Глава 3. Средства информационных и коммуникационных технологий

 

АРХИТЕКТУРА КОМПЬЮТЕРОВ

 

Под архитектурой компьютера понимают общий принцип построения и организации работы, включая определение функционального состава основных узлов и блоков, а также структуры управляющих и информационных связей между ними, обеспечивающих реализацию заданных целей и характеристик.

Впервые принципы построения и функционирования ЭВМ были сформулированы американским ученым-математиком Джоном фон Нейманом в 1945 г. в ставшей классической статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства».

В статье убедительно обосновывается использование двоичной системы для представления чисел (ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде).

Еще одной поистине революционной идеей, значение которой трудно переоценить, является предложенный Нейманом принцип «хранимой программы». Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например, для изменения программы машины ENIAC требовалось несколько дней (в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут — выходили из строя лампы). Нейман первым догадался, что программа также может храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа.

Ученый не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ), конструктивно находящиеся в центральном процессоре, память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Схема устройства такой ЭВМ представлена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Структура ЭВМ по Джону фон Нейману

 

В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание из памяти команд и их выполнение. Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные — управляющих сигналов от процессора к остальными узлам ЭВМ. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством — счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.

Разработанные ученым основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название фон-неймановской архитектуры.

В конструкцию современных персональных компьютеров заложен принцип открытой архитектуры, подразумевающий их сборку, усовершенствование и ремонт по составным элементам — модулям. Каждый ПК изготавливается по определенной конфигурации. Ее характер определяется кругом задач, которые впоследствии будут выполняться пользователем. В частности, на момент написания книги на сайтах одной из российских розничных сетей по продаже цифровой техники и электроники приведено несколько базовых конфигураций компьютеров:

•     начальный уровень — предполагает наличие процессора AMD с тактовой частотой 3,8 ГГц, оперативной памяти объемом 8 Гбайт, жесткого диска объемом 1 Тбайт, предустановленной операционной системы Windows 10 Домашняя, DVD+/-RW проигрывателя;

•     универсальные — предполагает наличие процессора Intel Core i5 с тактовой частотой 3,9 ГГц, оперативной памяти объемом 16 Гбайт, жесткого диска объемом 1 Тбайт, предустановленной операционной системы Windows 10 Домашняя 64, DVD+/-RW проигрывателя;

•     игровые — предполагает наличие процессора Intel Core i7 с тактовой частотой 3,6 ГГц, оперативной памяти объемом 16 Гбайт, жесткого диска объемом 2 Тбайт, предустановленной операционной системы Windows 10 Домашняя, DVD+/-RW проигрывателя.

Данная классификация является условной, однако можно видеть, что минимальная (базовая) конфигурация компьютера связывается прежде всего с типом центрального процессора, размерами внутренней и внешней памяти, наличием предустановленной операционной системы той или иной версии. Также в состав (комплектацию) персонального компьютера должны входить монитор, клавиатура и мышь.

Нельзя не отметить, что конструктивно современный персональный компьютер выполнен в виде системного блока, внутри которого находятся системная (материнская) плата, блок питания, различные типы накопителей, разъемы (порты) для подключения внешних устройств.

Из наиболее важных устройств, которые расположены на системной плате, можно отметить: центральный микропроцессор, набор микросхем системной логики (НМСЛ), микросхему базовой системы ввода-вывода (BIOS), микросхемы оперативной памяти, шины, порты ввода-вывода, платы расширения. Дадим краткую характеристику вышеназванным устройствам.

Процессор — устройство, выполняющее вычислительные и (или) логические операции с данными. Процессоры можно классифицировать по двум основным параметрам — разрядности и быстродействию.

Быстродействие выражается в количестве элементарных операций, выполняемых процессором за 1 с, и измеряется в гигагерцах. Частота в 1 Гц соответствует одному колебанию в секунду, такое колебание в компьютерной терминологии названо тактом.

