Принцип модульности и его использование при конструировании технических систем; печатные платы и интегральные схемы; устройство ЭВМ на примере настольного компьютера Dell OptiPlex: системная плата, процессор, оперативная память, контроллеры и порты, жёсткий диск и др.
Современные технические системы, например, автомобили, самолеты, пароходы, бытовые приборы и, разумеется, компьютеры, состоят из множества отдельных деталей. Но если, например, бытовая техника обычно разбирается только для ремонта и обслуживания, то компьютеры могут также разбираться и с целью модернизации (Upgrade). Такие устройства, как графический адаптер, оперативная память, жёсткий диск, процессор, могут подключаться к другим компонентам компьютера при помощи стандартных разъёмов и фиксируются при помощи стандартных механических креплений (защёлок, винтов и т.д.) В итоге покупатель может в момент приобретения компьютера сэкономить часть денежных средств, а потом заменять отдельные детали, повышая производительность и другие характеристики ЭВМ.
Поскольку различные детали компьютера сопрягаются друг с другом стандартными способами, их установка и замена обычно не требует специальных знаний и доступна продвинутым пользователям. Наличие достаточного опыта позволяет и вовсе собрать компьютер из этих компонент самостоятельно.
В отношении готовых компьютеров возможность модернизации может ограничиваться условиями гарантии производителя. Например, не лишаясь гарантии, компьютеры Apple можно модернизировать лишь в авторизованных сервисных центрах. Для компьютеров, совместимых с IBM PC (большинство современных персональных компьютеров), условия гарантии обычно мягче, однако многие производители также не одобряют самостоятельную замену деталей.
Исторически возможность самостоятельной модернизации стала одним из существенных факторов популярности IBM PC в начале 1980-х годов. Достаточно быстро этой возможностью стали пользоваться не только пользователи и компания IBM, но и сторонние производители оборудования, которые стали самостоятельно выпускать компоненты для IBM PC, совместимые с оригинальными, а следом и компьютеры, совместимые с IBM PC.
Итак, в современном индустриальном производстве вычислительной техники разные модули систем производятся разными компаниями-производителями. Например, компания Intel производит только процессоры, а уже другие компании выпускают итоговые ЭВМ с использованием этих процессоров. Если заглянуть глубже, то детали, из которых состоят микросхемы, в том числе и процессоры, также могут производиться различными специализированными компаниями, а производители микросхем уже закупают и используют эти готовые детали. На сегодняшний день принцип модульности глубоко проник в индустрию, и он важен не столько потому, что пользователь может сам выполнить модернизацию своего компьютера, но также потому, что в разработке целевого изделия могут участвовать различные компании-производители. Кроме того, важно, что одни и те же детали могут использоваться в различных целевых системах. Всё это существенно увеличивает производительность индустрии в целом, поскольку производителям нет нужды делать все детали для своих систем самостоятельно.
Многие компоненты ЭВМ, реализующие сложные логические функции - процессор, запоминающие устройства, различные контроллеры и т.д. - производятся в виде интегральных схем.
Интегральная схема (микросхема, чип, chip) - это электронная схема, изготовленная на основе полупроводниковых технологий и размещённая одной кремниевой пластине.
Будучи единым целым, интегральная схема не допускает обслуживания и ремонта: при выходе из строя она может быть заменена лишь целиком. Но именно "интегральность" позволила наладить эффективный индустриальный серийный выпуск недорогих интегральных схем. Более того, они также имеют небольшие размеры: вспомним, что большой размер первых ЭВМ существенно усложнял их обслуживание и радикально сокращал число их пользователей. На рис.4.1 приведен пример интегральной схемы.
Ряд компонент современных ЭВМ представляют собой единое целое с точки зрения решаемых функций и связей между собой и состоят из множества микросхем, а также отдельных электронных элементов, таких как транзисторы, конденсаторы и т.д. Для удобства интеграции все эти элементы помещают на отдельные печатные платы.
Печатная плата позволяет интегрировать набор микросхем и одиночных электронных элементов посредством размещения на пластине из диэлектрика, на поверхности которой расположены проводники, позволяющие соединять интегрируемые элементы друг с другом.
В роли диэлектрика в печатных платах обычно выступают различные виды стеклопластика. Термин "печатная" связан с технологией изготовления плат, о которой пойдёт речь ниже.
Важно понимать, что печатная плата выполняет не только связующую роль в плане передачи сигналов по проводникам, но и является важным конструктивным элементом. Именно платы составляют значительную часть современных электронных устройств - компьютеров, роутеров, модемов, телевизоров и смартфонов (в смартфоне плата обычно одна). И именно они обеспечивают модульность компьютеров: большинство компонент компьютера, допускающих замену пользователем, таких, как оперативная память (рис.4.2) или видеокарта, выпускаются и продаются в виде печатных плат. Более того, печатные платы могут вставляться друг в друга как, например, оперативную память вставляют в материнскую плату компьютера.
