Компьютеров, их характеристики

Чтобы судить о возможностях ЭВМ, их принято разделять на группы по определенным признакам, т. е. классифицировать. Сравни-тельно недавно классификация ЭВМ не составляла большого труда. Важно было только определить признак классификации, например: по назначению, габаритам, производительности, стоимости, элементной базе и т. д.

С этой точки зрения классификацию вычислительных машин по таким показателям, как габариты и производительность, можно представить следующим образом:

• сверхпроизводительные ЭВМ и системы (супер-ЭВМ);
• большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения);
• средние ЭВМ;
• малые или мини-ЭВМ;
• микро-ЭВМ;
• персональные компьютеры;
• микропроцессоры.

Отметим, что понятия «большие», «средние» и «малые» для отечественных ЭВМ весьма условны и не соответствуют подобным категориям зарубежных ЭВМ.

Исторически, первыми появились большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения), элементная база которых прошла путь от электронных ламп до схем со сверхвысокой степенью интеграции. В процессе эволюционного развития больших ЭВМ можно выделить отдельные периоды, связываемые с пятью поколениями ЭВМ. Поколение ЭВМ определяется элементной базой (лампы, полупроводники, микросхемы различной степени интеграции), архитектурой и вычислительными возможностями.

Основное назначение больших ЭВМ — выполнение работ, связанных с обработкой и хранением обширных объемов информации, проведением сложных расчетов и исследований в ходе решения вычислительных и информационно-логических задач. Такими машинами, как правило, оснащаются вычислительные центры, используемые совместно несколькими организациями. Большие машины составляли основу парка вычислительной техники до середины 70-х годов, успешно эксплуатируются и поныне. К ним относятся большинство моделей фирмы IBM (семейства 360, 370, 390) и их отечественные аналоги ЕС ЭВМ.

В настоящее время высказываются полярные мнения о перспективах развития больших машин. Согласно одному из них, возможности этих машин полностью перекрываются, с одной стороны, супер-ЭВМ, а с другой — мини-ЭВМ, и, выработав свой ресурс, этот класс прекратит свое существование. Другая сторона убеждена в необходимости развития универсальных больших и супер-ЭВМ, которые обладают способностью работать одновременно со значительным количеством пользователей, создавать гигантские базы данных и обеспечивать эффективную вычислительную работу. К этому следует добавить, что большие ЭВМ обеспечивают устойчивость вычислительного процесса, безопасность информации и низкую стоимость ее обработки.

Производительность больших ЭВМ порой оказывается недостаточной для ряда приложений, таких, например, как прогнозирование метеообстановки, области ядерной энергетики, обороны и т. д. Эти обстоятельства стимулировали создание сверхбольших или суперЭВМ. Такие машины обладают колоссальным быстродействием, основанном на выполнении параллельных вычислений и использовании многоуровневой иерархической структуры запоминающих устройств. Они требуют для своего размещения специальных помещений и крайне сложны в эксплуатации. Стоимость отдельной ЭВМ такого класса достигает десятков миллионов долларов.

Малые ЭВМ составляют самый многочисленный и быстроразвивающийся класс ЭВМ. Их популярность объясняется небольшими размерами, низкой стоимостью (по сравнению с большими и средними ЭВМ) и универсальными возможностями.

Класс мини-ЭВМ появился в 60-е годы (12-разрядная ЭВМ PD5-5 фирмы DEC). Их появление было обусловлено развитием элементной базы и избыточностью ресурсов больших и средних ЭВМ для ряда приложений. Для мини-ЭВМ характерно представление данных с узким диапазоном значений (машинное слово — 2 байта), использование принципа магистральности в архитектуре и более простое взаимодействие человека и ЭВМ. Такие машины широко применяются для управления сложными видами оборудования, для создания систем автоматизированного проектирования и гибких производственных систем. К мини-ЭВМ относятся машины серии PDP (затем VAX) фирмы DEC и их отечественные аналоги — модели семейства малых ЭВМ (СМ ЭВМ).

Успехи в развитии микропроцессоров и микро-ЭВМ привели к появлению персональных ЭВМ (ПЭВМ), предназначенных для индивидуального обслуживания пользователя и ориентированных на решение различных задач неспециалистами в области вычислительной техники. Все оборудование персональной ЭВМ размещается в пределах стола.

