Методическая разработка занятия
По УД «Автоматизированные системы управления и связи»
Тема 1.2 «Общий состав и структура персональных компьютеров и вычислительных систем»
| 1. Состав ПК. Совершенствование и развитие внутренней структуры ПК; 2. Основные типы компьютеров. Основной цикл работы ПК; 1.1 Состав ПК Персональный компьютер представляет собой сложное электронное устройство, предназначенное для выполнения широкого круга задач. Это могут быть различные вычисления, расчеты, прослушивание музыки, просмотр видео, различные офисные задачи, игры и многое другое. Персональный компьютер может быть стационарным или мобильным. К мобильным компьютерам относят ноутбуки, нетбуки и планшеты. Стационарный компьютер также в последнее время претерпел изменения, но в большинстве случаев представляет собой системный блок, монитор, устройства ввода (клавиатура и мышь), аудиоустройства (колонки, наушники и микрофон), а также другие периферийные устройства (принтер, сканер и т.п.). Для нормального функционирования персонального компьютера необходим лишь системный блок, монитор, клавиатура и мышь. Так же необходима операционная система, в большинстве случаев используют Windows, но так же можно скачать Linux. Системный блок Основным узлом персонального компьютера является системный блок. Он представляет собой корпус, чаще всего металлический вертикальный коробок, на передней панели которого расположены кнопки включения и дисководы. На заднюю стенку выведены все необходимые разъемы и кабели. Системный блок состоит из блока питания, материнской платы (она же системная плата или «материнка»), жесткого диска (HDD), видеокарты, процессора (CPU), оперативной памяти (ОЗУ), дисководов (CD/DVD), звуковой платы и сетевой платы. Зачастую сетевая и звуковая платы выполняются интегрированными в материнскую плату, то есть радиоэлементы платы распаяны прямо на материнской плате. Блок питания Блок питания выполнен в виде отдельного коробка, который расположен вверху сзади системного блока и имеет несколько кабелей питания всех элементов системного блока. Материнская плата Материнская плата является самой большой в системном блоке печатной платой, на которую устанавливаются все основные узлы компьютера (CPU, ОЗУ, видеокарта), также она имеет разъемы для подключения жесткого диска и дисководов, а также шлейфов портов USB и разъемы, выходящие на заднюю панель корпуса. Материнская плата выполняет согласование работы всех устройств компьютера. Процессор Процессор представляет собой микросхему, предназначенную для выполнения основных вычислительных операций. Процессоры выпускаются двумя фирмами AMD и Intel. В зависимости от производителя процессора отличается и разъем (место его установки), поэтому при выборе материнской платы следует это не забывать. Вы просто не вставите процессор AMD в материнскую плату для процессоров Intel. Видеокарта Видеокарта представляет собой отдельную печатную плату, установленную в разъем PCI Express материнской платы и предназначена для вывода изображения на экран монитора. Она обрабатывает полученную информацию и преобразует в аналоговый и цифровой видеосигнал, который через разъем по кабелю поступает на монитор. На видеокарте, как правило, установлен процессор (GPU) и оперативная видеопамять. Оперативная память Оперативная память представляет собой одну или несколько небольших плат, установленных в специальные разъемы на материнской плате (DDR). Оперативная память обеспечивает временное хранение промежуточных данных при работе компьютера. Оперативная память характеризуется скоростью доступа и объемом памяти. На сегодняшний день наиболее быстрая память имеет стандарт DDR3. Жесткий диск Жесткий диск является постоянным хранилищем данных, это могут быть как пользовательские данные, так и системные или временные. На жестком диске хранится операционная система, без которой нормальная работа компьютера будет невозможна. Также операционная система может использовать жесткий диск для сохранения содержимого оперативной памяти (например, в режиме гибернации). Представляет собой жесткий диск закрытый металлический параллелепипед, который через разъем (SATA) подключается к материнской плате. Дисковод Дисковод оптических дисков внешне напоминает жесткий диск, но имеет на передней панели выдвигающийся лоток для установки оптических дисков. Служит дисковод для чтения и записи оптических дисков. На системной плате могут устанавливаться и другие дополнительные устройства, например модуль Wi-Fi или ТВ-тюнер. Монитор Монитор компьютера служит для графического представления информации, которая безусловно понятно пользователю ПК. В последнее время выпускаются исключительно жидкокристаллические дисплеи (ЖК). Мониторы могут быть оснащены цифровым и/или аналоговым видео разъемами (DVI, HDMI). Клавиатура Клавиатура является неотъемлемым устройством ввода любого компьютера. Клавиатура представляет собой группы клавиш для ввода символьной информации. Также многие современные клавиатуры оснащаются дополнительными клавишами, например, для управления медиаплеерами и различными программами. Мышь Мышь предназначена для перемещения системного указателя по объектам операционной системы – окнам. Обычно мышь имеет две кнопки и колесо прокрутки. Технически мыши могут быть оптическими и лазерными. Последние имеют более высокую точность и качество работы. Дополнительные периферийные устройства персонального компьютера выполняют роль помощников и предназначены для расширения возможностей персонального компьютера. Аудиоколонки (динамики) предназначены для воспроизведения звука, принтер – для получения бумажной копии любого электронного документа или изображения, сканер – позволяет создать электронный образ с бумажного носителя и т.