Далее, в качестве примера реальной ЭВМ мы рассмотрим типичный персональный компьютер Dell OptiPlex 7060, предназначенный для выполнения офисных задач. Готовый для работы компьютер (рабочее место) включает в себя системный блок, а также ряд периферийных устройств, например, монитор, клавиатуру и мышь. Здесь мы рассмотрим только системный блок, который является основным элементом персонального компьютера.
Системный блок Dell OptiPlex 7060 состоит из следующих элементов:
System Board, Mother Board);Processor);Random Access Memory);Read-Only Memory, ROM);Chipset);Graphics Adapter);Extension Slots);HDD, Hard Disk Drive);SATA-контроллеры (Serial ATA Controllers);Sound Adapter);Network Adapters);External Device Port Controllers);Optical Disk Drive);Power Supply System);Fans, Coolers).Давайте рассмотрим эти элементы подробно.
Материнская плата - это печатная плата, которая является центральным устройством системного блока и всего компьютера, соединяя и координируя все остальные устройства. Последние подключаются к материнской плате при помощи пайки или путём установки в специальные разъёмы.
Центральный процессор является интегральной схемой, которая осуществляет выполнение программ, работающих на данном компьютере. В зависимости от комплектации, на материнскую плату данной модели могут быть установлены процессоры Intel Core i3, i5 или i7. Это современные процессоры Intel разных ценовых категорий, обладающие разным количеством ядер и объёмом внутренней кэш-памяти. Ядро (core) - эта отдельная часть процессора, обладающая способностью выполнять команды программы; несколько ядер позволяют выполнять одновременно несколько программ. Отметим, что чем выше номер маркировки процессора, тем более мощным является процессор, и, соответственно, тем больше у него возможностей и тем выше его цена.
Оперативная память представляет собой набор печатных плат для хранения информации, непосредственно необходимой во время работы процессора: на этих платах хранятся исполняемые в данные момент программ и их данные (рис.4.2). Эти платы вставляются в специальные разъёмы на материнской плате. Меняя или подключая новые платы с оперативной памятью, можно наращивать её общий объём в компьютере. Это бывает важно, поскольку объём оперативной памяти значительно влияет на быстродействие компьютера. Компьютер Dell OptiPlex поддерживает установку от 1 до 4 таких плат с оперативной памятью общей ёмкостью от 4 до 64 Gb. Для офисных задач типичный объём оперативной памяти составляет от 8 до 16 Gb.
Помимо процессора с оперативной памятью могут также взаимодействовать и узлы компьютера - звуковые адаптеры, различные контроллеры локальной сети Ethernet или WiFi, контроллеры внешних портов. Например, процессор готовит для звукового адаптера очередную порцию цифровой аудиозаписи, помещает её в оперативную память, и, пока звуковой адаптер самостоятельно читает из памяти и воспроизводит запись, процессор может подготовить следующую порцию и заняться другой работой. Эта возможность реализуется посредством технологии DMA (Direct Memory Access).
Постоянное запоминающее устройство - это специальная печатная плата, реализующая постоянную память компьютера, и содержание этой памяти остается постоянным и не перезаписывается во время работы компьютера, при его перезагрузке и включении/выключении. Постоянное запоминающее устройство содержит BIOS и EFI - встроенные программы, предназначенные для запуска операционной системы компьютера после включения или при его перезапуске. В последнее время постоянное запоминающее устройство обычно реализовано в виде флэш-памяти и допускает программное перезаписывание с целью обновления, то есть записи новых версий BIOS и EFI. Однако такие обновления выполняются редко по сравнению с тем, сколь часто выполняется запись данных на жесткий диск или в оперативную память.
Чипсет является набором интегральных схем, размещенных на материнской плате, которые реализуют системную шину компьютера, а также некоторые другие функции. Напомним, что системная шина - это общий канал передачи данных, при помощи которого процессор может обмениваться данными с оперативной памятью и периферийными устройствами.
Как уже говорилось в прошлых лекциях, в архитектуре фон Неймана системная шина является "узким местом": через неё передаются и данные, и машинной код, и, вдобавок, выполняется управление и обмен данными с периферийными устройствами. Для повышения производительности системная шина эволюционировала от "набора проводов" до многоуровневого устройства. В настоящее время она устроена существенно иначе и сложнее, чем в первых компьютерах. Как рассказывалось в предыдущих лекциях, в компьютерах первых поколений она делилась на шину данных, адресную и управляющую шины. В настоящее время в большинстве компьютеров системная шина состоит из быстрой шины и медленной шины.