Персональный компьютер позволяет эффективно выполнять научно-технические и финансово-экономические расчеты, организовывать базы данных, подготавливать и редактировать документы и любые другие тексты, вести делопроизводство, обрабатывать графическую информацию и т. д. Выполнение многих из указанных функций поддерживается многочисленными эффективными универсальными функциональными пакетами программ.

Компьютер – это электронное устройство, предназначенное для работы с информацией, а именно: введения, обработки, хранения, вывода и передачи. Кроме того, ПК представляет собой единое двух сущностей – аппаратной и программной частей (что и отражено на следующей схеме, рис. 3).

Согласно определению компьютера, его компоненты можно разделить на устройства, которые выполняют определенные функции, связанные с информацией.

 

 

Рис. 3. Состав персонального компьютера

 

С технической точки зрения персональный компьютер можно определить как единую систему, представляющую собой набор сменных компонентов, соединенных между собой стандартными интерфейсами. Компонентом здесь выступает отдельный узел (устройство), выполняющий определенную функцию в составе системы.

Интерфейсом называют стандарт присоединения компонентов к системе. В качестве такового служат разъемы и наборы микросхем, генерирующих стандартные сигналы, а также стандартный программный код.

В компьютерной индустрии существует набор однотипных компонентов с разными функциональными возможностями (и, соответственно, с разной стоимостью), включаемых в систему по единому интерфейсу. Полное описание набора и характеристик устройств, составляющих данных компьютер, называется конфигурацией ПК.

Существует «минимальная» конфигурация ПК, т.е. наименьший набор устройств, без которых работа с ПК становится бессмысленной. Сюда входят: системный блок, монитор, клавиатура, мышь. Обычно под набором комплектующих, объединенных понятием «типовой персональный компьютер», понимают следующий состав:

· корпус с блоком питания;

· системная (материнская) плата;

· процессор;

· оперативная память;

· видеокарта;

· монитор;

· жесткий диск;

· клавиатура;

· мышь;

· дисковод оптических дисков;

· дисковод гибких дисков;

· звуковая карта.

Рассмотрим в самых общих чертах принципы взаимодействия основных устройств.

Материнская (системная) плата – важнейший элемент ПК, к которому подключено все то, что составляет собственно компьютер. Она служит для объединения и организации взаимодействия других компонентов. По сути, выбор конфигурации компьютера начинается именно с выбора системной платы. В нее монтируется процессор, оперативная память, с ней связаны жесткий диск, к ней через соответствующие различным интерфейсам разъемы и порты подключаются различные дополнительные устройства. Таким образом, материнская плата, центральный процессор и оперативная память составляют основу ПК, от их производительности в большой степени зависит производительность компьютера в целом. Материнские платы различаются по типу процессоров, которые могут быть на них установлены, а также по названиям фирм, их выпускающих. На материнской плате находятся специальные перемычки – джамперы, позволяющие подстроить ее под тип процессора и других устройств, устанавливаемых на ней.

Компьютер должен быть готов к добавлению в систему стандартных дополнительных устройств, используя типовые способы их подключения. Все узлы компьютера взаимосвязаны физически и логически. На материнской плате устанавливаются разъемы для установки дополнительных устройств – слоты расширения.

Все дополнительные устройства взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных – шину. Виды слотов расширения различаются по типу шины. Данные могут передаваться между внешними устройствами и процессором, оперативной памятью и процессором, внешними устройствами и оперативной памятью или между устройствами ввода-вывода. Шина характеризуется типом, разрядностью, частотой и количеством подключаемых внешних устройств. При работе с оперативной памятью шина проводит поиск нужного участка памяти, с которым затем обменивается информацией. Эти задачи выполняют две части системной шины: адресная шина и шина данных.

Аппаратно-логические устройства, отвечающие за совместное функционирование различных компонентов, называют интерфейсами. Современный компьютер заполнен самыми различными интерфейсами, обеспечивающими всеобщее взаимодействие. На интерфейсы существуют стандарты.

Совокупность интерфейсов, реализованных в компьютере, образует то, что называют архитектурой компьютера.

Для добавления в ПК нового дополнительного устройства необходим контроллер – устройство, аппаратно согласовывающее работу системы и дополнительного устройства. Кроме того, необходим драйвер этого устройства, позволяющий программно связать его с системой.

Контроллер должен учитывать аппаратные особенности подключаемого устройства, а драйвер – позволить операционной системе, используя стандартный набор командных запросов, управлять нестандартным устройством.

Драйвер выступает в роли «переводчика» с языка операционной системы на язык конкретного устройства, контроллер берёт на себя роль аппаратного «мостика» между системой и дополнительным устройством.