д. К компьютеру можно подключить и другие периферийные специализированные и диагностические устройства, которые практически безгранично расширяют область его применения. Персональный компьютер, несмотря на кажущуюся, на первый взгляд свою сложность достаточно прост в работе и требует лишь немного терпения и упорства пользователя в его изучении. Помните, что компьютер был создан для облегчения нашей с вами работы и повышения производительности труда, поэтому не стоит сомневаться в его способностях выполнить ту или иную задачу. 1.2 Совершенствование и развитие внутренней структуры ПК Персональный компьютер подвергается столь стремительной модернизации как никакое другое техническое устройство. Судите сами. С момента появления в начале 80-х годов прошлого столетия до настоящего времени, например, емкость жесткого диска увеличилась с 10 Мбайт до 200 Гбайт, и продолжает наращиваться. Тактовая частота микропроцессоров возросла в 1000 раз от 4,7 МГц в самом первом персональном компьютере до 5 ГГц в последних моделях. Свет (оптическое излучение) представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны от 0.01 нм до 1 см (или частотами от 3х1010 Гц до 3х1019 Гц). Видимое излучение – это электромагнитные волны с длинами от 400 до 760 нм. Инфракрасное излучение начинается при длине волны 1 мм (или 300 ГГц). Источником таких волн являются атомы и молекулы, в которых происходит изменение энергетических состояний электронов, т.е. при переходах из одного в другое энергетическое состояние электронов во внешних оболочках. А ведь химические свойства атомов как раз и определяются электронами его внешней оболочки. Остается лишь гадать, до каких тактовых частот дойдут производители микропроцессоров. Сегодня не надо быть специалистом, чтобы управлять компьютером дома. Если еще десять лет назад без знания языка программирования и команд операционной системы обойтись было невозможно, то сегодня с умной машиной общаются наши дети. Кроме того, машина способна воспринимать и воспроизводить музыку, речь, графику, мультипликацию и видео. Такую машину называют мультимедиа-компьютер. Что можно делать, используя современный мультимедийный компьютер дома: · коммуникации: связь с другими компьютерами, электронная почта, доступ к информационным ресурсам компьютерных сетей; · работа: подготовка текстов, делопроизводство, финансовый учет; программирование; · образование: справочные, обучающие и познавательные системы для всей семьи; · творчество: настольное издательство, компьютерная графика и анимация, компьютерная музыка и работа с видео, создание мультимедийных презентаций; · досуг: игры (в том числе развивающие), коллекционирование музыки, компьютерной анимации, фотографий и видеофильмов.[36] Но и это еще не все. На наших глазах происходит самая крупная революция в средствах мультимедиа - появился совершенно новый стандарт формата записи компакт дисков - DVD (Digital Versatile Disk - цифровой универсальный диск). Компакт-диск (CD - Compact Disk) совершил революцию в хранении компьютерных данных и в бытовой аудиоаппаратуре. В свою очередь, бум на CD-диск резко увеличил спрос на мультимедийные домашние компьютеры. Но CD-диски имеют некоторые ограничения, основным из которых является его информационная емкость – 640 (700, 800) Мбайт. В отличие от обычных CD-дисков, DVD-диски могут быть двухсторонними и иметь по два информационных слоя с каждой стороны. Емкость одностороннего диска DVD составляет 4,7 Гбайт. Двухслойный и двухсторонний диск имеет емкость 17 Гбайт. Одностороннего диска с запасом хватит для записи одного полнометражного фильма в обычном формате (а не в каком-нибудь «сжатом», как MPEG4) с изображением высокого разрешения и высококачественным звуком (пять отдельных звуковых каналов и канал для баса). Кроме того, DVD-диске остается место для записи звуковых дорожек на восьми языках, и треки для 32 видов субтитров, так что можно записать звуковое сопровождение к фильму на любом из наиболее распространенных языков мира. На диски DVD может записываться самая разнообразная информация: видеозаписи (DVD-Video), звук (DVD-Audio), а также любые компьютерные файлы в однократной (DVD-R) или многократной (DVD-RW) записи. DVD-диски являются одним из самых перспективных видов накопителей для персональных компьютеров. 