Intel Core i3, i5 и i7 эта шина, как правило, реализуется внутри кремниевой пластины центрального процессора (для Intel-процессоров используется технология SandyBridge). К быстрой шине подключён коммутатор, через который подключённые к быстрой шине устройства связываются с медленной шиной. У процессоров Intel Core i3, i5 и i7 этот коммутатор также расположен на кристалле.PCI Express) расположена на материнской плате и обеспечивает взаимодействие процессора с другими устройствами, не требующими передачи данных с высокой скоростью. Медленная шина PCI Express не разделяется физически на шины данных, адреса и управления. Вместо этого она передаёт по общему каналу отдельные сообщения (пакеты), содержащие в себе необходимые данные, адреса и сигналы управления. Кроме того, она не соединяет устройства друг с другом, а подключает их к коммутатору. Такое решение удобно для добавления в компьютер разнообразных устройств - контроллеров жёсткого диска, USB-контроллеров, контроллера клавиатуры, адаптеров WiFi и Ethernet и т.д.Разделение на шины на быструю и медленную целесообразно, поскольку скорость взаимодействия с устройством важно сочетать со скоростью его работы, а последняя у разных устройств оказывается разной. При этом быстрая шина, процессор и оперативная память размещаются на плате по возможности компактно, чтобы сократить расстояния между ними.
Графический адаптер является специальным устройством, предназначенным для обработки изображения и формирования видеосигнала при выводе изображения на монитор компьютера. Сформированный видеосигнал передаётся из графического адаптера на монитор через стандартные разъёмы - HDMI и VGA, которые можно видеть с обратной стороны системного блока. В частности, в эти разъемы можно подключать вместо монитора другие устройства, например, телевизор или проектор.
Графический адаптер может быть интегрирован в центральный процессор или чипсет. Также графический адаптер может быть выполнен в виде отдельного (discrete) устройства и быть вставленным в материнскую плату через специальный слот Dell OptiPlex 7060, изображенном на рис.4.3: отдельный графический адаптер вставлен в разъём синего цвета на материнской плате, несмотря на то, что в компьютерах семейства Intel x86 Intel Core i3, i5, i7 и выше уже графический адаптер интегрирован в центральный процессор.
Современный графический адаптер имеет собственный процессор, который может быть использован не только по прямому назначению, то есть для обработки видеоизображений, но и для произвольных вычислений. Такая возможность обеспечивается GPGPU-технологиями (General Purpose Graphical Processing Unit), позволяющим программистам использовать графический процессор компьютера для вычислений, которые в обычной ситуации выполняет центральный процессор. Такие технологии оказываются полезными, когда возникают проблемы с производительностью, например, при моделировании физических процессов, в криптографических задачах, при обучении и использовании нейронных сетей, при решении графовых задач методами линейной алгебры и т.п.
Разъёмы расширения позволяют подключать к материнской плате дополнительные устройства, которыми данный компьютер не комплектуется, например, устройство видеозахвата или адаптер для оптической локальной сети.
Графический адаптер и контроллеры различных устройств могут быть встроены в материнскую плату, но не обладать достаточной производительностью для решения задач пользователя данного компьютера, а могут и вовсе отсутствовать. В таких случаях более мощные аналоги можно установить в разъёмы расширения. Например, встроенные графические адаптеры хорошо подходят для решения офисных задач, но бывают недостаточно производительны для компьютерных игр, и тогда в системный блок, в слот расширения, вставляется отдельный, вынесенный графический адаптер.
Жесткий диск используется для долгосрочного хранения данных и программ. В отличие от оперативной памяти, быстродействие жёсткого диска существенно ниже, а объём хранимых данных - значительно больше. Программы (приложения), установленные на компьютере, хранятся именно на жестком диске, а перед выполнением загружаются в оперативную память. В зависимости от комплектации данная модель ЭВМ допускает жесткий диск объёмом от 500 Гб до 2 Тб.
Жесткий диск часто называют винчестером. Винчестер - это сленговый термин, который появился в 1970-х в компании IBM для обозначения жесткого диска IBM 3340. Максимальная конфигурация этого изделия включала два таких жёстких диска объемом по 30 Mb. Два числа 30 послужили для разработчиков изделия ассоциацией с известной охотничьей винтовкой Винчестер, патроны к которой так и назывались - 30-30. Первое число означало калибр в сотых долях дюйма, второе - вес порохового заряда в специальных единицах (гранах). В дальнейшем этот термин стал использоваться для названия для всех жестких дисков.
Вместо жёсткого диска на компьютере Dell OptiPlex 7060 может быть установлен твердотельный накопитель (SSD, Solid State Drive) объёмом от 512 гигабайт до 1 терабайта. Твердотельный накопитель хранит данные в виде флэш-памяти большого объёма. Он стоит дороже механического жёсткого диска, но обладает большим быстродействием.
SATA-контроллеры (Serial AT Attachment) управляют энергонезависимыми накопителями данных - жёсткими дисками, твердотельными накопителями, оптическими приводами. Эти накопители используются для хранения программ и данных - как системных, так и пользовательских, причём, в отличие от оперативной памяти, они не "забывают" информацию, когда компьютер выключен. SATA-контроллеры поддерживают механизм DMA (Direct Memory Access), который позволяет им связываться с оперативной памятью без участия центрального процессора: благодаря этому механизму, пока контроллер загружает данные с накопителя в память или сохраняет данные из памяти на накопителе, процессор может выполнять другую работу.
