2 Аппаратное обеспечение компьютера 2012

1

2 Аппаратное обеспечение компьютера

Аппаратное обеспечение (аппаратные средства) - физические компоненты системы обработки информации (данных). Различают три вида аппаратного обеспечения:

1)основное аппаратное обеспечение, которое обрабатывает или передает информацию (данные): компьютеры, принтеры, модемы и т.п.;

2)вспомогательное аппаратное обеспечение, которое непосредственно не работает с данными, используется для улучшения работы основного: кондиционеры, блоки бесперебойного питания, дополнительные аккумуляторы;

3)аксессуары – оборудование для улучшения дизайна или более удобного использования основного аппаратного обеспечения: сумки для ноутбука, короба кабельных сетей и т.п.

2.1 Системы счисления информации

Вся информация в компьютере представляется в двоичном коде. При этом минимальная единица хранения информации – 1 бит.

Бит (бинарный разряд) - цифры 0 или 1 (ложь или истина, низкий или высокий уровень физического параметра) при использовании двоичной системы счисления. В уникальных советских компьютерах второго поколения Сетунь использовалась троичная система: дополнительно введено третье состояние – неизвестно (NULL).

Компьютер обрабатывает двоичную информацию, объединенную в слова (байты). Байт - строка, состоящая из некоторого количества битов, обрабатываемых как единое целое и обычно представляющая символ или его часть. Октет - байт, состоящий из 8 битов, использовался в первых компьютерах.

Современные данные используют следующие единицы измерения:

-1 килобайт (Кб) = 1024 байта (210),

-1 мегабайт (Мб) = 1024 Кб,

-1 гигабайт (Гб) = 1024 Мб,

-1 терабайт (Тб) = 1024 Гб,

-1 петабайт (Пб) = 1024 Тб.

Двоичный код, используемый для представления всей информации в цифровом компьютере, он не удобен для отображения и работы в силу своей громоздкости и ненаглядности. Поэтому на экране вся двоичная информации представляется с помощью шестнадцатеричной системы счисления. Оператор работает с компьютером, используя естественную для обычного человека десятичную систему счисления.

Таблица 2.1 - - Пример представления чисел в различных системах счисления

2

В компьютере могут применяться системы счисления данных:

-двоичная система (bin) использует для записи чисел две цифры: 0 и 1;

-восьмеричная система (oct), использующая цифры от 0 по 7;

-десятичная система (dec), использующая десять цифр от 0 по 9;

-шестнадцатеричная система (hex), когда используется 16 символов записи, включая цифры от 0 до 9 и символы: A, B, C, D, E и F.

Число максимальных позиций при записи двоичной системы показывает разрядность обрабатываемых данных.

В троичной системы счисления «Сетуни 70»— минимальная непосредственно адресуемая единица памяти называлась трайт, равный 6 тритам (~9,5 бита) и

принимающий значения в диапазоне ±364. Трайт чуть больше 8-битного байта, но достаточен для кодировки всего алфавита. Два трайта — 19 битов.

подавляющее большинство современных компьютеров, были опубликованы в 1945 году коллективом американских математиков, возглавляемых венгром Джоном фон Нейманом. Согласно им классический компьютер основан на следующих принципах:

1)двоичности - для представления данных и команд используется двоичная система счисления;

2)однородности памяти - программы (команды) и данные хранятся в одной и

в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой в соответствии с программой.

5) условного перехода - команды из программы не всегда выполняются одна за другой, допуская присутствие в программе команд условного перехода, которые изменяют последовательность выполнения команд в зависимости от значений данных (этот принцип был ранее сформулирован Адой Лавлейс и Чарльзом Бэббиджем, и включен в фоннеймановский набор как дополняющий предыдущий принцип)

6) жесткости архитектуры - неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.

