Устройство персонального компьютера

Содержание:

Введение

Современный персональный компьютер прочно закрепился в повседневной жизни. Начиная с 1980х годов, благодаря техническому и технологическому прогрессу, начали появляться компьютеры, размеры и стоимость которых позволяли приобрести и использовать их обычным людям.

К тому же, появление персональных компьютеров удовлетворяло и требованиям бизнеса того времени – компании заметили, что можно удешевить стоимость вычислений, если проводить их на персональных компьютерах. Появился прообраз электронных таблиц VisiCalc, текстовые редакторы и другие программы, сильно упрощающие работу и вычисления. Это привело к появлению IBM PC и совместимых с ним компьютеров – IBM пыталась вклиниться в развивающийся рынок. К тому же, компания теряла прибыль – продажи больших ЭВМ, которые в основном и производила IBM. падали в связи с появлением дешёвых ПК. Открытая архитектура в сочетании с отсутствием лицензирования компонентов IBM PC привела, с одной стороны, к сильному развитию рынка ПК - появлялось множество «клонов» IBM PC, превосходящих компьютеры IBM по мощности. С другой стороны, в дальнейшем IBM утратила первенство, а термин IBM PC compatible превратился в Wintel compatible, но именно IBM положила начало тому, что мы называем ПК.

Действительно, открытость и модульность архитектуры IBM-совместимых ПК позволяла расширять их функциональность – компьютер превращался в мощное средство сбора и обработки информации. В современный компьютер можно добавить видеокарту, аудиокарту, или карту видеозахвата, адаптеры для разных портов, дополнительные USB – список устройств огромен.

Необходимо отметить, что до появления массовых ПК типа Apple II от зарождавшейся Apple Computer и IBM 5150 от такого гиганта как IBM, персональные компьютеры подходили скорее для учёных и исследователей, чем для обычных людей. Тогда это была группа электронных плат и компонентов, которую зачастую приходилось собирать руками, и без познаний в электронике было не справиться.

Сейчас персональный компьютер – это:

• несколько типов устройств (от привычных настольных ПК и ноутбуков до планшетов и телефонов),
• цельный и простой в управлении программно-аппаратный комплекс, включающий в себя в том числе и дополнительные устройства.
• удобный интерфейс для взаимодействия – разберется даже ребёнок.

То есть, по сравнению с началом эпохи, понятие персональный компьютер значительно изменилось – упростилось взаимодействие, добавились портативные ПК и носимая электроника, список устройств, обычно используемых совместно с ПК, значительно расширился – без некоторых устройств уже нельзя представить настольный компьютер или ноутбук. Так же как нельзя их представить без графического интерфейса – он является основным при взаимодействии с ПК.

В данной курсовой работе рассматривается история изменения внутреннего и внешнего строения ПК и разнообразные форматы, и форм-факторы, в которых он представлен, описываются современные и ныне устаревшие шины, устройства и технологии, в общем и целом, образующие персональный компьютер. Рассматривается появление портативных ПК и носимой электроники, как еще одной формы ПК.

Часть 1. Устройство ранних ПК, упрощение и стандартизация.

Компьютеры до эры ПК.

Что же привело производителей к изобретению персонального компьютера? Нужно напомнить – до середины 60х – конца 70х годов прошлого века человек еще и понятия не имел о том, что такое – персональный компьютер. На рынке были лишь большие мейнфреймы – то, что ныне можно было бы отнести к серверам (или «облакам» того времени, как удобнее). Громоздкие машины, занимавшие по объему иногда не один этаж, и стоившие несколько десятков тысяч долларов – такое могли позволить себе крупные учреждения и институты, а пользоваться такими системами могли лишь высококлассные специалисты. К тому же, такие компьютеры потребляли киловатты электроэнергии.

К счастью, прогресс не стоит на месте. Сначала, лампы были заменены транзисторами, а затем и блоки транзисторов – микросхемами. Размер компонентов уменьшался экспоненциально, при этом вычислительная мощность увеличивалась. Затем и отдельные микросхемы (АЛУ, блок управления, шина, регистры и ЗУ) уместились на одной маленькой схеме. Так появился Intel 4004 – первый доступный однокристальный процессор в истории, который свободно можно было уместить на ладони. При этом по производительности он превосходил огромный ENIAC. [1][2]

Внизу можно увидеть сравнительную таблицу:

Intel 4004	ENIAC
2300 микротранзисторов, техпроцесс 10 мкм	17 468 ламп 16 различных типов, 7200 кремниевых диодов, 1500 реле, 70 000 резисторов и 10 000 конденсаторов.
Вес – менее 50 гр.	Вес – 30 тонн
Мощность – неизвестна, но позволяла не использовать охлаждение	Мощность – 174 кВт
60-93 тыс. инструкций в секунду.	До 5000 инструкций в секунду.
Площадь кристалла – 12 кв.мм, а самого чипа – не более 2 кв.см	Площадь – 280 кв.м

Хотя Intel 4004 не оказался так популярен, и скорее являлся прадедушкой знаменитого 8080, тем не менее, он ужа произвёл первую по счёту революцию в компьютеростроении.