Тактовая частота — частота синхронизирующих работу компьютера тактовых импульсов, задаваемых генератором тактовой частоты, которые регулируют выполнение циклов выборки и исполнения команд. Например, если процессор имеет тактовую частоту 1 ГГц, то это означает, что время одного такта составляет 1 нс (1/1 000 000 000 доля с). Если другой процессор имеет тактовую частоту 2 ГГц, то для него время одного такта в 2 раза меньше, т.е. 0,5 нс. Следовательно, одно и то же количество инструкций второй процессор может выполнить в 2 раза быстрее (если принять, что оба процессора за один такт выполняют одинаковое количество инструкций).

Цикл процессора — период времени, за который осуществляется выполнение команды исходной программы в машинном виде. Процессор представляет собой устройство, циклически выполняющее несколько простых операций:

1) выборку команды из памяти;

2) распознавание команды (декодирование);

3) выборку данных для выполнения команды;

4) выполнение команды;

5) запись результатов выполнения в память.

Таким образом, в простейшем случае на выполнение одной команды затрачивается пять тактов.

Разрядность микропроцессора, в свою очередь, является характеристикой трех устройств:

1) шины ввода-вывода данных, или шина процессора, которая служит для приема или передачи данных. Если шина данных 64-разрядная, то по ней можно передать 64 бита данных одновременно. Под шиной понимают системную магистраль передачи данных внутри компьютера между его устройствами. Физически шина представляет собой набор электрических проводов;

2) шины адреса, предназначенной для передачи адреса ячейки памяти, в которую или из которой передаются данные;

3) внутренних регистров, под которыми понимают ячейки памяти внутри процессора, предназначенные для того, чтобы процессор мог выполнять элементарные операции, например, в первом регистре процессор хранит один операнд (данные), во втором — другой, а в третьем будет храниться результат их сложения.

Следует отметить, что, когда речь идет о разрядности процессора, прежде всего имеют в виду разрядность шины данных. Наиболее известной фирмой, занимающейся производством процессоров, является фирма Intel (INTegrated Electronics Corp.).

В 1965 г. один из основателей корпорации Intel, Гордон Мур, смог предсказать будущее. Это предсказание, известное как закон Мура, гласит, что количество транзисторов в микросхемах будет удваиваться каждые два года. Сегодня в процессорах используется порядка 2 млрд транзисторов, и эта цифра постоянно увеличивается.

Набор микросхем системной логики (НМСЛ или чипсет). Конструктивно (это видно из названия) он объединяет несколько микросхем, имеющих разное назначение, например математический сопроцессор, таймер, генератор тактовой частоты и т.д. Чипсет предназначен для выполнения совокупности операций, связанных с поддержкой работы центрального процессора и обеспечения его наиболее эффективного взаимодействия с устройствами разнородных видов памяти, операционными системами, различными приложениями и интерфейсами.

Архитектура современного НМСЛ включает в себя два компонента (рис. 3.2), конструктивно объединенных в одну микросхему:

1) контроллер-концентратор памяти (от англ. Memory Controller Hub, MCH), или Северный мост (Northbridge), который обеспечивает связь процессора с памятью и видеоадаптером по шине PCI Express (в более старых моделях — шина AGP);

2) контроллер-концентратор ввода-вывода (от англ. I/O Controller Hub, ICH), или Южный мост (Southbridge), который обеспечивает связь процессора с жестким диском, поддержку портов USB, BIOS, сетевого адаптера.

Рис. 3.2. Структура современного НМСЛ

 

Наиболее известным производителем НМСЛ является фирма Intel.

Микросхемы оперативной памяти. Назначение и функции оперативного запоминающего устройства были описаны в параграфе 2.7.

Шины. Конструктивно представляют собой набор электрических проводов, служащих для передачи электрических сигналов различным компонентам компьютера и связи устройств между собой. Различают следующие типы шин.

Шина процессора (от англ. Front Side Bus, FSB), которая выступает в качестве магистрального канала между процессором и всеми остальными устройствами в компьютере: памятью, видеокартой, жестким диском и т.д. Непосредственно к системной шине подключен только процессор, остальные устройства подсоединяются к ней через специальные контроллеры, сосредоточенные в основном в Северном мосте НМСЛ материнской платы. Процессоры компании Intel используют шину процессора QPB (Quad Pumped Bus), передающую данные 4 раза за такт, тогда как системная шина EV6 процессоров AMD Athlon и Athlon XP передает данные 2 раза за такт (Double Data Rate).