Устройство ввода-вывода

Внешние данные

Рисунок 2.1 – Структура компьютера фон Неймана

Компьютер фон Неймана состоит из основных блоков:

-арифметическо-логического устройства (АЛУ);

-устройства управления (УУ);

-запоминающего устройства (ЗУ) или памяти для хранения данных и программ;

-устройства ввода-вывода (УВВ) используются для информационного обмена между компьютером и оператором или компьютером и внешним вычислительным устройством. Устройства ввода-вывода вместе с правилами обменная данными с

3

внешней средой называют интерфейсом.

АЛУ и УУ образуют центральный процессор (ЦП), который последовательно выбирает команды и данные из памяти, выполняет над ними заданные операции и полученный результат возвращает обратно в память.

Память (запоминающее устройство) - устройство, в которое могут быть помещены данные, где они могут храниться и из которого могут быть извлечены. Различают внутреннюю и внешнюю память компьютера.

Внутренняя память используется для непосредственного обмена данными с АЛУ. Все программы, обрабатываемые процессором, находятся во внутренней памяти. После отключения или перезагрузки эта память очищается. Различают следующие типы внутренней памяти:

1)регистры – сверхоперативная память, в которую помещаются данные, непосредственно обрабатываемые процессором;

2)оперативная память – основная внутренняя память;

3)кэш память – высококачественная часть оперативной памяти для хранения наиболее часто используемых данных.

Внешняя память предназначена для долговременного хранения данных, которые должны сохраняться при отключении компьютера от питающей сети.

Процессор реализует вычисления в виде цикла с этапами:

1)процессор выставляет число, хранящееся в регистре счѐтчика команд, на шину адреса, и отдаѐт памяти команду чтения;

2)выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных, и сообщает о готовности;

4)процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет еѐ;

5)если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу число, хранящееся в счѐтчике команд, формируя адрес следующей команды;

6)производится переход на пункт (1).

Данный цикл выполняется неизменно, и называется процессом (что дало название устройства). При этом процессор считывает последовательность команд (программу), содержащихся в памяти, и исполняет их. Очерѐдность считывания команд изменяется в случае считывания команды перехода, изменяющей адрес следующей команды. Изменить процесс может получение команды останова или переключение в режим обработки аппаратного прерывания.

Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором, который формирует прямоугольные импульсы, задающие ритм работы центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой.

2.3 Классификация и основные характеристики компьютеров

Многообразие выпускаемых моделей компьютеров и их различное функциональное назначение и конструктивное исполнение порождает большое количество признаков классификации.

2.3.1 По принципу действия компьютеры подразделяются на:

а) цифровой компьютер - компьютер, который может совершать заданные пользователем манипуляции над дискретными данными, представленными в виде цифр;

б) аналоговый компьютер - компьютер, действия которого аналогичны поведению некоторой системы и который получает, обрабатывает и выдает аналоговые данные в форме непрерывных электрических сигналов;

в) гибридный компьютер - компьютер, который объединяет элементы аналогового и цифрового компьютеров с помощью цифро-аналоговых и аналогоцифровых преобразователей.

2.3.2 По назначению выполняется следующая классификация:

а) калькулятор - устройство для выполнения арифметических операций, требующее вмешательства человека для выбора хранимых в нем программ, если они есть, и запуска операции или последовательности операций;

4

б) терминал - функциональное устройство в системе или сети обмена, через которое могут вводиться данные или осуществляться их поиск;

в) персональный компьютер - компьютер, предназначенный исключительно для

одновременной работы с несколькими пользователями, подключенными через отдельные терминалы;

д) универсальный компьютер - компьютер с высокой производительностью и ресурсами, к которому могут подсоединяться другие компьютеры таким образом, чтобы совместно использовать ресурсы;

е) рабочая станция - функциональное устройство, которое имеет возможности для вычислений специального назначения и включает ориентированные на пользователя устройства ввода и вывода;

ж) суперкомпьютер - компьютер, имеющий максимально достижимую на данный момент скорость обработки данных для решения сложных научных и инженерных задач.