К чему это привело в то время? Производители, стремясь уменьшить издержки при производстве ЭВМ, логично размышляя, пришли к выводу, что строить ЭВМ меньшего размера на транзисторах, это решение выгодное как для них, так и для клиентов. А компании, в своюб очередь, увидели прямую выгоду для бизнеса – можно было уже не покупать большие ЭВМ, если вычисления на ПК были ничуть не хуже, и в чем-то даже лучше и быстрее, благодаря разработке нового ПО для них.

К тому же, Intel был не единственной компанией, производящей микросхемы и процессоры. На рынке были так же компании MOS Technology, Zilog, Texas Instruments. Конкуренция нарастала всё больше, а стоимость компьютеров на базе микропроцессоров вышеуказанных компанийстановилась всё меньше – некоторые, как Sinclair ZX80, очень мало (ZX80, в частности, и вовсе стоил менее 200 английских фунтов)[9].

IBM 5150 – революционер с открытой архитектурой. Путь IBM и совместимых ПК.

Причины возникновения. IBM PC 5150, XT и AT.

Всё это не могло не расстраивать IBM – очень крупного поставщика “больших” ЭВМ (мэйнфреймов) того времени. Было принято следующее решение – создать новую архитектуру. Первым ПК IBM на этой архитектуре стал PC 5150. [10]

В 1981 году рынок персональных компьютеров был разделен между Commodore PET, семейства Atari 8-битных систем, Apple II и Radio Shack TRS-80 производства Tandy Corporation [11], поэтому IBM старалась не упустить момент. Вместе с микропроцессором Intel 8088 началось использование ОС PC-DOS, очень вовремя предложенной маленькой компанией из Редмонда под названием Microsoft. Нужно отметить, что вопреки жёсткой политике IBM в области интеллектуальной собственности, ни эти компоненты, ни разработанная тут же базовая система ввода-вывода (BIOS) не были лицензированы, что позволило сторонним фирмам, пользуясь опубликованными спецификациями, создать множество клонов IBM РС (IBM-совместимых ПК) и вскоре отобрать у IBM львиную долю этого быстро расширяющегося рынка. [3]

После успеха модели 5150 IBM решила выпустить усовершенствованную модель — IBM PC/XT (eXTended). Появившийся в марте 1983 года XT был оснащен жестким диском емкостью 10 Мбайт, 128 Кбайт ОЗУ на борту, а кассетный магнитофон в нем был заменен на флоппи-дисковод для 5-дюймовых дискет емкостью 360 Кбайт. Стоимость XT в год выпуска составляла $5000.

Несмотря на возросшую цену, эту модель ждал еще больший успех. Он объясняется тем, что к моменту выхода XT у пользователей этой платформы был широкий выбор дополнительных устройств и программного обеспечения. Перечислим самые знаменитые программные пакеты для PC, уже существовавшие в то время: текстовые редакторы WordStar и WordPerfect, СУБД DBase, Norton Utilities, PC-Talk (утилита для модемной связи) и конечно же революционный пакет для работы с электронными таблицами — 1-2-3, в котором впервые появились такие привычные для нас элементы интерфейса, как экранные меню.

Совместимые ПК. Падение IBM.

За полгода до выхода XT случилось еще одно знаменательное событие: безвестная на тот момент фирма Compaq выпустила первый клон IBM PC — Compaq Portable PC. [11] Изюминка этого ПК заключалась в компактности — его можно было упаковать в чемоданчик среднего размера. Однако еще большую важность представлял сам факт выпуска компьютера, полностью совместимого с IBM PC. Пример оказался заразительным, и вслед за Compaq IBM-совместимые компьютеры начали выпускать не только начинающие фирмы, но и крупные компании — например, такие как Dell. Клонирование IBM PC оказалось несложным занятием не только потому, что он представлял собой открытую архитектуру, но и потому, что IBM использовала при его создании готовые компоненты: купить процессор Intel и операционную систему Microsoft мог любой желающий.

К счастью для IBM, у нее был еще один козырь, — IBM PC/AT, вышедший в августе 1984 со следующей типовой конфигурацией: процессор Intel 80286 с частотой 6 МГц, 512 Кбайт оперативной памяти и жесткий диск объемом 20 Мбайт. За счет возросшей конкуренции стоимость PC/AT не превышала стоимость IBM PC/XT по ценам 83-го. При этом многие программы, написанные для PC и PC/XT, выполнялись на новой машине настолько быстро, что пришлось даже придумать специальное решение для снижения тактовой частоты процессора — кнопку Turbo, которая просуществовала в конструкции IBM-совместимых машин вплоть до эпохи Pentium. Кстати, впервые эту кнопку применила не IBM, а вездесущая Compaq.

IBM PC/AT стал финальным аккордом компании на рынке IBM-совместимых компьютеров. Cтратегия борьбы с голубым гигантом была отработана: предложить процессор с большей тактовой частотой и больше оперативной памяти за меньшую цену.

Октябрь 1985: Intel выпускает новый процессор — 80386. Но первой модель на его основе создает уже не IBM, а опять-таки Compaq, прочно обосновавшаяся на рынке IBM-совместимых машин.

Далее - две провальных модели - XT Model 286 и Convertible, и, наконец, в начале 1987 года IBM официально объявляет о прекращении выпуска компьютеров семейства IBM PC.

Попытки выехать на создании проприетарной шины MCA на новом PS/2 привели лишь к обратному - IBM, желая загнать конкурентов в угол, сама попала в капкан несовместимости - вместо MCA была разработана шина EISA на замену устаревшей ISA.