Шина PCI-Express (от англ. Peripheral Component Interconnect — шина взаимосвязи периферийных компонентов, ускоренная), используемая в качестве универсальной шины ввода-вывода.

Под периферийными компонентами следует понимать не только устройства, расположенные на материнской плате, но и устройства, которые можно подключить в разъемы, например, Mini Card, Express Card, Mobile PCI Express Module. Так, разъем Express Card можно использовать для подключения ТВ-тюнера, мыши, док-станции и т.д.

Следует отметить, что шина PCI-Express появилась в 2002 г. как замена шины AGP (англ. Accelerated Graphics Port — ускоренный графический порт).

Пропускная способность шины (от англ. bandwidth) представляет собой максимальную скорость передачи данных. Когда несколько устройств используют одну и ту же шину для обмена информацией, ее пропускная способность снижается, шина PCI-Express работает в качестве соединения «точка-точка», или коммутатора, отдавая приоритет тому устройству, которое его запрашивает. Данные по шине передаются с использованием стека протоколов, состоящего из нескольких уровней.

Канальный уровень (Data Link Layer) обеспечивает передачу пакетов данных. Пакетная передача данных пришла на смену конвейерной при оптимизации передачи данных. Дело в том, что передача данных от различных устройств может происходить с задержками, при этом канал остается занятым и другие устройства его не могут использовать. При применении пакетного режима информация собирается в пакеты и передается по каналам, при этом «заполняются пустоты», что обеспечивает высокую скорость передачи данных.

Кроме того, пакеты передаются, когда принимающая сторона будет готова к этой операции, в результате чего снижается количество повторов пакетов. Каждый пакет имеет свой номер и контрольную сумму (служебную информацию), необходимую для восстановления данных в случае их потери.

Уровень транзакций (Transaction Layer) обеспечивает создание и передачу информации от программного уровня на канальный в виде отдельных транзакций, при этом каждый пакет имеет отдельный идентификатор и приоритет передачи.

Программный уровень (Software Layer) отвечает за программную совместимость. Таким образом, обеспечивается взаимодействие с различными типами операционных систем. Операционная система без труда распознает устройства, подключенные по шине PCI-Express, и обеспечивает их необходимыми ресурсами.

Определим, как рассчитать пропускную способность шины, т.е. сколько информации в единицу времени можно передать по шине. Если частота шины X Гц (1/с), то это значит, что при однобитной шине (один провод для передачи данных) в секунду можно передать X бит. Если ширина шины составит N бит, то в секунду можно передать в N раз больше бит, т.е. XN бит.

Например, если частота шины — 100 МГц, а ширина шины — 32 бита, то пропускная способность составляет 3200 Мбит/с. Так как обычно удобнее пользоваться не битами, а байтами, то можно сразу определить, сколько байтов составляет ширина шины (в нашем случае 32/8 = 4), и рассчитать пропускную способность в байтах в секунду. В нашем примере 4 байта передаются на каждом такте, всего таких тактов 100 млн/с, т.е. пропускная способность шины составляет 400 Мбайт/с.

Микросхема базовой системы ввода-вывода. В параграфе 2.7 указывалось, что базовая система ввода-вывода (BIOS, Basic Input/Output System) представляет собой интерфейс между аппаратной частью и операционной системой, а BIOS хранится в микросхеме ПЗУ.

Одна из главных функций BIOS заключается в проведении процедуры самотестирования и самоанализа (от англ. Power-On Self-Test, POST). Тестирование выполняется в момент включения компьютера на предмет проверки работоспособности процессора, памяти, НМСЛ, накопителя на жестких дисках и т.д. Если проверка прошла успешно, то раздается характерный звуковой сигнал, если какое-то устройство неисправно — комбинация звуковых сигналов, расшифровать которую можно, имея специальную литературу.

Другая немаловажная функция BIOS — настройка параметров системы с помощью программы Setup BIOS (клавиша F2 при загрузке компьютера позволяет инициализировать вход в Setup). Чаще всего используется вход BIOS, чтобы установить пароль на свой компьютер. Также с помощью Setup BIOS можно изменить параметры начальной загрузки системы (по умолчанию — диск С).