2. Основные типы компьютеров 2.1 Классификация компьютеров Facebook VKontakte Twitter Первый компьютер был создан в 1946 году в США. Данная электронная вычислительная машина (ЭВМ) состояла из 18 тыс. вакуумных ламп, весила 30 тонн, занимала площадь около 200 м2 и потребляла огромное количество энергии. В 1964 г. фирма IBM объявила о создании семейства компьютеров System 360, после чего продолжается постоянное развитие компьютерной техники и элементной базы. РЕКЛАМА Компьютерная техника может классифицироваться по назначению, мощности, размерам, элементной базе и т.д. Такое разделение компьютеров является условным, что объясняется стремительным развитием компьютерной науки и техники. В общем виде компьютеры можно разделить: по производительности и быстродействию; по назначению; по уровню специализации; по типу процессора; по особенностям архитектуры; по размерам. В зависимости от набора решаемых задач, на основании которых формируются требования к характеристикам, компьютеры делят на: персональные компьютеры; рабочие станции; серверы; мэйнфреймы; суперкомпьютеры (кластерные архитектуры). Персональный компьютер (ПК) — предназначен для удовлетворения потребностей одного пользователя и представляет собой комплекс взаимосвязанных устройств, каждое из которых выполняет определенные функции. Персональные компьютеры условно можно разделить на профессиональные и бытовые (домашнего использования). Характерным для ПК являются: ориентация на широкое применение и наличие некоторого набора стандартных технических средств со средними значениями характеристик, которые могут быть существенно улучшены по желанию пользователя; автономное использование ПК и, как следствие, обязательное наличие у каждого компьютера средств ввода и отображения информации, таких как: клавиатура, мышь, монитор, принтер и др, характерных для решаемых задач; индивидуальное использование ресурсов ПК и незначительное использование ресурсов других компьютеров при наличии подключения к информационной сети, например, Internet. работа под управлением, как минимум, не сетевой операционной системы. Рабочая станция Рабочая станция (англ. Workstation) — комплекс технических и программных средств, предназначенных для решения определенного круга задач. Рабочая станция — как место работы специалиста представляет собой полноценный компьютер или компьютерный терминал (устройство ввода / вывода информации, отделенные часто отдаленные от управляющего компьютера), набор необходимого программного обеспечения, при необходимости может дополняться вспомогательным оборудованием: принтер, внешнее устройство хранения данных на магнитных и / или оптических носителях, сканер штрих-кода и др. Также термином «рабочая станция» обозначают компьютер в составе локальной вычислительной сети относительно сервера. Компьютеры в локальной сети подразделяются на рабочие станции и серверы. На рабочих станциях пользователи решают прикладные задачи (работают в базах данных, создают документы, выполняют расчеты). Сервер обслуживает сеть и предоставляет собственные ресурсы всем узлам сети, в том числе и рабочим станциям. Существуют достаточно устойчивые признаки конфигураций рабочих станций, предназначенных для решения определенного круга задач, позволяет отделять их в отдельный профессиональный подкласс: мультимедиа (обработка изображений, видео, звука), САПР (системы автоматизированного проектирования и т.д.). Каждый такой подкласс может иметь присущие ему особенности и уникальные компоненты, например: большой размер монитора и / или несколько мониторов (САПР), быстродействующая графическая плата (обработка видео и мультипликация, компьютерные игры), большой объем накопителей данных, наличие сканера (работа с изображением), защищенное исполнение (вооруженные силы, секретные базы данных) и другие. Сервер (server) — компьютер, предназначенный для предоставления своих информационных и расчетных ресурсов в общее пользование. Он обслуживает запросы от рабочих станций или ПК. Серверы делятся: Сервер (программное обеспечение) — программное обеспечение, принимает запросы от клиентов, то есть программный компонент вычислительной системы, выполняющий сервисные (обслуживающие) функции по запросу клиента, предоставляя ему доступ к определенным ресурсам или услуг. Сервер (аппаратное обеспечение) — компьютер (или специальное компьютерное оборудование), выделенный и / или специализированный для выполнения определенных сервисных функций. Характерным для сервера являются: работа под управлением сетевой операционной системы; наличие сетевых карт, обеспечивающих требуемые скорости и объемы обмена данными; наличие быстродействующего процессора или нескольких — от двух до нескольких десятков и сотен — процессоров для обеспечения необходимой вычислительной мощности; высокие требования к объему оперативной и внешней памяти; применение устройств бесперебойного питания; невысокие требования к устройствам ввода и визуального отображения информации для управления сервером и даже, возможно, частичная или полное их отсутствие. Мэйнфрейм (mainframe) — высокоэффективная вычислительная машина с повышенным размером оперативной памяти и жесткого диска, способна делать множество сложных вычислений одновременно и непрерывно в течение длительного времени. Основная сфера использования мэйнфреймов — коммерческие организации, центры научных исследований. Научные