И вот, в начале 90х, IBM совсем уже окончательно отказалась от производства ПК. Несколько лет в ходу еще был термин “IBM PC-compatible”, но затем осталось просто - PC. Отсюда начинается новейшая история самой массовой и популярной платформы в истории ПК.

«Компьютер для людей». Apple II и Apple Macintosh. Путь Apple.

Революция в подходе к построению ПК.

Но, IBM не были первыми в производстве ПК. Пионером, всё-таки, стал Apple I, разработанный в 1976 году Стивом Возняком. Конечно, к нему не прилагались ни клавиатуры, ни мониторы, ни блоки питания, даже корпусов не было — только полностью укомплектованные системные платы. Несмотря на это, Apple I многими признаётся как первый в истории компьютер, поставлявшийся производителем в готовом виде — ведь другие компьютеры того времени, включая Altair, попадали на рынок в виде наборов, которые предстояло собирать розничному продавцу или конечному покупателю. [4]

Apple I так и не вошёл в серийное производство, и первым массовым персональным компьютером можно считать Apple II. [4][5] В Apple I были заложены многие идеи, которые затем удалось воплотить в Apple II. Компьютер был впервые представлен в 1977 году на выставке West Coast Computer Fair и стал одним из первых и наиболее успешных персональных компьютеров того времени. Производилось несколько моделей Apple II, и наиболее популярные из них, с относительно небольшими изменениями, продавались до 1990-х годов.

Apple III – следующее поколение компьютеров - являлся кардинальной переработкой Apple II [11][12], сам Apple II предполагалось перепозиционировать как младшую модель. Маркетологи выяснили, что бизнесмены, приобретая Apple II для работы, как правило, докупали к компьютеру две дополнительные платы расширений, позволяющие работать с масштабными таблицами. Было решено поставлять всё вместе, в одном корпусе. При этом габариты и форма корпуса были жёстко заданы Джобсом, и он не позволил их изменять, так же как и устанавливать вентиляторы — проблема теплоотвода решалась за счет тяжёлого алюминиевого корпуса. Машина была анонсирована и выпущена 19 мая 1980 года, выпуск сопровождался грандиозной рекламной кампанией. Все работы по Apple II были свёрнуты, ресурсы компании переброшены на новый проект. Однако выяснилось, что в режиме Apple III компьютеры постоянно выходят из строя из-за перегрева, чрезмерной плотности компонентов на монтажной плате и плохих коннекторов. Кроме того, на рынке практически не было программ для Apple III. Компьютер удалось доработать, повысив стабильность работы, но репутация уже была безнадёжно испорчена. В 1983 году компьютеры IBM PC вышли на первое место по объёмам продаж, оставив позади продукцию Apple, а ещё через год Apple III была полностью снята с производства.

Следующий проект – Apple Lisa в начале 1980-х была во многих отношениях более передовой (и значительно более дорогой) системой, нежели следующий за ней Macintosh. Так, например, в ней были реализованы защищённая память, кооперативная многозадачность, в целом более сложная файловая система, встроенный хранитель экрана, передовой калькулятор с бумажной лентой и обратной бесскобочной польской записью, поддержка до 2 Мбайт ОЗУ, цифровая вспомогательная клавиатура, системы защиты от нарушения данных (как, например, block sparing), нефизические файловые имена (возможность иметь несколько документов с одним и тем же именем) и более высокое разрешение дисплея. На Макинтошах всё вышеперечисленное реализовано много лет спустя. Защищённый режим памяти, например, появился лишь в Mac OS X (2001 год). Макинтош, однако, оснащался более быстрым процессором Motorola 68K с тактовой частотой 7,89 МГц и имел встроенную звуковую подсистему. Операционная система Lisa и программы для неё сильно нагружали процессор Motorola 68K с тактовой частотой 5 МГц, что особенно чувствовалось при прокрутке объемных документов.

Lisa I стоила $9 995 и имела следующую комплектацию [11]:

• процессор Motorola 68000 (на частоте 5 МГц) без FPU;
• 16-битная шина адреса/16-битная шина данных (на частоте 5 МГц) с 3 проприетарными слотами расширения;
• ОЗУ 512 или 1024 Кбайт;
• ПЗУ 16 Кбайт тестового и стартового кода;
• Ч/б встроенный монитор 12" 720 x 364 прямоугольных пикселей;
• 2 RS-232 порта и CVSD аудиовыход (моно);
• 2 флоппи-дисковода по 5,25" (871 кБ, специальные дискеты)
• Внешний HDD на 5 МБ;
• мышь и клавиатура;
• графический интерфейс пользователя;
• Потребляемая мощность — 150 Вт;
• Габариты системного блока 15,2" высота x 18,7" ширина x 13,8" глубина;
• Вес 48 lbs;

Компьютеры Lisa 2, появившиеся в январе 1984 года, стоили от 3495 и до 5495 долларов, что значительно дешевле оригинальной модели. Накопители на гибких дисках Twiggy были заменены на один 3,5" дисковод Sony Microfloppy объёмом в 400 Кбайт. Было возможно приобрести компьютер с ОЗУ 512 Кбайт или 2 Мбайт. Внешний и встроенный накопитель Widget были доступны как стандартные решения в других конфигурациях. В 1984 году, в то же самое время, был официально представлен Macintosh, и Apple предложила свободный апгрейд до уровня Lisa 2 для всех владельцев Lisa 1 путём замены двух дисководов Twiggy на один 3,5" дисковод, установки винчестера объёмом 10 Мбайт и обновления ПЗУ. Кроме того, для размещения нового дисковода устанавливалась лицевая панель от Lisa 2 взамен штатной.