Наконец, третья функция BIOS заключается в поиске загрузочного сектора диска, который может находиться на жестком диске или на сменных накопителях. BIOS обращается к первому физическому сектору диска, откуда считывает таблицу разделов жесткого диска и код главной загрузочной записи (от англ. Master Boot Record, MBR). После этого BIOS заканчивает свою работу и передает управление коду MBR. Жесткий диск может состоять из одного или нескольких разделов, и один из них при форматировании помечается как активный. Программа, содержащаяся в MBR, считывает загрузчик операционной системы, который находится в первом секторе активного раздела, и запускает его. После этого начинают загружаться основные системные файлы.

Порты ввода-вывода. Порт — многоразрядный вход и (или) выход в компьютер, в том числе стандартное устройство сопряжения ввода-вывода. Различают порты следующих типов.

Последовательные порты — разновидность портов, обеспечивающих асинхронное подсоединение устройств — мыши, модема, сканера, дигитайзера и т.д. Они имеют обозначение COM1, COM2, COM3, COM4.

Параллельные порты обеспечивают высокое быстродействие за счет параллельной, а не последовательной передачи данных. Они используются для подключения принтера к компьютеру и имеют обозначение LPT1, LPT2, LPT3.

Преимуществом последовательных портов является малое количество помех и увеличенная пропускная способность, низкая стоимость. Однако альтернативой последовательным и параллельным портам в современных компьютерах стало использование порта USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина). Обратите внимание на слово «последовательная» в обозначении USB! Сегодня любое устройство (клавиатура, мышь, флэш-носители, принтеры, сканеры и т.д.), подключаемое к компьютеру, имеет интерфейс USB. Операционная система без труда обнаружит новое устройство, подключаемое через порт USB, и установит для него соответствующее программное обеспечение. Шина USB позволяет использовать до 127 устройств, причем такие периферийные устройства, как монитор и клавиатура, в свою очередь могут иметь порты USB.

Платы расширения. Плата, устанавливаемая в разъем на системной плате для реализации дополнительных возможностей, например, при работе с графикой, звуком, и т.п., называется платой расширения. К платам расширения относятся:

•     видеокарта (видеоадаптер), которая обеспечивает интерфейс между компьютером и монитором, передавая сигналы, которые мы видим на экране;

•     звуковая карта — плата расширения, которая преобразует звук из аналоговой формы в цифровую и дает возможность воспроизводить аудио- и видеофайлы, речь;

•     сетевая карта позволяет компьютеру взаимодействовать с другими устройствами сети. В слот сетевой карты мы вставляем провод для подключения по локальной сети.

В табл. 3.1 сведены основные характеристики компьютеров и обоснования их важности.

 

Таблица 3.1

Основные характеристики компьютеров

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Что понимается под термином «архитектура компьютера»?

2. Опишите принципы построения и функционирования ЭВМ, сформулированные Джоном фон Нейманом. Нарисуйте схему построения

ЭВМ, основанную на неймановской архитектуре.

3. Какой принцип положен в основу архитектуры современных компьютеров?

4. Назовите базовые конфигурации компьютеров. Опишите состав каждой.

5. Перечислите наиболее важные устройства, расположенные на материнской плате компьютера.

6. По каким параметрам можно классифицировать процессор?

7. Что представляет собой цикл работы процессора?

8. Изложите назначение и функции оперативной памяти.

9. Дайте определение шины. Какие основные типы шин вы знаете?

10. Для чего предназначен набор микросхем системной логики? Какова архитектура современного НМСЛ?

11. Как можно рассчитать пропускную способность шины?

12. Охарактеризуйте существующие уровни передачи данных по шине.

13. Опишите функции базовой системы ввода-вывода компьютера.

14. Какова роль портов компьютера? Назовите типы портов и дайте им характеристику.

15. Приведите примеры плат расширения, входящих в состав компьютера.

16. Рассчитайте пропускную способность шины, если известно, что ее частота равна 1600 МГц, а ширина — 64 бита.