исследования показывают, что при использовании глобальных информационных массивов, обработка данных будет выполняться значительно легче и экономически выгоднее с помощью мейнфрейму, чем при участии сети персональных устройств. Мэйнфрейм опережает обычные современные ПК практически по всем показателям. Отдельно стоит уделить внимание высокой надежности самого устройства и данных, с которыми он работает. Наличие резервных составляющих устройств системы и возможность их «горячей» замены обеспечивают непрерывность работы. А стандартная величина загруженности процессора без особых усилий превышает отметку в 85% от общей мощности. Управление таким устройством происходит с помощью цепи терминалов, а с недавних пор и через сетевой интерфейс. Суперкомпьютер (кластерная архитектура) — вычислительная машина, значительно превосходит по своим техническим параметрам большинство существующих компьютеров. Как правило, современные суперкомпьютеры — это большое количество высокопроизводительных серверных компьютеров, соединенных друг с другом локальной высокоскоростной магистралью для достижения максимальной производительности в рамках подхода распараллеливания вычислительного задачи. Таким образом, большинство суперкомпьютеров — это кластерные архитектуры. Кластер — это разновидность параллельной или распределенной системы, которая состоит из нескольких связанных между собой компьютеров и используется как единственный, унифицированный компьютерный ресурс. Кластер всегда состоит из узлов, которые являются полноценными компьютерами, соединенными сетью для выполнения обмена данными. Производительность кластерной системы легко масштабируется, а это значит, что добавление в систему дополнительных процессоров, оперативной и дисковой памяти или новых узлов может выполняться при необходимости в любое время. Кластерная архитектура на сегодняшний день является наиболее распространенной для создания высокопроизводительных вычислительных комплексов: в списке самых мощных суперкомпьютеров мира Тор500 более 80% систем является кластерами. В отличие от «мэйнфреймов» — мощных компьютеров с традиционной архитектурой — кластер строится на базе компонентов, выпускают массово, и состоит из стандартных серверов — вычислительных узлов, объединенных высокопроизводительной системной сетью. 2.2 Основной цикл работы ПК Состав машинных команд Стандартный набор современных ПК содержит около 240 машинных команд. Их можно разделить на группы по видам выполняемых операций: - операции пересылки данных внутри компьютера; - арифметические операции над данными; - логические операции над данными; - операции обращения к внешним устройствам компьютера; - операции передачи управления; - обслуживающие и вспомогательные операции. Операции передачи управления служат для изменения естественного порядка выполнения команд. Их два вида. Операции безусловной передачи управления требуют выполнения данной команды не следующую по порядку, а той, адрес которой в явном или неявном виде указан в адресной части. Операции условной передачи управления тоже требуют передачи управления по адресу указанному в адресной части команды, но только в том случае, в случае если выполняется неĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ заранее оговоренное для этой команды условие. Условие задается в коде операции в явном или неявном виде. Вся деятельность компьютера - ϶ᴛᴏ непрерывное выполнение тех или иных программ, которые в свою очередь могут загружать новые программы и т.д. Каждая программа состоит их отдельных машинных команд. Каждая машинная команда, в свою очередь, делится на ряд элементарных унифицированных составных частей, которые принято называть тактами. Учитывая зависимость от сложности команды она должна быть реализована за разное число тактов. При выполнении каждой команды компьютер проделывает определенные стандартные действия: 1. согласно содержимого счетчика адреса команд, считывается очередная команда программы (ее код обычно заносится на хранение в регистр команд УУ); 2. счетчик команд автоматически изменяется так, чтобы в нем содержался адрес следующей команды (в простейшем случае к текущему значению счетчика прибавляется некоторая константа͵ определяющаяся длиной команды); 3. считанная в регистр команд операция расшифровывается, извлекаются необходимые данные и над ними выполняются требуемые действия; 4. действия 1-3 циклически повторяются до команды останова или наступления прерывания; 5. после выборки команды останова компьютер прекращает работу программы. Это алгоритм работы линейного алгоритма. При изменении порядка вычислений для реализации развилки или цикла, достаточно в счетчик команд занести требуемый адрес (именно так происходит условный или безусловный переход). При использовании в компьютере метода конвейеризации несколько внутренних устройств процессора работают параллельно: одно считывает команду, другое дешифрует операцию, третье вычисляет адреса используемых операндов и т.д. В результате процессор работает с опережением, ᴛ.ᴇ. по окончании одной команды оказывается, что следующая уже выбрана из ОЗУ, дешифрована и готова к использованию. |