Компьютер и программное обеспечение

Возможности персонального компьютера определяются характе­ристиками его функциональных блоков. Современный рынок компь­ютерной техники очень разнообразен, поэтому довольно непросто выбрать нужное устройство или выбрать конфигурацию ПК с требуе­мыми характеристиками.

В этой главе приведены сведения об устройствах, входящих в со­став компьютера и подключаемых к нему. Понимая, что технически характеристики устаревают очень быстро, основной упор сделан на принципы работы устройств.

В современном мире существует много задач, которые трудно или невозможно решить без организации информационной связи между различными компьютерами, поэтому в этой главе рассмот­рены вопросы построения и функционирования компьютерных се­тей, основные возможности, предоставляемые сетью Интернет.

АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ КОМПЬЮТЕРА

Обычно настольные компьютеры (рис. 3.1, а) состоят из трех частей (блоков): системного блока; клавиатуры; монитора.

Компьютеры выпускаются также в портативном и карманном исполнении (рис. 3.1, б, в).

В этих случаях системный блок, монитор и клавиатура заклю­чены в один корпус (системный блок спрятан под клавиатурой, а монитор сделан как крышка к клавиатуре). Системный блок явля­ется главной составляющей компьютера, в нем располагаются все основные узлы:

• электронные схемы, управляющие работой компьютера (мик­ропроцессор, оперативная память, контроллеры устройств и т.д.), Расположенные на системной плате;

• блок питания, преобразующий электропитание сети в посто­янный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;

• накопители (или дисководы) для гибких магнитных и лазер­ных дисков, используемые для чтения и записи на гибкие маг­нитные диски (дискеты), и лазерные диски CD-R, CD-RW;

Рис. 3.1. Виды компьютеров: а — настольный; б — портативный (ноутбук); в — карманный (КПК)

• накопитель на жестком магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на несъемный жесткий магнитный диск (вин­честер) и другие устройства.

На рис. 3.2 представлена общая функциональная схема компь­ютера.

Процессор (микропроцессор)

Центральный процессор (CPU— Central Processing Unit), или мик­ропроцессор, — это основной функциональный компонент компьюте­ра, который выполняет арифметические и логические операции, за­данные программой, управляет вычислительным процессом и коорди­нирует работу всех устройств компьютера.

Микропроцессор является «мозгом» компьютера. Он осуществ­ляет дополнение программ, работающих на компьютере, и уп­равляет работой остальных устройств компьютера. Скорость его работы во многом определяет быстродействие компьютера. В IBM PC используются микропроцессоры, разработанные фирмой In­tel, а иногда — совместимые с ними микропроцессоры других фирм.

Важнейшей характеристикой процессора, определяющей его быстродействие, является его частота, т.е. число элементарных операций, производимых процессором за 1 с. За 25 лет тактовая частота процессора увеличилась в 375 раз: от 4 МГц (процессор 8086, 1978 г.) до 3 ГГц (процессор Pentium IV, 2003 г.) и бо­лее.

Другой характеристикой процессора, влияющей на его произ­водительность, является разрядность. Разрядность процессора оп­ределяется числом двоичных разрядов, которые процессор обра­батывает за один такт. Разрядность процессора увеличилась за 20 лет в 8 раз. Часто уточняют разрядность процессора и пишут 64/32, это означает, что процессор имеет 64-разрядную шину данных и 32-разрядную шину адреса.

В первом отечественном школьном компьютере «Агат» (1985 г.) был установлен процессор, имевший разрядность 8/16. За один такт он обрабатывал 8 бит, а его адресное пространство составля­ло 64 Кбайт.

Современный процессор Pentium IV имеет разрядность 64/32, т.е. за один такт процессор обрабатывает 64 бит, а его адресное пространство составляет 2³² = 4 294 967 296 ячеек.

Производительность процессора зависит от особенностей ар­хитектуры (наличие кэш-памяти и др.). Производительность про­цессора нельзя вычислить, она определяется в процессе тестиро­вания по скорости выполнения процессором определенных опе­раций в какой-либо программной среде.

3.1.2. Оперативная память

Оперативная память (ОЗУ) — память с произвольным доступом — что быстрое запоминающее устройство не очень большого объема, цепосрсдственно связанное с процессором и предназначенное для за­писи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обра­батываемых этими программами.

Название «оперативная» память получила потому, что она ра­ботает очень быстро, так что процессору не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память. Однако содержа­щиеся в ней данные сохраняются, пока компьютер включен; при выключении компьютера содержимое оперативной памяти сти­рается (за некоторыми исключениями).

Оперативная память (RAM — Random Access Memory — память с произвольным доступом) представляет собой множество ячеек, причем каждая ячейка имеет свой уникальный двоичный адрес (нумерация ячеек начинается с нуля). Каждая ячейка памяти име­ет объем 1 байт, следовательно, максимальный объем адресуемой памяти для процессоров равен 4 294 967 296 байт = 4 194 304 Кбайт = = 4096 Мбайт = 4 Гбайт.

В персональных компьютерах величина адресного пространства процессора и величина фактически установленной оперативной памяти практически всегда отличаются. Хотя объем адресуемой памяти может достигать 4 Гбайт, величина фактически установ­ленной оперативной памяти может быть значительно меньше, например «всего» 512 Мбайт. Большинство современных компь­ютеров комплектуются модулями типа DIMM (Dual-In-line Memory Module — модуль памяти с двухряднным расположением микро­схем). В компьютерных системах на самых современных процессо­рах используются высокоскоростные модули Rambus DRAM (RIMM), DDR DRAM, DDR DRAM И. Модули памяти характе­ризуются такими параметрами, как объем (128, 256, 512 Мбайт, 1 Гбайт), число микросхем, паспортная частота шины (от 100 до 533 МГц), время доступа к данным (от 74 не) и число контактов (72, 168 или 184).

Кроме оперативной памяти существуют следующие типы внут­ренней памяти.

Кэш-память. Кэш-память (cache), или сверхоперативная па­мять, — очень быстрое ЗУ небольшого объема, которое исполь­зуется при обмене данными между процессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки инфор­мации процессором и несколько менее быстродействующей опе­ративной памятью.

Кэш-памятью управляет специальное устройство — контроллер, Который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды, вероятнее всего, понадобятся в ближайшее время процессору, и переписывает их в кэш-память. При этом возможны как попадания, так и промахи. В случае попа­дания, т.е. если в кэш записаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше не найдена, то процессор считывает ее непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования. Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти SRAM (Static RAM), более быстродействующих, дорогих и малоемких, чем DRAM.

Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память, так называемый кэш первого уровня, емкостью от 32 до 128 Кбайт. Кроме того, на системной плате компьютера может быть установ­лен кэш второго уровня емкостью 512 Кбайт и выше.

Постоянная память. Постоянная память (ROM — Read Only Memory — память только для чтения) — энергонезависимая па­мять, используемая для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом «зашивается» в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) дан­ные можно только читать.

Прежде всего, в постоянную память записывают программу уп­равления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памя­тью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.

Перепрограммируемая постоянная память. Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) — энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого.

Важнейшая микросхема постоянной памяти, или Flash-памя­ти, — модуль BIOS. BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода) — совокупность программ, предназначен­ных для автоматического тестирования устройств после включе­ния питания компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память.

CMOS-память. CMOS RAM — это память с невысоким быст­родействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Она используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы. Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS.

Видеопамять. Видеопамять VRAM — разновидность оператив­ного ОЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам — процессору и монитору, поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.