Будова та конфігурація ПК. 

Архітекту́ра ЕОМ — це набір відомостей, необхідний та достатній для написання для даної обчислювальної машини коректних програм на машинній мові, таких, що не залежать від конкретного втілення цієї архітектури. Електронні обчислювальні машини одної архітектури (тобто з однаковою програмною організацією), але реалізовані з використанням різних конструктивних рішень, називають сумісними, або сумісним сімейством ЕОМ.

Найбільшого поширення в ЕОМ отримали 2 типи архітектури: прінстонська (фон Неймана) і гарвардська. Обидві вони виділяють 2 основних вузли ЕОМ:центральний процесор і пам'ять комп'ютера. Різниця полягає в структурі пам'яті: в прінстонській архітектурі програми і дані зберігаються в одному масиві пам'яті і передаються в процесор одним каналом, тоді як гарвардська архітектура передбачає окремі сховища і потоки передачі для команд і даних.

У докладніший опис, що визначає конкретну архітектуру, також входять: структурна схема ЕОМ, засоби і способи доступу до елементів цієї структурної схеми, організація і розрядність інтерфейсів ЕОМ, набір і доступність регістрів, організація пам'яті та способи її адресації, набір і формат машинних команд процесора, способи представлення і формати даних, правила обробки переривань.

За перерахованими ознаками та їх поєднаннями серед архітектур виділяють:

·  За розрядністю інтерфейсів і машинних слів: 8 -, 16 -, 32 -, 64-розрядні (ряд ЕОМ має й інші розрядності);

·  За особливостями набору регістрів, формату команд і даних: CISC, RISC, VLIW;

·  За кількістю центральних процесорів: однопроцесорні, багатопроцесорні, суперскалярні;

·  багатопроцесорні за принципом взаємодії з пам'яттю: симетричні багатопроцесорні (SMP), масивно-паралельні (MPP), розподілені.

Формальне визначення

Архітектура ЕОМ включає інформацію про:

1.                     набір машинних команд (набір інструкцій), тобто операцій, які може виконувати ця обчислювальна машина

2.                     доступні регістр процесора — внутрішні комірки пам'яті процесора (пристрою, який виконує набір інструкцій), а саме: функціональне призначення, розрядність, кількість, особливості програмування таких регістрів.

3.                     розрядність та формати даних операндів — об'єктів, над якими виконуються операції

4.                     способи адресації пам'яті — методи доступу до операндів в пам'яті ЕОМ

5.                     механізми управління та захисту пам'яті

6.                     особливості обробки виключних ситуацій та помилок в системі

7.                     організацію системи вводу-виводу

8.                     доступні програмісту апаратні засоби організації багатозадачної та багатопроцесорної обробки інформації

Часто, особливо в останній час, термін «архітектура ЕОМ» вживається також для позначення саме архітектури системи команд, або архітектури (програмної моделі) процесора, тобто пп. 1-6 цього переліку. Інша інтерпретація цього поняття стосується вже обчислювальних систем, які включають багато обчислювачів, об'єднаних тим чи іншим чином, які реалізують певні стратегії обчислень. Тоді під терміном «архітектура» розуміють якраз конфігурацію та стратегії обчислень даної системи. В цій енциклопедії, якщо не вказано додатково, під архітектурою ЕОМ розуміється саме вищенаведений перелік відомостей.

Виникнення терміну

Поняття архітектури ЕОМ вперше було успішно застосовано при проектуванні серії обчислювальних машин IBM System/360, серії універсальних ЕОМ загального призначення, кожна з яких мала різну швидкодію та конструктивні особливості, але всі вони були програмно сумісними. Така сумісність означала можливість виконувати програми без необхідності їх додаткової адаптації до різних моделей серії та була певною мірою революційною, адже в той час практично всі ЕОМ випускались, як би ми зараз сказали, з унікальною архітектурою і необхідні були суттєві витрати для адаптації існуючого програмного забезпечення до нових моделей обчислювальної техніки. І якщо для спеціалізованих обчислювачів це було платою за високі показники швидкодії, то для класу універсальних ЕОМ така ситуація була неприпустимою.

Спеціалісти фірми IBM при створенні System/360 (S/360) зробили архітектуру єдиною для всіх машин серії, але реалізували її в кожній машині по-різному. В 1964 році було анонсовано зразу 6 моделей S/360.