2.3.3 По массогабаритным показателям используется следующая классификация:

а) напольный компьютер – компьютер, элементы которого расположены в специальных шкафах-стойках;

Рисунок 2.2 – Напольная компьютерная система IBM Enterprise System

б) настольный компьютер или desktop – компьютер, все узлы которого размещаются на рабочем столе;

Рисунок 2.3 – Настольный ПК Lenovo ThinkCentre M57

в) портативный компьютер - небольшой и достаточно легкий переносной компьютер с автономным питанием, который подразделяется:

1) наколенные компьютеры (англ. Laptop – лэптоп - колени сидящего человека), широкий термин описывающий, устаревшие мобильные компьютеры имеющие вес более 3 кг, в настоящее время фактически не производятся; в этом классе устройств впервые была использована раскладывающаяся компоновка дисплея и клавиатуры в виде кейса или книги, в настоящее время под этим термином понимают ноутбуки;

5

2) ноутбуки (англ. Notebook — блокнот, блокнотный ПК) – компактные компьютеры раскладывающейся конструкции весом около 2 кг предназначенные для автономной работы с пользователем в дороге или вне офиса; их классификация на основе размера диагонали дисплея:

-17 дюймов и более — DTR-ноутбук «замены настольного ПК» (англ. Desktop Replacement);

-от 14 до 16 дюймов — массовые ноутбуки (специального названия для данной категории ноутбуков не предусмотрено);

-от 11 до 13,3 дюйма — субноутбуки – наиболее компактные ноутбуки;

3)нетбуки (netbook) – портативный компьютер, размером меньше

назначение – мобильный интернет и работа с офисными документами, просмотр видео невысокого качества;

компактный портативный компьютер (меньше ноутбука), предназначенный для выхода в Интернет и работы с офисными приложениями, имеют в стандартной комплектации связь 3G. Фактически это смартфон, выполненный в большем форм-факторе с диагональю экрана от 5 до 10 дюймов, (или от 12,8 до 25,5 см), с низким энергопотреблением и невысокой стоимостью, с использованием процессоров архитектуры ARM или других CPU, не совместимые с Intel-архитектурой, оснащаются операционная системой семейства Linux;

5)планшетные компьютеры – мобильные компьютеры моноблочной конструкции

сосновным устройством ввода-вывода – сенсорным экраном; основная функция – работа в интернет, просмотр медиаданных, чтение электронных документов. Первый прототип, Knowledge Navigator, представлен Apple в 1987 году. В январе 2010 г. Apple представила новую концепцию планшетного ПК – Apple iPad с экраном 9.7”;

7

а)б) Рисунок 2.9 – Смартфоны: а) двухклавиатурный HTC S740 б) сенсорный Sony Ericsson Vivaz

- гибридные компьютеры, которые одновременно выполняют несколько функций мобильных ПК и трансформирующие свой корпус под различные функции: под телефон или мобильный ПК.

Рисунок 2.10 - Гибридный ПК ASUS Padfone: планшет, смартфон и док-станция

г) встраиваемые компьютеры, которые предназначены для установки в специальные модули в составе других вычислительных и технических систем, например автомобильный компьютер.

Рисунок 2.11 Встраиваемый автомобильный компьютер VIC NaviSurfer II

2.3.4 По производительности компьютеры подразделяются на:

а) компьютеры малой производительности; б) компьютеры средней производительности; в) компьютеры высокой производительности;

г) суперкомпьютеры - компьютеры имеющие максимально возможную производительность, 500 наиболее мощных входят в рейтинг top500.org. – в июле 2012 г. на первой позиции находился Sequoia – BlueGene/Q с набором CPU Power BQC 16C – 1.6 GHz производства IBM;

8

2.3.5 По характеру использования в вычислительной сети компьютеры подразделяют на:

