольных систем будущего. В целях продвижения на рынок новой эталонной архитектуры Microsoft намерена оказывать активную помощь производителям аппаратного обеспечения.

Создание качественно новых вычислительных систем с более высокой производительностью и некоторыми характеристиками искусственного интеллекта, например с возможностью самообучения,- очень актуальная тема. Последние десять лет такие разработки ведутся во многих направлениях - наиболее успешными и быстро развивающимися из них являются квантовые компьютеры, нейрокомпьютеры и оптические компьютеры, поскольку современная элементная и технологическая база имеет все необходимое для их создания.^[26]

Носителем информации в оптических компьютерах будет световой поток. Весь набор полностью оптических логических устройств для синтеза более сложных блоков оптических компьютеров реализуется на основе пассивных нелинейных резонаторов-интерферометров. Элементы памяти оптического компьютера представляют собой полупроводниковые нелинейные оптические интерферометры, в основном, созданными из арсенида галлия (GaAs). К настоящему времени уже созданы и оптимизированы отдельные составляющие оптических компьютеров - оптические процессоры, ячейки памяти, однако до полной сборки еще далеко.

Основной строительной единицей квантового компьютера является кубит (qubit, Quantum Bit). Классический бит имеет лишь два состояния - 0 и 1, тогда как состояний кубита значительно больше. Для описания состояния квантовой системы было введено понятие волновой функции, ее значение представляется в виде вектора с большим числом значений. Для того чтобы практически реализовать квантовый компьютер, существуют несколько важных правил, которые в 1996 г. привел Дивиченцо. Без их выполнения не может быть построена ни одна квантовая система: точно известное число частиц системы, возможность приведения системы в точно известное начальное состояние, высокая степень изоляции от внешней среды, умение менять состояние системы согласно заданной последовательности элементарных преобразований. Выполнение этих требований вполне реально с помощью существующих квантовых технологий.

Нейрокомпьютеры - это совершенно новый тип вычислительной техники, иногда их называют биокомпьютерами. Нейрокомпьютеры можно строить на базе нейрочипов, которые функционально ориентированы на конкретный алгоритм, на решение конкретной задачи. Возможна эмуляция нейрокомпьютеров (моделирование) - как программно на ПЭВМ и суперЭВМ, так и программно-аппаратно на цифровых супербольших интегральных схемах.^[27]

Искусственная нейронная сеть построена на нейроноподобных элементах - искусственных нейронах и нейроноподобных связях. Один искусственный нейрон может использоваться в работе нескольких (приблизительно похожих) алгоритмов обработки информации в сети, и каждый алгоритм осуществляется при помощи некоторого количества искусственных нейронов.

Недавно американская фирма Nantero из Бостона, разработала технологию, позволяющую серийно производить чипы памяти на нанотрубках до 10Гб данных. Память нового поколения, использующая массив фуллереновых трубок на поверхности чипа кремния (NRAM, Nanoscale Random Access Memory) будет хранить данные даже после отключения питания устройства. Резко может измениться структура компьютера. Загрузка компьютеров, оснащенных такой памятью, при включении будет происходить мгновенно. Да и быстродействие компьютеров значительно возрастет, так как не будет обращения к винчестеру. Винчестеры как таковые будут не нужны! Можно будет отказаться от системного блока!

Компьютер недалекого будущего состоит из следующих частей: жидкокристаллический дисплей 19 дюймов на котором сзади располагается системная плата с процессором и памятью. Сейчас Intel выпустила наборы системной логики 865 и 875, с двухканальным контроллером памяти. Наверное, будет 4-х и 8-ми канальная организация памяти. Емкость памяти компьютера 100-200 Гб. От южного моста можно оставить 6-канальный звук. От CD и DVD приводов можно будет отказаться так, как данные удобней будет переносить на компактной флэш-памяти.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мировая индустрия персональных компьютеров основывается на достижениях микроэлектронной техники, промышленных стандартах и постоянных технологических инновациях. Компания Intel дала массу ярких примеров стратегического планирования будущих технологий (интерфейсы, стандартные разъемы, кооперативные программы, венчурные инициативы, developer.intel.com). Новые архитектурные решения, стандартные интерфейсы и передовые связные технологии персональных компьютеров ежедневно зарождаются в лабораториях и исследовательских центрах компании.