Встроенный звуковой адаптер является устройством, которое реализует работу компьютера со звуком: поддерживает воспроизведение (проигрывание) звукозаписи в динамики или наушники, а также позволяет выполнять запись аудиоматериала с микрофона. Современные ноутбуки комплектуются встроенными динамиками и микрофоном.
Сетевые адаптеры позволяют подключать компьютер к компьютерным сетям. У Dell OptiPlex 7060 имеются адаптеры для подключения к самым распространённым видам сетей - проводной сети Ethernet и беспроводной сети WiFi.
Контроллеры внешних портов являются устройствами, которые управляют внешними портами компьютера, которые обычно выведены с обратной стороны системного блока - один контроллер на один или несколько портов. Dell OptiPlex имеет следующие порты: 10 - 12 USB-портов (в зависимости от комплектации), два PS/2-порта, предназначенных для подключения мыши и клавиатуры, а также несколько других видов портов для совместимости со старыми USB-портам могут подключаться любые совместимые с ними внешние устройства, например, принтер или сканер.
Значение термина "порт" в вычислительной технике варьируется в зависимости от контекста. Портом называют и разъём на системном блоке компьютера, и способ сопряжения контроллера внешнего устройства с системной шиной, и точки соединения произвольных устройств, расположенных на некоторой плате (не обязательно материнской), с различными каналами, и, наконец, произвольную "внешнюю розетку" различного электронного оборудования.
Память для настроек компьютера представляет собой особый вид памяти, предназначенный для хранения основных настроек ЭВМ, используемых при её запуске. Речь идёт о состоянии адаптера WiFi, вариантах загрузки операционной системы и т.д. Эти настройки требуется сохранять после выключения компьютера из электрической сети. Для их хранения не используется жесткий диск, поскольку часть из этих настроек используется при его инициализации. Более того, в некоторых комплектациях рассматриваемый компьютер может загружаться по локальной сети и хранить свои данные там же, соответственно, жёсткого диска у него может не быть вовсе. В компьютере Dell OptiPlex 7060 память для настроек реализована с помощью технологии CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), которая требует постоянного электропитания для своей работы, что обеспечивается батарейкой. Часто эту память так и называют - CMOS, хотя для её реализации используются и другие технологии, например, флэш-память.
Часы и источник питания (батарейка). Часы (и календарь) нужны компьютеру для правильной обработки данных (например, у каждого файла записаны время создания и изменения), для работы офисных программ (например, напоминания о встречах), а также для системных утилит (например, периодического запуска антивируса) и пр. Для часов необходим автономный источник питания (батарейка), чтобы не переустанавливать их всякий раз после запуска компьютера.
Оптический привод является дисководом для работы с оптическими дисками, то есть дисками CD (сейчас используются всё реже) и DVD. Изначально (а это был конец 1970-х годов) технология оптических дисков предназначалась для хранения звукозаписей. Позже эта технология была усовершенствована и стала применяться для хранения видеоданных, а потом и произвольных данных.
Оптический диск состоит из нескольких слоёв. Наружные слои, выполненные из пластика, обеспечивают его механическую прочность, а внутренние, изготавливаемые из различных металлов или сплавов, предназначаются для хранения данных. Чтение и запись на оптические диски производятся при помощи лазерного луча. Участки диска, в зависимости от того, записаны ли на них нули или единицы, по-разному отражают свет лазера, что и используется для чтения данных: лазер подсвечивает нужный бит, а фотодатчики по отражённому сигналу определяют его значение. Для записи существуют различные технологии, но все они основаны на принципе изменения оптических свойств внутреннего слоя диска при помощи воздействия более мощным, чем при чтении, лазерным лучом.
Система электропитания преобразует напряжение электрической сети в набор питающих напряжений для ПК, а также набор кабелей питания и разъёмов, подключаемых к разным устройствам.
Вентиляторы или кулеры (Fans, Coolers) предназначены для отвода тепла от узлов компьютера. Современный компьютер выделяет значительное количество много в силу следующих причин.
При этом все компоненты компьютера достаточно требовательны к температурному режиму: при выходе за пределы рабочих температур меняются характеристики полупроводников, что приводит к отказу электроники, а при сильном перегреве может расплавиться оловянный припой, используемый для соединения микросхем с системной платой. Чтобы поддерживать рабочую температуру, в Dell OptiPlex 7060 имеется два кулера: один является общим на весь системный блок, второй обеспечивает охлаждение центрального процессора.
IBM PC?DMA?Принцип модульности и его использование при конструировании технических систем; печатные платы и интегральные схемы; устройство ЭВМ на примере настольного компьютера Dell OptiPlex: системная плата, процессор, оперативная память, контроллеры и порты, жёсткий диск и др.