И, наконец, Macintosh. Имея много общего с Apple Lisa, первый Macintosh 128k по мнению Джобса, имел большие перспективы, и Джобс, забросив Lisa, перешёл к Macintosh. В отличие от Apple III, Macintosh 128k имел закрытую архитектуру, без возможностей расширения, что являлось одним из объектов критики. СМИ и пользователи постоянно сравнивали новый компьютер с Apple III.

Как утверждали все известные издания того времени, «Современный пользователь хочет иметь открытую архитектуру и возможность менять технические характеристики компьютера по своему усмотрению». Закрытая архитектура нового компьютера не позволяла этого, вследствие чего имело место первоначальное падение продаж нового компьютера и увольнение Стива Джобса с поста главы Apple.

Тем не менее, именно Macintosh 128k положил начало шикркой линейке продуктов Apple – он стал родоначальником моноблоков iMac, ноутбуков MacBook и настольных Mac и Mac Pro.

Ветка Macintosh совершенствовалась и после серии LC500 и внедрения процессоров IBM Power, разделилась на Power Mac (настольные ПК) и iMac (всё в одном). Параллельно шло развитие и портативных ПК, изначально на базе процессоров Motorola 680x0, а затем и PowerPC.

Переход на Intel и современность.

Переход с IBM PowerPC на Intel, о котором было объявлено на WWDC 2005, был очень важным. [13] Процессорам PowerPC, производимым IBM, было все сложнее соревноваться с чипами от Intel. Хотя PowerPC, потенциально, могли достигать высоких скоростей, они очень сильно грелись, и в некоторые модели Power Mac даже устанавливалось жидкостное охлаждение. Разумеется, об использовании подобных процессоров в ноутбуках речи идти не могло. Помимо проблем с температурой, IBM испытывала постоянные задержки в выпуске новых моделей PowerPC. Стив Джобс считал, что, если Apple хочет оставаться конкурентоспособной, ей нужны чипы лучше и без задержек.

С выходом Mac Pro – первого компьютера Apple на Intel-платформе, начался новый виток развития компьютеров компании.

Особенно явно популярность Mac была видна благодаря новому MacBook: 13.3-дюймовому ноутбуку, впервые увидевшему свет в мае 2006. Он не был первым Apple-компьютером с процессором Intel, но был самым важным. Преемник iBook, MacBook был первым современным Mac, предназначенным для рядового пользователя.

Доступный в черном и белом, с прямыми, гладкими линиями и широким экраном, ноутбук сильно отличался от старого iBook. MacBook, пожалуй, был даже лучше Windows-ноутбуков, ведь на нем можно было запускать приложения и для Mac, и для Windows. Помимо возможностей, у ноутбука была очень конкурентоспособная цена – за 1099$ было сложно найти Windows-ноутбук лучше.

Часть 2. Устройство современных ПК.

Типичный представитель современного ПК.

Ознакомление с историей даёт нам более глубокое понимание того, как менялись и совершенствовались технологии и формы ПК. И теперь, наконец, мы можем рассмотреть современного обитателя дома – компьютер PC или Mac.

Давайте разберём системный блок и разберёмся, что же у него внутри!

Системная плата.

Итак, первый и самый важный компонент – системная плата или материнская плата. Она является связующим звеном между всеми остальными ключевыми компонентами, внешней периферией и дополнительными устройствами.

Форм-фактор системной платы.

Материнская плата современного ПК имеет несколько форм-факторов для разных сценариев использования. Например, ATX – для настольных ПК, mini-ATX и ITX – для ПК меньшего формата, встраиваемых систем и тонких клиентов.

Таблица размеров различных форм-факторов ПК:

EE-ATX	347 × 330	13,7 × 13
E-ATX	305 × 330	12 × 13
XL-ATX	345 × 262	13,5 × 10,3
ATX	305 × 244	12 × 9,6
Mini-ATX	284 × 208	11,2 × 8,2
Micro-ATX	244 × 244	9,6 × 9,6
Flex-ATX	229 × 191	9 × 7,5
Mini-ITX	170 × 170	6,7 × 6,7
Nano-ITX	120 × 120	4,7 × 4,7
Pico-ITX	100 × 72	4 × 2,8
Mobile-ITX	75 × 45	2,9 × 1,8

Системная плата домашнего компьютера обычно имеет форм-фактор ATX.

Соответственно, и корпуса делаются с расчётом на определённый форм0фактор платы. Компьютеры Slim формата рассчитаны на mini- и micro-ATX и варианты ITX, тогда как корпус High-Tower или Midi-Tower могут нести в себе в том числе и ATX платы.

В качестве основных (несъёмных) частей материнская плата имеет:

• разъём процессора (ЦПУ),
• разъёмы оперативной памяти (ОЗУ),
• микросхемы чипсета (подробнее см. северный мост, южный мост),
• загрузочное ПЗУ,
• контроллеры шин и их слоты расширения,
• контроллеры и интерфейсы периферийных устройств.