Гибкость архитектуры современных ПК позволяет организациям и компаниям различных типов достаточно быстро и без больших финансовых затрат приспосабливаться к любым изменениям, сохраняя вложения в предыдущие технологии. Модель системы на базе ПК обеспечивает оптимальное сочетание производительности, стоимости и гибкости в рамках организаций разных типов.

Прогресс компьютерных технологий идет семимильными шагами. Новая ситуация требует новой модели взаимодействия человека с компьютером - модели упреждающих вычислений. Эта модель предполагает, что компьютеры будут предугадывать наши потребности и даже заранее реагировать на них в наших интересах. С некоторыми компьютерами мы будем продолжать взаимодействовать непосредственно, но большинство будут встроены в окружающую нас физическую среду, где они будут собирать и обрабатывать информацию без какого-либо вмешательства человека. Реализация модели упреждающих вычислений повлечет за собой новый цикл повышения продуктивности и качества нашей жизни.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Когаловский М. Р. Энциклопедия технологий баз данных. – М.: Экспо, 2002. – 23-24 с.

2. Косарева В. П., Еремина Л. В. Экономическая информатика. – М.: Финансы и статистика, 2010. – 48 с.

3. Косарева В. П., Еремина Л. В. Экономическая информатика. – М.: Финансы и статистика, 2010. – 51 с.

4. Одинцов Б. Е. Информатика в экономике: Учебное пособие. – СПБ: Питер, 2008. – 19 с.

5. Коровин Д. С. Каким вы видите компьютер будущего? – Минск: Компьютерра, 2005. – 94 с.

6. Романова Ю. Д. Информатика и информационные технологии. – М.: Эксмо, 2008. – 182 с.

7. Могилев А. В., Пак Н. И., Хённер Е. К. Информатика. - М.: Академия при Президенте РФ, 2007. – ил.: 213 с.

8. Могилев А. В., Пак Н. И., Хённер Е. К. Информатика. - М.: Академия при Президенте РФ, 2007. – 215 с.

9. Симонович С. В. Общая информатика. - СПб: Питер, 2011. – 50 с.

10. Могилев А. В., Пак Н. И., Хённер Е. К. Информатика. - М.: Академия при Президенте РФ, 2007. – ил.: 280 с.

11. Федотов В. И. Основы электроники. – М.: Дашков и Ко, 2010. - 134 с.

12. Когаловский М. Р. Энциклопедия технологий баз данных. – М.: Экспо, 2002. – 99 с.

13. Курочкина Н. А. Знакомитесь – компьютер. – М.: Экспо, 2004. – ил.: 126 с.

14. Глушаков С. В. Персональный компьютер. – М.: АСТ, 2008. – 72 с.

15. Преснухин Л. Н. Микропроцессоры. – СПб: Питер. – 2012. – 165 с.

16. Когаловский М. Р. Энциклопедия технологий баз данных. – М.: Экспо, 2002. – 166 с.

17. Зельднер Г. А. Компьютер на связи! Факс-модем, модем, глобальные сети, Е-Мail, BBS. – М.: ABF, 1996. – 312 с.

18. Глушаков С. В. Персональный компьютер. – М.: АСТ, 2008. – 111 с.

19. Могилев А. В., Пак Н. И., Хённер Е. К. Информатика. - М.: Академия при Президенте РФ, 2007. – 342 с.

20. Симонович С. В. Общая информатика. - СПб: Питер, 2011. – ил.: 193 с.

21. Берлинер Э. М. Microsoft Windows 95. Microsoft Plus! Русская версия. – М.: ABF, 1996. – 402 с.

22. Одинцов Б. Е. Информатика в экономике: Учебное пособие. – СПБ: Питер, 2008. – 157 с.

23. Косарева В. П., Еремина Л. В. Экономическая информатика. – М.: Финансы и статистика, 2010. – 249 с.