Современные технические системы, например, автомобили, самолеты, пароходы, бытовые приборы и, разумеется, компьютеры, состоят из множества отдельных деталей. Но если, например, бытовая техника обычно разбирается только для ремонта и обслуживания, то компьютеры могут также разбираться и с целью модернизации (Upgrade). Такие устройства, как графический адаптер, оперативная память, жёсткий диск, процессор, могут подключаться к другим компонентам компьютера при помощи стандартных разъёмов и фиксируются при помощи стандартных механических креплений (защёлок, винтов и т.д.) В итоге покупатель может в момент приобретения компьютера сэкономить часть денежных средств, а потом заменять отдельные детали, повышая производительность и другие характеристики ЭВМ.
Поскольку различные детали компьютера сопрягаются друг с другом стандартными способами, их установка и замена обычно не требует специальных знаний и доступна продвинутым пользователям. Наличие достаточного опыта позволяет и вовсе собрать компьютер из этих компонент самостоятельно.
В отношении готовых компьютеров возможность модернизации может ограничиваться условиями гарантии производителя. Например, не лишаясь гарантии, компьютеры Apple можно модернизировать лишь в авторизованных сервисных центрах. Для компьютеров, совместимых с IBM PC (большинство современных персональных компьютеров), условия гарантии обычно мягче, однако многие производители также не одобряют самостоятельную замену деталей.
Исторически возможность самостоятельной модернизации стала одним из существенных факторов популярности IBM PC в начале 1980-х годов. Достаточно быстро этой возможностью стали пользоваться не только пользователи и компания IBM, но и сторонние производители оборудования, которые стали самостоятельно выпускать компоненты для IBM PC, совместимые с оригинальными, а следом и компьютеры, совместимые с IBM PC.
Итак, в современном индустриальном производстве вычислительной техники разные модули систем производятся разными компаниями-производителями. Например, компания Intel производит только процессоры, а уже другие компании выпускают итоговые ЭВМ с использованием этих процессоров. Если заглянуть глубже, то детали, из которых состоят микросхемы, в том числе и процессоры, также могут производиться различными специализированными компаниями, а производители микросхем уже закупают и используют эти готовые детали. На сегодняшний день принцип модульности глубоко проник в индустрию, и он важен не столько потому, что пользователь может сам выполнить модернизацию своего компьютера, но также потому, что в разработке целевого изделия могут участвовать различные компании-производители. Кроме того, важно, что одни и те же детали могут использоваться в различных целевых системах. Всё это существенно увеличивает производительность индустрии в целом, поскольку производителям нет нужды делать все детали для своих систем самостоятельно.
Многие компоненты ЭВМ, реализующие сложные логические функции - процессор, запоминающие устройства, различные контроллеры и т.д. - производятся в виде интегральных схем.
Интегральная схема (микросхема, чип, chip) - это электронная схема, изготовленная на основе полупроводниковых технологий и размещённая одной кремниевой пластине.
Будучи единым целым, интегральная схема не допускает обслуживания и ремонта: при выходе из строя она может быть заменена лишь целиком. Но именно "интегральность" позволила наладить эффективный индустриальный серийный выпуск недорогих интегральных схем. Более того, они также имеют небольшие размеры: вспомним, что большой размер первых ЭВМ существенно усложнял их обслуживание и радикально сокращал число их пользователей. На рис.4.1 приведен пример интегральной схемы.
Ряд компонент современных ЭВМ представляют собой единое целое с точки зрения решаемых функций и связей между собой и состоят из множества микросхем, а также отдельных электронных элементов, таких как транзисторы, конденсаторы и т.д. Для удобства интеграции все эти элементы помещают на отдельные печатные платы.
Печатная плата позволяет интегрировать набор микросхем и одиночных электронных элементов посредством размещения на пластине из диэлектрика, на поверхности которой расположены проводники, позволяющие соединять интегрируемые элементы друг с другом.
В роли диэлектрика в печатных платах обычно выступают различные виды стеклопластика. Термин "печатная" связан с технологией изготовления плат, о которой пойдёт речь ниже.
Важно понимать, что печатная плата выполняет не только связующую роль в плане передачи сигналов по проводникам, но и является важным конструктивным элементом. Именно платы составляют значительную часть современных электронных устройств - компьютеров, роутеров, модемов, телевизоров и смартфонов (в смартфоне плата обычно одна). И именно они обеспечивают модульность компьютеров: большинство компонент компьютера, допускающих замену пользователем, таких, как оперативная память (рис.4.2) или видеокарта, выпускаются и продаются в виде печатных плат. Более того, печатные платы могут вставляться друг в друга как, например, оперативную память вставляют в материнскую плату компьютера.
Далее, в качестве примера реальной ЭВМ мы рассмотрим типичный персональный компьютер Dell OptiPlex 7060, предназначенный для выполнения офисных задач. Готовый для работы компьютер (рабочее место) включает в себя системный блок, а также ряд периферийных устройств, например, монитор, клавиатуру и мышь. Здесь мы рассмотрим только системный блок, который является основным элементом персонального компьютера.