а) автономно используемые от вычислительных сетей компьютеры; б) хост компьютеры – главный компьютер в составе компьютерной сети с

которой производится координация работы всей сети; в) серверы (обслуживающие устройства) – специальный компьютер,

осуществляющий определенные функции по управлению ресурсами сети, различают:

1)серверы хранения данных – файл-серверы;

2)серверы вывода данных на печать – принт-серверы;

3)серверы приложений предоставляют свои ресурсы для обеспечения специализированных вычислений данных в сети;

4)серверы доступа – разграничивают доступ к ресурсам других сетей;

пользователя для работы в глобальных компьютерных сетях, не имеют внешней памяти и хранят все данные на специальных серверах;

е) нетбук или смартбук – компактный мобильный наколенный компьютер низкой производительности, предназначенный для работы с беспроводными сетями;

ж) мобильные интернет устройства (MID) – специализированные сверх-

компактные мобильные ПК для получения данных из Интернет.

Рисунок 2.12 – MID-устройство Toshiba SD Multi Tool

2.3.6 По способу конструктивно-технологической реализации:

а) однокристальные компьютеры, изготовленные в виде одной микросхемы, все устройства ввода вывода являются при этом периферийными устройствами;

б) одноплатный компьютер, все основные устройства которого смонтированы на одной плате, а в качестве устройств ввода-вывода используются внешние периферийные устройства, обычно эта схема используются для встраиваемых систем;

Рисунок 2.13 – Одноплатный компьютер MEN Micro A17 для модульных систем

в) моноблочные компьютеры, изготавливаемые в виде единой конструкции с монитором.

9

Рисунок 2.14 – Моноблочный ПК HP Pavilion 20 с 20-дюймовым монитором г) модульные компьютеры - в виде отдельных конструктивных модулей

2.3.7По стоимости все компьютеры подразделяются на три группы:

1)компьютеры верхнего ценового диапазона (high-end класс) – наиболее дорогостоящие высокопроизводительные или уникальные системы;

2) компьютеры среднего ценового диапазона (middle-end класс) – компьютеры

соптимальным соотношением цена/производительность;

3)компьютеры низшего ценового диапазона (low-end класс) – относительно дешевые решения, обладающие удовлетворительной производительностью.

2.3.8По области применения компьютеры подразделяются на:

1)офисные компьютеры – предназначенные для автоматизации делопроизводства

ирасчетов организации, имеют невысокую производительность и интегрированную видеосистему;

Рисунок 2.15 - Офисный мини-компьютер Epson Endeavor ST110

2)графическая станция – высокопроизводительный компьютер для специалиста по трехмерной компьютерной графике или анимации;

3)промышленный компьютер – используется для управления технологическим оборудованием промышленного предприятия, оснащаются ударо- и виброустойчивыми прочными корпусами и интерфейсом, совместимым с технологическими датчиками и исполнительными устройствами;

10

компьютерных игр, трехмерного моделирования и видеообработки данных, как правило не имеет монитора, вместо которого используется широкоформатный телевизор высокой четкости (HD-TV);

Рисунок 2.17 - Fujitsu HTPC FMV-TEO модель TEO90Y/D

5) игровая приставка (консоль) – специализированный компьютер, выходы которого подключаются к домашней телевизионной или видео системе, для работы с компьютерными играми;

Рисунок 2.18 – Игровая консоль Sony PlayStation 3 CECH-4000B

6)игровой компьютер – настольный компьютер высокой производительности, который относится, как правило, к верхнему ценовому диапазону.

7)электронные книги - компьютер для чтения файлов в формате электронных книг, выполнен в виде записной книжки или КПК, в отличие от ПК имеет специализированное программное обеспечение для чтения текстовых данных, поэтому имеет компактный, но качественный дисплей, а устройства ввода не предназначены для ввода символьных данных, опционально они имеют встроенные словари перевода и проигрыватели медиафайлов;