24. Коровин Д. С. Каким вы видите компьютер будущего? – Минск: Компьютерра, 2005. – 131 с.

25. Зельднер Г. А. Компьютер на связи! Факс-модем, модем, глобальные сети, Е-Мail, BBS. – М.: ABF, 1996. –184 с.

26. Преснухин Л. Н. Микропроцессоры. – СПб: Питер. – 2012. – 177 с.

27. Когаловский М. Р. Энциклопедия технологий баз данных. – М.: Экспо, 2002. – 222 с.

1. Когаловский М. Р. Энциклопедия технологий баз данных. – М.: Экспо, 2002 – 23-24 с. ↑

2. Косарева В. П., Еремина Л. В. Экономическая информатика. – М.: Финансы и статистика, 2010. – 48 с. ↑

3. Косарева В. П., Еремина Л. В. Экономическая информатика. – М.: Финансы и статистика, 2010. – 51 с. ↑

4. Одинцов Б. Е. Информатика в экономике: Учебное пособие. – СПБ: Питер, 2008. – 19 с. ↑

5. Коровин Д. С. Каким вы видите компьютер будущего? – Минск: Компьютерра, 2005. – 94 с. ↑

6. Романова Ю. Д. Информатика и информационные технологии. – М.: Эксмо, 2008. – 182 с. ↑

7. Могилев А. В., Пак Н. И., Хённер Е. К. Информатика. - М.: Академия при Президенте РФ, 2007. – ил.: 213 с. ↑

8. Могилев А. В., Пак Н. И., Хённер Е. К. Информатика. - М.: Академия при Президенте РФ, 2007. – 215 с. ↑

9. Симонович С. В. Общая информатика. - СПб: Питер, 2011. – 50 с. ↑

10. Могилев А. В., Пак Н. И., Хённер Е. К. Информатика. - М.: Академия при Президенте РФ, 2007. – ил.: 280 с. ↑

11. Федотов В. И. Основы электроники. – М.: Дашков и Ко, 2010. - 134 с. ↑

12. Когаловский М. Р. Энциклопедия технологий баз данных. – М.: Экспо, 2002. – 99 с. ↑

13. Курочкина Н. А. Знакомитесь – компьютер. – М.: Экспо, 2004. – ил.: 126 с. ↑

14. Глушаков С. В. Персональный компьютер. – М.: АСТ, 2008. – 72 с. ↑

15. Преснухин Л. Н. Микропроцессоры. – СПб: Питер. – 2012. – 165 с. ↑

16. Когаловский М. Р. Энциклопедия технологий баз данных. – М.: Экспо, 2002. – 166 с. ↑

17. Зельднер Г. А. Компьютер на связи! Факс-модем, модем, глобальные сети, Е-Мail, BBS. – М.: ABF, 1996. – 312 с. ↑

18. Глушаков С. В. Персональный компьютер. – М.: АСТ, 2008. – 111 с. ↑

19. Могилев А. В., Пак Н. И., Хённер Е. К. Информатика. - М.: Академия при Президенте РФ, 2007. – 342 с. ↑

20. Симонович С. В. Общая информатика. - СПб: Питер, 2011. – ил.: 193 с. ↑

21. Берлинер Э. М. Microsoft Windows 95. Microsoft Plus! Русская версия. – М.: ABF, 1996. – 402 с. ↑

22. Одинцов Б. Е. Информатика в экономике: Учебное пособие. – СПБ: Питер, 2008. – 157 с. ↑

23. Косарева В. П., Еремина Л. В. Экономическая информатика. – М.: Финансы и статистика, 2010. – 249 с. ↑

24. Коровин Д. С. Каким вы видите компьютер будущего? – Минск: Компьютерра, 2005. – 131 с. ↑

25. Зельднер Г. А. Компьютер на связи! Факс-модем, модем, глобальные сети, Е-Мail, BBS. – М.: ABF, 1996. –184 с. ↑

26. Преснухин Л. Н. Микропроцессоры. – СПб: Питер. – 2012. – 177 с. ↑

27. Когаловский М. Р. Энциклопедия технологий баз данных. – М.: Экспо, 2002. – 222 с. ↑