Архітектура S/360 саме завдяки такій сумісності моделей мала надзвичайний комерційний успіх та отримала свій розвиток в наступній серії System/360, і в новій серії z/Server.

Архітектура, організація та реалізація

Однокристальна реалізація типового суперскалярного процесора

Як зазначає один з авторів архітектурної концепції S/360 Фредерік Брукс (Frederic Brooks), корисність розділення архітектури та її апаратного втілення легко спостерігати на прикладі звичайного стрілочного годинника, архітектурою якого можна вважати циферблат, стрілки та голівку для заведення. Опанувавши цей нехитрий інструментарій, кожний зможе без зусиль користуватись як наручним годинником, так і годинником з дзвіниці. Однак конфігурація внутрішнього механізму, принципи передачі зусиль між різними його частинами, є, взагалі, різними в різних моделях годинників. Тобто, для одної архітектури існує багато способів її внутрішньої організації. Кожна внутрішня організація, в свою чергу, дозволяє багато різних виконань. В одному випадку годинники з ідентичним за принципом дії механізмом можуть бути водонепроникними, а механізм виготовлятися з особливо надійних матеріалів, а в іншому від цих вимог можуть відмовитись, і годинник буде дешевшим.

В відношенні до ЕОМ, ситуація аналогічна. Під її функціональною організацією або виконанням розуміють загальні принципи функціонування пристроїв обробки інформації, пам'яті та підсистем вводу-виводу, опис внутрішніх потоків даних та керування. Втілення ж конкретного виконання в апаратурі називаютьреалізацією.

Архітектури та програмна сумісність

Аналогічно тому, як стрілковий годинник багато віків залишається зручним способом слідкування за часом, вдалі архітектури ЕОМ можуть залишатись конкурентоспроможними протягом десятиліть. Еволюціонувати може і сама архітектура, збагачуючи програміста новими інструментами для написання надійніших та швидкодіючих програм.

Приклад — архітектура IA-32 (у вживанішому позначенні x86, починаючи з i386) центрального процесора фірми Intel, яка є ключовою складовою загальної архітектури ЕОМ. Ця архітектура не була революційною, а зберегла повну сумісність знизу вгору з попередньою архітектурою IA-16 (x86, закінчуючи i286), але в неї були додані нові інструменти для роботи в захищеному режимі, організації багатозадачної роботи, розширена розрядність операндів тощо. Кожне наступне сімейство процесорів IA-32 включає нові інструменти, нові команди, але при цьому вимога до сумісності знизу вгору залишається недоторканною.

Ця сумісність є певною жертвою з боку розробника, який міг би, напевно, запропонувати радикально нову архітектуру, яка має масу переваг в порівнянні з іншими, морально застарілими, але він таким вчинком змусив би користувачів на колосальні витрати, пов'язані з адаптацією існуючого програмного забезпечення, накопиченого за багато років експлуатації. Ця обставина миттєво нівелює будь-які аргументи привабливості нової архітектури для більшості потенційних користувачів. Акуратніший підхід якраз полягає в забезпеченні еволюційної наступності нових архітектур.

Існує й інше вирішення проблеми сумісності програмного забезпечення з різними архітектурами ЕОМ — використання мов програмування високого рівня для написання крос-платформених програм (переносимих програм). Під переносимими програмами розуміють такі програми, в текстах яких не використовуються ніякі специфічні для будь-якої конкретної архітектури відомості. Мова високого рівня повинна в свою чергу бути стандартизованою. Це дає гарантію того, що одного разу написана, програма може бути використана на різних архітектурах. Відповідальність за адаптацію високорівневих конструкцій мови програмування до особливостей конкретної архітектури бере на себе компілятор з цієї мови для даної конкретної архітектури.

Структура персонального комп'ютера

- це сукупність його функціональних елементів і зв'язків між ними. Класична архітектура (фон Нейман) — пристрій керування, арифметично-логічний пристрій, пам'ять, пристрої вводу-виводу інформації, об'єднані за до-помогою каналів зв'язку (див. схему на наступній сторінці).