 

МНОГООБРАЗИЕ КОМПЬЮТЕРОВ

 

В настоящее время рынок персональных компьютеров представлен огромным количеством моделей различных конфигураций. Основными факторами, влияющими на дальнейшее развитие компьютерной индустрии, станет снижение цен, появление в этом сегменте рынка все большего числа производителей. Компьютерный бизнес — одна из самых динамично развивающихся сфер как российской, так и мировой экономики.

Также положительную динамику рынка персональных компьютеров связывают с глобальной «мобилизацией» потребителей. Сегодня все больше рядовых пользователей переходит с громоздких настольных машин на портативные ПК — например, ноутбуки и нетбуки. Немудрено, что при таком невероятном многообразии компьютеров пользователю практически невозможно выбрать персональный компьютер самостоятельно.

Для начала наиболее разумный путь — это определить цель покупки персонального компьютера. Условно все ПК можно разделить на несколько категорий:

•     начального уровня, недорогие, имеющие малые возможности по модернизации, но вполне подходящие для работы с офисными программами, использования основных возможностей интернета;

•     производительные или универсальные, с помощью которых можно комфортно работать с программами автоматизированного проектирования, обрабатывать видеозвуковые файлы, просматривать DVD-фильмы и, конечно, работать с интернетом. Эти ПК имеют возможности по установке большего числа периферийных устройств;

•     рабочие станции — компьютеры, применяемые для проектирования сверхсложных объектов, видеомонтажа, моделирования, предоставления своих ресурсов другим компьютерам, создания игр и решения прочих задач, требующих колоссальной производительности.

Человеку, который приобретает компьютер начального уровня, будучи уверенным в том, что он станет работать только с офисными приложениями и интернетом, следует подумать о том, не придется ли скоро поменять сферу деятельности (например, стать студентом высшего учебного заведения). В этом случае задачи, решаемые с помощью компьютера, станут совершенно иными. Поэтому в данном случае, наверное, лучше перестраховаться, и учитывая свои будущие потребности, выбрать сразу производительный персональный компьютер. Однако надо учесть следующее: какой бы современный компьютер вы ни купили сегодня, через три — пять лет вам все равно придется его заменить. К тому времени изменится все — аппаратная часть «уйдет» далеко вперед, программное обеспечение изменится до неузнаваемости. Кроме того, ваши собственные задачи будут совершенно другими.

Предположим, будущий пользователь определился с целями и задачами, которые будет решать с помощью компьютера, однако следует иметь в виду, что информация, поступающая от продавцов электронной техники, настолько противоречива, что составить точное мнение о какой-нибудь модели достаточно сложно.

В таком случае можно воспользоваться виртуальными конструкторами компьютеров. Как их найти? Достаточно набрать в строке Яндекса поисковый запрос «виртуальный конструктор компьютера». В качестве примера рассмотрим работу с виртуальным конструктором по адресу: www.brstar.ru/constructor.

Внешний вид загруженного конструктора представлен на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Окно виртуального конструктора

Единственная проблема, с которой может столкнуться пользователь — незнание того, чем тот или иной тип, например, звуковой карты, отличается от другого. Причем это даже хорошо, потому что появляется потребность познакомиться с различными видами звуковых карт, памяти и т.д.

В данном примере был собран виртуальный компьютер начального уровня со сравнительно низкой ценой — 30 050 руб. (с учетом стоимости монитора с диагональю 19 дюймов); компьютер указанной комплектации будет стоить приблизительно 39 000 руб. (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Окончательная конфигурация компьютера

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. На какие категории можно условно разделить персональные компьютеры?

2. Какую конфигурацию компьютера вы порекомендуете начинающему пользователю?

3. Воспользовавшись виртуальным конструктором компьютеров, попробуйте сконфигурировать компьютер для пользователей:

а) начального уровня;

б) продвинутого уровня;

в) профессионалов.

4. Используя интернет, найдите в одном из розничных магазинов по продаже электроники компьютер для пользователей:

а) начального уровня;

б) продвинутого уровня;

в) профессионалов.

5. Воспользовавшись виртуальным конструктором компьютеров, попробуйте сконфигурировать компьютер для своего товарища по группе, который располагает определенной денежной суммой. Используя интернет, найдите компьютер созданной конфигурации в одной из российских розничных сетей по продаже цифровой техники и электроники.