На следующем листе можно ознакомиться со схемой подключения элементов на материнской плате компьютеров прошлого десятилетия.

Важно! Схема соединения не универсальна и зависит от чипсета.

Вид системной платы:

Можно явно заметить сокет для ЦПУ, внешние разъёмы для карт расширения, слоты для установки RAM, внутренние порты типа SATA, и разъём питания 24-pin. Рассмотрим каждый из элементов платы более детально.

Cокет ЦПУ.

ЦПУ – ядро всего компьютера. В PC процессоры можно заменять (например, на более совершенную модель). Для лёгкой замены был придуман сокет – специальный многоконтактный разъём на плате для установки ЦПУ.

Сокеты разнятся от поколения к поколению, количество контактов меняется, но в общем случае, под каждый сокет выпускается несколько ЦПУ разной мощности. Самый современный сокет Intel на данный момент – Socket R4 (LGA 2066) и H4 (LGA 1151), а AMD – AM4 и TRX4, а первый сокет был придуман дня процессора Intel 80486 (так и назывался – Socket 1).

Кстати говоря, Intel и AMD имеют разные технологии сокетов. Если Intel уже давно делает процессоры LGA (Land Grid Array), и массив контактов находится на материнской плате, то AMD продолжает делать процессоры с штырьковыми контактами (PGA), что сильно повышает риск их поломки, и соответственно поломки всего ЦПУ.

ЦПУ.

История и технологии ЦПУ – тема, достойная отдельной работы. Сейчас современные процессоры Intel построены на микроархитектуре Skylake, процессоры AMD – на архитектуре Zen.

Вот одни из последних моделей процессоров AMD для настольных ПК[7]:

Серия	Модель	Ядра	Потоки	Штатная частота ЦП	Увеличенная частота ЦП	Кэш 1 уровня	Кэш 2 уровня	Кэш 3 уровня	Процессорное гнездо
Ryzen 3	1200	4	4	3,1 ГГц	3,4 ГГц	384 Кб	512 Кб на ядро	8 Мб	AMD AM4 (PGA)
	1300X			3,5 ГГц	3,7 ГГц
Ryzen 5	1400	4	8	3,2 ГГц	3,4 ГГц
	1500X			3,5 ГГц	3,7 ГГц			16 Мб
	1600	6	12	3,2 ГГц	3,6 ГГц	576 Кб
	1600X			3,6 ГГц	4,0 ГГц
Ryzen 7	1700	8	16	3,0 ГГц	3,7 ГГц	768 Кб
	1700X			3,4 ГГц	3,8 ГГц
	1800X			3,6 ГГц	4,0 ГГц
Ryzen Threadripper	1900X			3,8 ГГц	4,2 ГГц				AMD TR4 (LGA)
	1920X	12	24	3,5 ГГц	4,1 ГГц	1,125 Мб		32 Мб
	1950X	16	32	3,4 ГГц	3,9 ГГц	1,5 Мб

И Intel, также для настольных ПК:

Ядра (потоки)	Серия и модель		Частота ЦП		TDP	Кэш L3	Сокет
			Штатная	Макс.
18 (36)	Core i9	7980XE	2,6 ГГц	4,2 ГГц	165 Вт	1,375 МБ на ядро	LGA 2066
16 (32)		7960X	2,8 ГГц	4,2 ГГц
14 (28)		7940X	3,1 ГГц	4,3 ГГц
12 (24)		7920X	2,9 ГГц	4,3 ГГц	140 Вт
10 (20)		7900X	3,3 ГГц	4,3 ГГц
8 (16)	Core i7	7820X	3,6 ГГц	4,3 ГГц
6 (12)		7800X	3,5 ГГц	4,0 ГГц
4 (8)		6700K	4,0 ГГц	4,2 ГГц	91 Вт	8 МБ	LGA 1151
		6785R	3,3 ГГц	3,9 ГГц	65 Вт		BGA1440
		6700	3,4 ГГц	4,0 ГГц	65 Вт		LGA 1151
		6700T	2,8 ГГц	3,6 ГГц	35 Вт	8 МБ

Системные шины.

Шины на системной плате и ЦПУ – то, что помогает создавать соединения между остальными элементами.

Современная шина QPI была создана для замены FSB, которая осуществляла связь между ЦПУ и северным системной платы. По состоянию на начало 2010 года, внешний интерфейс QPI используется только в сериях процессоров Xeon и Core i7 с ядром Nehalem для разъема LGA 1366, а также будет использоваться в следующем поколении Itanium (ядро Tukwila)[3]. При этом чипсеты для разъёма LGA 1366 используют шину DMI для связи между северным и южным мостом. Процессоры для разъёма LGA 1156 не имеют внешнего интерфейса QPI, поскольку чипсеты для данного разъёма поддерживают только однопроцессорную конфигурацию, а функциональность северного моста встроена в сам процессор (и, следовательно, для связи процессора с аналогом южного моста используется шина DMI). Однако внутри процессора LGA 1156 связь между ядрами и встроенным контроллером PCIe осуществляется через встроенную шину QPI.