Системный блок Dell OptiPlex 7060 состоит из следующих элементов:
System Board, Mother Board);Processor);Random Access Memory);Read-Only Memory, ROM);Chipset);Graphics Adapter);Extension Slots);HDD, Hard Disk Drive);SATA-контроллеры (Serial ATA Controllers);Sound Adapter);Network Adapters);External Device Port Controllers);Optical Disk Drive);Power Supply System);Fans, Coolers).Давайте рассмотрим эти элементы подробно.
Материнская плата - это печатная плата, которая является центральным устройством системного блока и всего компьютера, соединяя и координируя все остальные устройства. Последние подключаются к материнской плате при помощи пайки или путём установки в специальные разъёмы.
Центральный процессор является интегральной схемой, которая осуществляет выполнение программ, работающих на данном компьютере. В зависимости от комплектации, на материнскую плату данной модели могут быть установлены процессоры Intel Core i3, i5 или i7. Это современные процессоры Intel разных ценовых категорий, обладающие разным количеством ядер и объёмом внутренней кэш-памяти. Ядро (core) - эта отдельная часть процессора, обладающая способностью выполнять команды программы; несколько ядер позволяют выполнять одновременно несколько программ. Отметим, что чем выше номер маркировки процессора, тем более мощным является процессор, и, соответственно, тем больше у него возможностей и тем выше его цена.
Оперативная память представляет собой набор печатных плат для хранения информации, непосредственно необходимой во время работы процессора: на этих платах хранятся исполняемые в данные момент программ и их данные (рис.4.2). Эти платы вставляются в специальные разъёмы на материнской плате. Меняя или подключая новые платы с оперативной памятью, можно наращивать её общий объём в компьютере. Это бывает важно, поскольку объём оперативной памяти значительно влияет на быстродействие компьютера. Компьютер Dell OptiPlex поддерживает установку от 1 до 4 таких плат с оперативной памятью общей ёмкостью от 4 до 64 Gb. Для офисных задач типичный объём оперативной памяти составляет от 8 до 16 Gb.
Помимо процессора с оперативной памятью могут также взаимодействовать и узлы компьютера - звуковые адаптеры, различные контроллеры локальной сети Ethernet или WiFi, контроллеры внешних портов. Например, процессор готовит для звукового адаптера очередную порцию цифровой аудиозаписи, помещает её в оперативную память, и, пока звуковой адаптер самостоятельно читает из памяти и воспроизводит запись, процессор может подготовить следующую порцию и заняться другой работой. Эта возможность реализуется посредством технологии DMA (Direct Memory Access).
Постоянное запоминающее устройство - это специальная печатная плата, реализующая постоянную память компьютера, и содержание этой памяти остается постоянным и не перезаписывается во время работы компьютера, при его перезагрузке и включении/выключении. Постоянное запоминающее устройство содержит BIOS и EFI - встроенные программы, предназначенные для запуска операционной системы компьютера после включения или при его перезапуске. В последнее время постоянное запоминающее устройство обычно реализовано в виде флэш-памяти и допускает программное перезаписывание с целью обновления, то есть записи новых версий BIOS и EFI. Однако такие обновления выполняются редко по сравнению с тем, сколь часто выполняется запись данных на жесткий диск или в оперативную память.
Чипсет является набором интегральных схем, размещенных на материнской плате, которые реализуют системную шину компьютера, а также некоторые другие функции. Напомним, что системная шина - это общий канал передачи данных, при помощи которого процессор может обмениваться данными с оперативной памятью и периферийными устройствами.
Как уже говорилось в прошлых лекциях, в архитектуре фон Неймана системная шина является "узким местом": через неё передаются и данные, и машинной код, и, вдобавок, выполняется управление и обмен данными с периферийными устройствами. Для повышения производительности системная шина эволюционировала от "набора проводов" до многоуровневого устройства. В настоящее время она устроена существенно иначе и сложнее, чем в первых компьютерах. Как рассказывалось в предыдущих лекциях, в компьютерах первых поколений она делилась на шину данных, адресную и управляющую шины. В настоящее время в большинстве компьютеров системная шина состоит из быстрой шины и медленной шины.
Intel Core i3, i5 и i7 эта шина, как правило, реализуется внутри кремниевой пластины центрального процессора (для Intel-процессоров используется технология SandyBridge). К быстрой шине подключён коммутатор, через который подключённые к быстрой шине устройства связываются с медленной шиной. У процессоров Intel Core i3, i5 и i7 этот коммутатор также расположен на кристалле.PCI Express) расположена на материнской плате и обеспечивает взаимодействие процессора с другими устройствами, не требующими передачи данных с высокой скоростью. Медленная шина PCI Express не разделяется физически на шины данных, адреса и управления. Вместо этого она передаёт по общему каналу отдельные сообщения (пакеты), содержащие в себе необходимые данные, адреса и сигналы управления. Кроме того, она не соединяет устройства друг с другом, а подключает их к коммутатору. Такое решение удобно для добавления в компьютер разнообразных устройств - контроллеров жёсткого диска, USB-контроллеров, контроллера клавиатуры, адаптеров WiFi и Ethernet и т.д.Разделение на шины на быструю и медленную целесообразно, поскольку скорость взаимодействия с устройством важно сочетать со скоростью его работы, а последняя у разных устройств оказывается разной. При этом быстрая шина, процессор и оперативная память размещаются на плате по возможности компактно, чтобы сократить расстояния между ними.
