Устройство персонального компьютера (Устройство ранних ПК, упрощение и стандартизация.)
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 |
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
- Организация маркетинга на предприятии
- Особенности коммерческой деятельности в сфере оптовой
- Роль мотивации в поведении организации (Мотивация и стимулирование труда)
- ПОНЯТИЯ И ВИДЫ СУБЪЕКТОВ ПРАВООТНОШЕНИЙ
- Фальсификация продовольственных товаров (Проведение экспертизы качества продуктов детского питания, реализуемых универсамом «Продукты»)
- Организация работы компании на выставке
- Принципы эффективного планирования деятельности предприятия (Понятие о системе планирования)
- Формирование корпоративного имиджа компании (Теоретические аспекты использования PR-технологий в формировании имиджа организации)
- Формирование и использование финансовых ресурсов коммерческих организаций (Финансовые ресурсы предприятия)
- Правовая культура. Правовой нигилизм и правовой фетишизм
- Роль мотивации в поведении организации (Теоретические основы мотивации персонала в системе менеджмента)
- Психологический контракт и приверженность сотрудников к организации