DMI – современная и ныне развивающаяся шина (версия DMI 3.0 представлена в 2015 году), созданная с учётом того, что контроллер памяти (как и северный мост) интегрированы в ЦПУ. Шина служит для соединения ЦПУ и южного моста.

В 2011 году было представлено второе поколение интерфейса, DMI 2.0, в котором скорость передачи данных увеличилась в 2 раза, до 2 ГБ/с в каждую сторону по DMI 2.0 на базе 4 линий. Данный вариант использовался для соединения центральных процессоров Intel 2011-2015 годов с микросхемой Platform Controller Hub (PCH), частично заменившей набор из южного и северного мостов.

DMI 3.0 был представлен в августе 2015. В третьем поколении скорость обменов была увеличена до 8 GT/s на каждой линии. Интерфейс с 4 линиями позволяет передавать данные со скоростью до 3,93 ГБ/с между процессором и PCH. Используется в процессорах с микроархитектурой Skylake (варианты с 2 чипами) и чипсетах Intel серии 100, например Z170.

Чипсет.

Чипсет, иначе называемый набором системной логики, определяет доступ к внешним и внутренним ресурсам платы. Ранее, чипсет состоял из двух микросхем – северного и южного мостов, первый из которых являлся контроллером памяти, но сейчас он интегрирован в ЦПУ – и на системной плате остался только Южный мост, отвечающий за устройства ввода – вывода. Чипсет определяет функциональность системной платы. Он включает в себя интерфейс шины процессора и определяет в конечном счете тип и быстродействие используемого процессора. Определяет во многом тип, объём, быстродействие и вид поддерживаемой памяти, рабочие частоты различных шин, их разрядность и тип, поддержку плат расширения, их количество и тип, и т. д.

Первопроходцами стали разработчики компьютеров серии Amiga с чипсетом OCS (позже его сменил ECS и AGA). Немногим позже компания Chips & Technologies предложила чипсет CS8220 (основной чип 82C206) для IBM PC/AT-совместимых систем. Примерно тогда же появились компьютеры серии Atari ST, также созданные с использованием чипсета.

Являясь по сути основой платформы/системной платы,[2] чипсеты встречаются и в других устройствах, например, в сотовых телефонах и сетевых медиаплеерах.

BIOS

Все вышеперечисленные компоненты нужно как-то протестировать и настроить перед запуском ОС. Для этого был создан BIOS. Он выполняет следующие функции:

• Тестирование элементов материнской платы
• Тестирование плат расширения
• Тестирование памяти и ЦПУ
• Тестирование системы охлаждения.
• Установка частоты системной шины.
• Установка загрузочного диска.
• Чтение загрузочного сектора.
• И др.

После этого уже может запускаться ОС или её установка.

BIOS защит в ППЗУ микросхеме на системной плате ПК. Ранее, BIOS нельзя было перепрограммировать, но сейчас, с наличием Flash BIOS и EEEPROM и дублированием микросхем на плате (Dual BIOS) , это не составляет проблемы.

BIOS, в разных вариациях, представлен на всех современных устройствах, включая мобильную технику.

RAM

Оперативная память, используемая через северный мост, хранит в себе выполняемые программы и часто используемые данные, а так же процессы ОС. Доступ к ней медленнее чем к кэшу, но быстрее, чем к SSD или HDD.

В начале истории микросхемы памяти впаивались напрямую на плату, каждый отдельно. Затем, был придуман специальный форм-фактор SIMM, применявшийся в ПК IBM. SIMM эволюционировал в DIMM («двойной» SIMM ) иначе называемый SDRAM. С изобретением DDR память перестали делить на SIMM/DIMM, а сам DDR стал стандартом индустрии и остаётся им до сих пор. Последний разработанный тип памяти – DDR4, используемый на всех современных ПК.

Конструктивно память представляет собой печатную плату, с расположенными на ней микросхемами – банками памяти. В низу платы – электрические контакты, разделённые перемычкой.

Для ноутбуков была создан специальный форм-фактор – SO-DIMM, обладающий меньшей длиной. До сих пор используется в ноутбуках.

Устройства хранения данных.

Ранее данные можно было сохранять только на разнообразные дискеты, магнитные ленты и даже перфокарты, что, конечно, доставляло массу неудобств. Затем, появились жёсткие диски, используемые и поныне.

Современный жёсткий диск (HDD) имеет два форм-фактора – толстый 3.5'' для настольных ПК и 2.5'' – тонкий, для ноутбуков. Обычная скорость оборотов – 7200 в минуту. Жёсткие диски используют магнетизм в своей работе, и, при отсутствии механического и сильного электромагнитного воздействия, способны работать практически вечно, а данные не потеряются.

Но, к сожалению, современные ОС и ПО сильно прибавили в мегабайтах, и жёсткий диск уже давно отстаёт по производительности от его прямого конкурента – SSD. Этот диск чаще встречается в формате 2.5'', и имеет несколько отличий от традиционных HDD. Среди них, например: высокая скорость чтения/записи (на порядок выше чем у HDD), малые задержки, невосприимчивость к магнитным помехам. С другой стороны, срок службы SSD ограничен, и через несколько лет память начинает деградировать, а диск становится неработоспособным.