Графический адаптер является специальным устройством, предназначенным для обработки изображения и формирования видеосигнала при выводе изображения на монитор компьютера. Сформированный видеосигнал передаётся из графического адаптера на монитор через стандартные разъёмы - HDMI и VGA, которые можно видеть с обратной стороны системного блока. В частности, в эти разъемы можно подключать вместо монитора другие устройства, например, телевизор или проектор.
Графический адаптер может быть интегрирован в центральный процессор или чипсет. Также графический адаптер может быть выполнен в виде отдельного (discrete) устройства и быть вставленным в материнскую плату через специальный слот Dell OptiPlex 7060, изображенном на рис.4.3: отдельный графический адаптер вставлен в разъём синего цвета на материнской плате, несмотря на то, что в компьютерах семейства Intel x86 Intel Core i3, i5, i7 и выше уже графический адаптер интегрирован в центральный процессор.
Современный графический адаптер имеет собственный процессор, который может быть использован не только по прямому назначению, то есть для обработки видеоизображений, но и для произвольных вычислений. Такая возможность обеспечивается GPGPU-технологиями (General Purpose Graphical Processing Unit), позволяющим программистам использовать графический процессор компьютера для вычислений, которые в обычной ситуации выполняет центральный процессор. Такие технологии оказываются полезными, когда возникают проблемы с производительностью, например, при моделировании физических процессов, в криптографических задачах, при обучении и использовании нейронных сетей, при решении графовых задач методами линейной алгебры и т.п.
Разъёмы расширения позволяют подключать к материнской плате дополнительные устройства, которыми данный компьютер не комплектуется, например, устройство видеозахвата или адаптер для оптической локальной сети.
Графический адаптер и контроллеры различных устройств могут быть встроены в материнскую плату, но не обладать достаточной производительностью для решения задач пользователя данного компьютера, а могут и вовсе отсутствовать. В таких случаях более мощные аналоги можно установить в разъёмы расширения. Например, встроенные графические адаптеры хорошо подходят для решения офисных задач, но бывают недостаточно производительны для компьютерных игр, и тогда в системный блок, в слот расширения, вставляется отдельный, вынесенный графический адаптер.
Жесткий диск используется для долгосрочного хранения данных и программ. В отличие от оперативной памяти, быстродействие жёсткого диска существенно ниже, а объём хранимых данных - значительно больше. Программы (приложения), установленные на компьютере, хранятся именно на жестком диске, а перед выполнением загружаются в оперативную память. В зависимости от комплектации данная модель ЭВМ допускает жесткий диск объёмом от 500 Гб до 2 Тб.
Жесткий диск часто называют винчестером. Винчестер - это сленговый термин, который появился в 1970-х в компании IBM для обозначения жесткого диска IBM 3340. Максимальная конфигурация этого изделия включала два таких жёстких диска объемом по 30 Mb. Два числа 30 послужили для разработчиков изделия ассоциацией с известной охотничьей винтовкой Винчестер, патроны к которой так и назывались - 30-30. Первое число означало калибр в сотых долях дюйма, второе - вес порохового заряда в специальных единицах (гранах). В дальнейшем этот термин стал использоваться для названия для всех жестких дисков.
Вместо жёсткого диска на компьютере Dell OptiPlex 7060 может быть установлен твердотельный накопитель (SSD, Solid State Drive) объёмом от 512 гигабайт до 1 терабайта. Твердотельный накопитель хранит данные в виде флэш-памяти большого объёма. Он стоит дороже механического жёсткого диска, но обладает большим быстродействием.
SATA-контроллеры (Serial AT Attachment) управляют энергонезависимыми накопителями данных - жёсткими дисками, твердотельными накопителями, оптическими приводами. Эти накопители используются для хранения программ и данных - как системных, так и пользовательских, причём, в отличие от оперативной памяти, они не "забывают" информацию, когда компьютер выключен. SATA-контроллеры поддерживают механизм DMA (Direct Memory Access), который позволяет им связываться с оперативной памятью без участия центрального процессора: благодаря этому механизму, пока контроллер загружает данные с накопителя в память или сохраняет данные из памяти на накопителе, процессор может выполнять другую работу.
Встроенный звуковой адаптер является устройством, которое реализует работу компьютера со звуком: поддерживает воспроизведение (проигрывание) звукозаписи в динамики или наушники, а также позволяет выполнять запись аудиоматериала с микрофона. Современные ноутбуки комплектуются встроенными динамиками и микрофоном.
