Устройство современного настольного компьютера

• Быстрая системная шина связывает процессор, оперативную память и встроенный в центральный процессор графический адаптер; в случае с 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.
• Медленная системная шина (распространенный вариант реализации - технология 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 расширения^{1 В русском языке по отношению к отдельным графическим адаптерам закрепился термин "дискретный", который является калькой с английского слова "discrete". В английском языке слово "discrete" в том числе имеет и значение "отдельный", чего нельзя сказать про русское слово "дискретный". Для русского языка мы рекомендуем использовать в данном случае слово "отдельный".}. Такой адаптер может быть вставлен в компьютер, если производительности встроенного адаптера недостаточна, например, в случае необходимости поддержки ресурсоёмких видеоигр. Именно так обстоит дело с компьютером 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 устройствами^{2Речь идет о последовательных и параллельных портах, которые предназначаются для подключения периферийных устройств, в основном, произведённых 20 лет назад и ранее. Последовательный порт использовался для подключения к компьютеру устройств, не требующих передачи больших объемов данных и высокой скорости взаимодействия (мышь, факс-модем), параллельный порт использовался для подключения более высокоскоростных устройств (сканер, принтер). Аналогичные современные устройства обычно подключаются к компьютеру при помощи USB-портов, а у многих современных ПК последовательных и параллельных портов нет вовсе.}. К 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.

• Резисторы и полупроводниковые элементы выделяют тепло при прохождении тока.
• КПД механических частей жёсткого диска, а также системы электропитания меньше 1. Жёсткий диск не всю поступающую ему электроэнергию переводит в механическую, и подсистема электропитания компьютера не всю потребляемую электроэнергию преобразует по назначению. "Остаток" энергии эти подсистемы преобразуют в тепло, в результате чего также существенно нагреваются при работе.

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.

Вопросы

1. В чем было преимущество модульности при появлении и развитии компьютеров IBM PC?
2. В чём заключается значение принципа модульности сегодня?
3. Что такое системная плата?
4. Каковы типичные объёмы оперативной памяти современных офисных ПК?
5. Для чего используется технология DMA?
6. Что такое чипсет?
7. В чём отличие встроенного и отдельного графических адаптеров?
8. Назовите достоинства и недостатки механических жёстких дисков.
9. Назовите достоинства и недостатки твердотельных накопителей.
10. Что такое флэш-память и где она используется в современных компьютерах?
11. Какие данные с и какой целью хранятся в памяти для настроек компьютера?
12. Почему эти данные нельзя хранить на жестком диске?
13. Расскажите про историю термина "винчестер".
14. Каковы типичные объёмы механических и твердотельных накопителей?
15. Назовите различные типы внешних портов.
16. Как называются устройства, обеспечивающие работу внешних портов компьютера?
17. Для каких целей используются быстрая и медленная системные шины?
18. Опишите принцип считывания и записи, используемый оптическими дисками.
19. Зачем нужна система охлаждения компьютера? Какие проблемы она решает?

Литература

1. Таненбаум Э., Остин Т. Архитектура компьютера. 6-е изд. СПб.: Питер, 2013. 816 с.
2. OptiPlex 7060 Small Form Factor Service Manual. Dell Inc, 2018. http://topics-cdn.dell.com/pdf/optiplex-7060-desktop_service-manual2_en-us.pdf