Но есть и ещё конкуренты, такие как Intel Optane. Это новейший вид энергонезависимой памяти, подключаемый через PCI-E. В отличие от SSD дисков, построенных на чипах NAND, Optane использует NVMe на чипах 3DXpoint, обладающих большей выносливостью - заявленная износостойкость – 100ГБ записанных данных каждый день в течение 5 лет. Плата памяти гораздо меньше 2.5'', что опять же позволяет использовать её в устройствах малого размера.

SSD:

Intel Optane:

HDD:

Внешние устройства и устройства расширения.

Внутренние устройства расширения.

Со времён IBM PC персональные компьютеры сохранили свою главную особенность (и, конечно же, неоспоримое преимущество) – расширяемость. Это свойство позволяет повысить функциональность ПК без его замены. Современные устройства расширения чаще всего подключаются в разъемы PCI Express, и, соответственно, работают на шине PCI Express, через южный мост материнской платы. Среди плат расширения можно выделить следующие:

• Видеокарты. Используются при обработке видео и фото, при трёхмерном проектировании, а так же в многочисленных видеоиграх.
• Звуковые карты. Для улучшения качества выводимого звука, и его высококачественной записи. Может использоваться на ПК в студиях звукозаписи.
• Карты видеозахвата. Используются, например, при построении систем видеонаблюдения на основе налоговых камер, или для оцифровки изображений с аналоговых источников (например, видеокассет).
• Сетевые карты. Встречаются всё реже, сейчас на любой материнской плате уже встроен RJ-45 разъем для подключения к сети. Может использоваться для подключения компьютера более чем к одной сети.
• Контроллеры, такие как USB, COM или LPT. Некоторые устройства до сих пор подключаются через старые порты COM и LPT, которых уже нет на современных системных платах, а иногда компьютеру не хватает портов USB.

Внешние устройства расширения.

Благодаря появлению USB как универсальной шины передачи данных, и так же увеличению её пропускной способности, множество устройств расширения подключаются через USB. Среди них такие устройства:

• Адаптеры беспроводной сети (WLAN или LTE). Обычно настольные компьютеры подключаются к сети через проводное подключение, но при невозможности его подключения, используется WLAN USB адаптер. Если уж и WLAN подключить не удаётся – операторы связи продают USB LTE модемы, позволяющие подключиться везде, где есть сотовый сигнал.
• Внешние переносные устройства хранения данных, такие как USB флеш-накопители и внешние SSD/HDD. Обычно их используют лишь для переноса важной информации между ПК, но можно использовать такое устройство как постоянное хранилище (при этом эффективность падает)
• Внешние адаптеры (контроллеры) портов, таких как LPT, COM, USB (USB контроллер-концентратор или USB-хаб), и даже Ethernet. Выполняет ту же функцию, что и платы расширения контроллеров портов внутри ПК, но при этом подключение становится более быстрым и удобным, не выключая при этом ПК (технология PnP – Plug’n’Play).

Вот как выглядят современные платы расширения:

Видеокарта Nvidia GeForce:

Звуковая карта Sound Blaster:

Платы с выводом COM и LPT

А вот пример внешнего устройства расширения – USB Hub

Основные и периферийные подключаемые устройства.

Некоторые устройства являются универсальными, а иногда и совсем самостоятельными единицами техники, но их можно подключать к ПК. Среди них:

• Принтеры, МФУ, сканеры. Чаще всего используются в офисах, иногда могут присутствовать и дома.
• Устройства воспроизведения звука (аудиоколонки).
• Игровые манипуляторы (джойстики, рули).
• Очки виртуальной реальности.

Есть и основные устройства, наличие которых необходимо. Среди них:

• Клавиатура.
• Мышь.
• Монитор.

Часть 3. Будущее ПК.

Возможности кремниевых ЦПУ достигают своего предела?

Дальнейшее развитие ЦПУ.

Основным катализатором развития ПК является развитие полупроводниковых технологий и технологий проектирования ЦПУ – ведь ЦПУ – центральная часть ПК.

Широко известно, что все процессоры сейчас создаются на основе кремния – полупроводникового материала. С момента появления первого процессора техпроцесс улучшался, а транзисторы приобрели нанометровые размеры – последний техпроцесс, достигнутый людьми – 3 нм. В мобильной технике уже используется 7 нм, а процессорах для настольных ПК – 10 и 14 нм.

Такое уменьшение не может продолжаться бесконечно, и рано или поздно технология упрётся в физические барьеры.

Сейчас, вместо простого уменьшения техпроцесса, наблюдается подход к изменению самой логики построения ЦПУ - Samsung и TSMC работают с 7 нм, используя транзисторы finFET, [14] и оба производителя собираются продолжать это и на 5 нм. В отличие от традиционных планарных транзисторов, finFET – это трёхмерные структуры, с лучшей производительностью и меньшими утечками.

Судя по всему, индустрии придётся готовиться к переходу на новую архитектуру 3 нм техпроцесса, и следующего промежуточного техпроцесса на 2 нм, судя по планам развития одной организации, работающей в этой области.

«5 нм – это всё ещё finFET, — сказал Наото Хоригучи, программный директор в Imec. – Допустим, что на 3 нм мы вступим в переходный период от finFET к другим архитектурам. Мы считаем, что это будут нанослои».