Сетевые адаптеры позволяют подключать компьютер к компьютерным сетям. У Dell OptiPlex 7060 имеются адаптеры для подключения к самым распространённым видам сетей - проводной сети Ethernet и беспроводной сети WiFi.
Контроллеры внешних портов являются устройствами, которые управляют внешними портами компьютера, которые обычно выведены с обратной стороны системного блока - один контроллер на один или несколько портов. Dell OptiPlex имеет следующие порты: 10 - 12 USB-портов (в зависимости от комплектации), два PS/2-порта, предназначенных для подключения мыши и клавиатуры, а также несколько других видов портов для совместимости со старыми USB-портам могут подключаться любые совместимые с ними внешние устройства, например, принтер или сканер.
Значение термина "порт" в вычислительной технике варьируется в зависимости от контекста. Портом называют и разъём на системном блоке компьютера, и способ сопряжения контроллера внешнего устройства с системной шиной, и точки соединения произвольных устройств, расположенных на некоторой плате (не обязательно материнской), с различными каналами, и, наконец, произвольную "внешнюю розетку" различного электронного оборудования.
Память для настроек компьютера представляет собой особый вид памяти, предназначенный для хранения основных настроек ЭВМ, используемых при её запуске. Речь идёт о состоянии адаптера WiFi, вариантах загрузки операционной системы и т.д. Эти настройки требуется сохранять после выключения компьютера из электрической сети. Для их хранения не используется жесткий диск, поскольку часть из этих настроек используется при его инициализации. Более того, в некоторых комплектациях рассматриваемый компьютер может загружаться по локальной сети и хранить свои данные там же, соответственно, жёсткого диска у него может не быть вовсе. В компьютере Dell OptiPlex 7060 память для настроек реализована с помощью технологии CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), которая требует постоянного электропитания для своей работы, что обеспечивается батарейкой. Часто эту память так и называют - CMOS, хотя для её реализации используются и другие технологии, например, флэш-память.
Часы и источник питания (батарейка). Часы (и календарь) нужны компьютеру для правильной обработки данных (например, у каждого файла записаны время создания и изменения), для работы офисных программ (например, напоминания о встречах), а также для системных утилит (например, периодического запуска антивируса) и пр. Для часов необходим автономный источник питания (батарейка), чтобы не переустанавливать их всякий раз после запуска компьютера.
Оптический привод является дисководом для работы с оптическими дисками, то есть дисками CD (сейчас используются всё реже) и DVD. Изначально (а это был конец 1970-х годов) технология оптических дисков предназначалась для хранения звукозаписей. Позже эта технология была усовершенствована и стала применяться для хранения видеоданных, а потом и произвольных данных.
Оптический диск состоит из нескольких слоёв. Наружные слои, выполненные из пластика, обеспечивают его механическую прочность, а внутренние, изготавливаемые из различных металлов или сплавов, предназначаются для хранения данных. Чтение и запись на оптические диски производятся при помощи лазерного луча. Участки диска, в зависимости от того, записаны ли на них нули или единицы, по-разному отражают свет лазера, что и используется для чтения данных: лазер подсвечивает нужный бит, а фотодатчики по отражённому сигналу определяют его значение. Для записи существуют различные технологии, но все они основаны на принципе изменения оптических свойств внутреннего слоя диска при помощи воздействия более мощным, чем при чтении, лазерным лучом.
Система электропитания преобразует напряжение электрической сети в набор питающих напряжений для ПК, а также набор кабелей питания и разъёмов, подключаемых к разным устройствам.
Вентиляторы или кулеры (Fans, Coolers) предназначены для отвода тепла от узлов компьютера. Современный компьютер выделяет значительное количество много в силу следующих причин.
При этом все компоненты компьютера достаточно требовательны к температурному режиму: при выходе за пределы рабочих температур меняются характеристики полупроводников, что приводит к отказу электроники, а при сильном перегреве может расплавиться оловянный припой, используемый для соединения микросхем с системной платой. Чтобы поддерживать рабочую температуру, в Dell OptiPlex 7060 имеется два кулера: один является общим на весь системный блок, второй обеспечивает охлаждение центрального процессора.
IBM PC?DMA?
Для получения официальных документов о завершении программы дополнительного профессионального образования (удостоверения о повышении квалификации, дипломов о профессиональной переподготовке и MBA) необходимо предоставить:
Внимание! Вы можете не заказывать доставку бумажной версии официального документы, а скачать его в электронном виде и распечатать самостоятельно. Информация о выданном документе в течение 1 месяца загружается в Федеральную информационную систему «Федеральный реестр сведений о документах об образовании и (или) о квалификации, документах об обучении» - ФИС ФРДО.
Доступ на новый сайт осуществляется с использованием адреса электронной почты, который был указан вами при регистрации на "старом". Мы постарались перенести все ваши данные с прежнего ресурса, однако не исключена вероятность потери части информации.
При возникновении проблемы со входом, воспользуйтесь функцией сброса пароля
Если вы обнаружите несоответствия, пожалуйста, сообщите нам.