Центральной частью компьютера является системный блок с присоединенными к нему клавиатурой, монитором и мышью. Системный блок и монитор, независимо друг от друга, подключаются к источнику питания – сети переменного тока. В современных компьютерах дисплей и системный блок иногда монтируются в едином корпусе.

В корпусе системного блока располагаются все основные устройства компьютера:

· микропроцессор – мозг компьютера, который выполняет поступающие на его вход команды, проводит вычисления и управляет работой остальных устройств ПК;

· оперативная память, предназначенная для временного хранения программ и данных;

· контроллеры, предназначенные для независимого от процессора управления отдельными процессами в работе ПК;

· накопители на гибких магнитных дисках, используемые для чтения и записи на дискеты;

· накопитель на жестком магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на жесткий магнитный диск (винчестер);

· дисководы для оптических дисков, обеспечивающие возможность чтения данных с дисков, а также запись информации на диск;

· блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток, подаваемый на электронные схемы компьютера;

· счетчик времени, функционирующий независимо от включения компьютера;

· другие устройства.

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

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

· устройства хранения информации (жесткий диск, оперативная память, др.);

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

· устройства вывода информации (монитор, принтер, акустическая система и т.д.);

· устройства передачи информации (модем телефакс).

Процессор – это основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления. Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти, в которых данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах. Среди регистров процессора есть и такие, которые, в зависимости от своего содержания, способны модифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять их обработкой. На этом и основано исполнение программ.

С остальными устройствами компьютера, и, в первую очередь, с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами. Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.

Адресная шина. У процессоров Intel Pentium (а именно они наиболее распространены в персональных компьютерах) адресная шина 32-х или 64-разрядная, то есть состоит из 32 или 64 параллельных линий. В зависимости от того, есть ли напряжение на какой-либо из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комбинация из нулей и единиц образует адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.

Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на базе процессоров Intel Pentium, шина данных 64-разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.

Шина команд. Для того, чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, но не из тех областей, где хранятся массивы данных, а оттуда, где хранятся программы. Команды также представлены в виде байтов. Самые простые укладываются в один байт, однако есть и такие, для которых нужны два, три и более байтов.

Системакоманд процессора. В ходе работы процессор обслуживает данные, находящиеся в его регистрах, в поле оперативной памяти, а также данные, находящиеся в его внешних портах. Часть данных он интерпретирует непосредственно как данные, часть – как адресные данные, а ещё одну часть – как команды. Совокупность всех возможных команд, которые процессор может выполнить над данными, образует так называемую систему команд процессора. Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют одинаковые или близкие системы команд. Процессоры, относящиеся к разным семействам, различаются по системе команд и являются невзаимозаменяемыми.

Основными параметрами процессоров являются: рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти.

Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют различные материнские платы. По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения. Ранние модели процессоров х86 имели рабочее напряжение 5 В. С переходом к процессорам Intel Pentium оно было понижено до 3,3 В, а в настоящее время составляет менее 3 В. Причем ядро процессора питается ещё более низким напряжением. Понижение рабочего напряжения позволяет уменьшить расстояния между структурными элементами в кристалле процессора до десятитысячных долей миллиметра, не опасаясь электрического пробоя. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, а это, в свою очередь, позволяет увеличивать его производительность без угрозы перегрева.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Первые процессоры х86 были 16-разрядными. С процес-сора 80386 они имеют 32-разрядную архитектуру. Большинство современных процессоров семейств Intel и AMD являются 64-разрядными.

В основе работы процессора лежит тот же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. В настенных часах такты колебаний задает механический маятник; в ручных механических – пружинный маятник; в электронных часах для этого есть специальный колебательный контур, задающий такты строго определенной частоты. В персональном компьютере тактовые импульсы задает генератор тактовых импульсов – одна из микросхем, входящих в микропроцессорный чипсет. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени и выше его производительность. Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая, в отличие от процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводников и микросхем. По чисто физическим причинам материнская плата не может работать со столь высокими частотами, как процессор. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение частоты на коэффициент 3; 3,5; 4; 4,5; 5 и более.

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например, с оперативной памятью. Для того, чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область – так называемую кэш-память. Это как бы «сверхоперативная память». Когда процессору нужны данные, он вначале обращается в кэш-память, и только если нужных данных там нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память. Нередко кэш-память распределяют по нескольким уровням.