Нанослойные FET относятся к архитектуре транзисторов с круговым затвором (gate-all-around, GAA).[14] И это не единственный из возможных вариантов. «Индустрия весьма консервативная. Её участники попытаются выжать из finFET всё до предела, — сказал Хоригучи. – На техпроцессе 3 нм у нас есть возможность использовать finFET. Но нам потребуется совершить несколько инноваций finFET, улучшить его в общем и целом».

«Следующее поколение GAA на 3 нм и ниже добавляет очередной порядок сложности в производство, — сказал Ричард Готшо, вице-президент и технический директор Lam Research. – На первый взгляд, она выглядит, как модификация finFET. Однако требования усиливаются, и сложность этой архитектуры GAA значительно выше, чем у finFET».

В процессе производства нанослойных чипов первый шаг – размещение тонких чередующихся слоёв SiGe [14] и кремния на подложке. «У нас получается стопка кремний, кремний-германий, кремний. Мы называем это сверхрешёткой», — сказал в недавнем интервью Намсун Ким, главный директор инженерного управления Applied Materials. «Имея германиевое содержимое, необходимо обеспечить ему хороший слой изоляции».

Как минимум, пачка должна состоять из трёх слоёв SiGe и трёх кремния. Затем на пачку наносятся крохотные листовые структуры. После этого формируется изоляция с канавками, а потом – внутренние разделители.

Затем слои SiGe удаляются из сверхрешётки, оставляя кремниевые слои с пустым пространством между ними. Каждый кремниевый слой формирует основание листа или канала в устройстве. Затем необходимо нанести материал с высокой диэлектрической проницаемостью для создания затвора. «Между нанопроводами минимальное расстояние. Очень маленькое. Проблема в том, чтобы поместить туда металл рабочей толщины», — сказал Ким.

Индустрия годами работала над созданием технологии GAA, однако всё ещё остаются определённые проблемы. «Одна из главных – паразитная ёмкость, — сказал Ким. – Если вы спросите меня, каковы главные проблемы технологии GAA, то их две. Внутренние разделители и изоляция подложки».

Тренды развития ПК как явления.

Носимая электроника как вид современного ПК.

Персональный – не обязательно означает настольный. Сейчас практически у каждого есть смартфон, или планшет, электронные часы, электронные книги - разнообразие мобильных устройств крайне велико, производителей и моделей разнообразных устройств еще больше.

Изначально и по сей день, персональный компьютер предназначался для персональных вычислений, и сейчас мобильные устройства позволяют нам расширить понятие персональные вычисления, включив в него мобильную технику.

И действительно, давно придуманы мобильные ЦПУ и ГПУ на архитектуре ARM (такие как Apple Ax, Kirin, процессоры производителей Snapdragon, MediaTek, Samsung), отличающиеся малым энергопотреблением и меньшими размерами чипа. Смартфоны, как и традиционные ПК, имеют ОС, и множество прикладного ПО и игр. Действительно сильное отличие наблюдается в интерфейсах взаимодействия с ПК - у смартфона или планшета вместо мыши и клавиатуры - сенсорный экран, управление голосом и всего двумя-тремя физическими кнопками. Почти нет внешних портов, кроме micro-USB или USB Type C, а к сети мобильные устройства подключаются уже не проводом, а только по беспроводной сети Wi-Fi и 4G LTE. Нужно отметить, что любое устройство, как и те же ноутбуки, не живёт и не имеет смысла без батареи. Тем не менее, смартфон или планшет - сильная альтернатива традиционным ПК. [8]

Смартфоны и планшеты можно даже считать более безопасными - наличие сканеров отпечатков пальцев и распознавание контуров лица - этого не может ни один рядовой настольный ПК, такие функции иногда встречаются в некоторых ноутбуках.

Заключение

Персональный компьютер - сложнейшее техническое устройство с богатой и крайне стремительной историей, изменившей всю нашу жизнь. Технологии проектирования и изготовления ПК прошли сильную эволюцию за последние 40 лет - хотя этого нельзя было и представить в самом начале. А само изобретение транзистора не только создало ПК, но и целую индустрию, ныне называемую просто - IT, в которой ПК (и его аппаратная составляющая) - лишь часть.

Источники информации.

[1] https://habr.com/ru/post/408597/ - ENIAC

[2] https://habr.com/ru/post/399473/ - Intel 4004

[3] https://www.ibm.com/ibm/history/history/history_intro.html - официальная страница истории IBM

[4] https://habr.com/ru/company/banderolka/blog/401103/ - краткая история Apple

[5] https://apple-history.com/ - сайт о истории Apple

[6] https://us-it.ru/kompyuternyj-likbez/ustrojstvo-kompyutera/ - Устройство ПК

[7] https://www.chaynikam.info/cpu_table.html - список ЦПУ

[8] https://qwizz.ru/современные-технологии-мобильных-те/ - о современных мобильных устройствах.

[9] https://pikabu.ru/story/istoriya_o_tom_kak_zx_spectrum_pokoril_mir_6163172 - Sinclair и ZX Spectrum

[10] https://yandex.ru/museum/ibm-5150 - IBM 5150

[11] https://oldcomputers.net/ - PC Timeline

[12] https://ru.bmstu.wiki/Apple_III - Apple III

[13] https://ru.qwe.wiki/wiki/Apple%27s_transition_to_Intel_processors?ddexp4attempt=1 - Apple transition to Intel

[14] https://habr.com/ru/post/461875/ - о будущем ЦПУ