Апаратне забезпечення

Сьогодні ви ознайомитеся з апаратними компонентами, з яких складається інформаційна система. Зрозуміло, що набір компонентів визначатиметься конкретною системою та завданнями, які вона покликана виконувати.

До апаратної складової (hardware) належать:

·  комп'ютер (системний блок):

o корпус;

o процесор;

o материнська плата;

o внутрішня пам'ять;

o зовнішня пам'ять;

o блок електричного живлення;

o відеокарти;

o звукові карти;

o порти;

·  пристрої введення інформації;

·  пристрої виведен¬ня інформації;

·  комунікаційне об¬ладнання.

Системний блок (корпус)

Системний блок стаціонарного ПК — прямокутний каркас, у якому розміщено всі основні вузли комп'ютера: материнська плата, адаптери, блок живлення, накопичувач на гнучких магніти дисках (НГМД), один (іноді більше) накопичувач — HDD, динамік, дисковод для компакт-дисків або інші накопичувачі, органи керування. Серед органів керування, що, як правило, встановлюють на передній панелі, можуть бути: вимикач електроживлення; кнопка загального скидання RESET; кнопка «сну», яка дає змогу зменшити енергоспоживання, коли ком-п'ютер не використовується; індикатори живлення та режимів роботи. Із тильного боку системного блока розташовані штепсельні рознімні з'єднання — порти для підключення шнурів живлення і кабелів зв'язку із зовнішніми (встановленими поза системним блоком) при¬строями. У середині системного блока розміщено плати сполучення пристроїв із центральним процесором (ЦП) та іншими пристроями на материнській платі (адаптери або контролери і плати розширення).

Блок живлення

Цей блок перетворює змінний струм стандартної мережі електроживлення (220 В, 50 Гц) на постійний струм низької напруги. Він має кілька виходів на різні напруги (12 і 5 В), які забезпечують живленням відповідні пристрої комп'ютера. Електронні схеми блока живлення підтримують ці напруги стабільними незалежно від коливань мережної напруги в досить широких межах (від 180 до 250 В). Звичайна потужність блоків живлення ПК становить 230-500 Вт, для мережного сервера вона може бути значно більшою. Більшість блоків живлення має вентилятор для відведення із системного блока надмірного тепла, що виділяється під час роботи електронних пристроїв.

Системна (материнська) плата

Так називають велику друковану плату одного зі стандартних форматів, яка несе на собі головні компоненти комп'ютерної системи: ЦП; оперативну пам'ять;кешпам'ять; комплект мікросхем логіки, що підтримують роботу плати, — чипсет (chipset); централь¬ну магістраль, або шину; контролер шини й кілька рознімних з'єднань-гнізд (слотів, від англ. slot — щілина), які служать для підключення до материнської плати інших плат (контролерів, плат розширення та ін.). Частина слотіву початковій комплектації ПК залишається вільною. У рознімні з'єднання іншої конфігурації встановлюють модулі оперативної пам'яті. Кількість і тип рознімних з'єднань є однією з важливих характеристик системної плати, оскільки під час доукомплектовування або модернізації комп'ютера вільних слотів може не вистачити. Крім того, на материнській платі є мініатюрні перемички (jumpers) або перемикачі (switches), за допомогою яких відбувається налаштування плати. На системній платі розташовані також з'єднуючі, до яких за допомогою спеціальних кабелів (шлейфів) підключають додаткові пристрої. Ще один важливий елемент, який встановлюють на системній платі, — мікросхема BIOS (Basic Input-Output System, базова система введення-виведення). Вона е енергонезалежним постійним запам'ятовувальним пристроєм (ПЗП), в який записано програми, що реалізують функції введення-виведення, а також програму тестування комп'ютера в момент вмикання живлення (POST, Power On Self Test), програму налаштування параметрів BIOS та інші спеціальні програми. У роботі BIOS використовують відомості про апаратну конфігурацію комп'ютера, які зберігає ще одна мікросхема — CMOS RAM. Це енергозалежна пам'ять, що постійно підживлюється від батарейки, яка також знаходиться на системній платі. Вона живить і схему кварцового годинника — годинника реального часу, що безперервно відлічує час і поточну дату.

Мікропроцесор

Мікропроцесор (МП) — це, по суті, мініатюрна обчислювальна машина. Основними параметрами МП є набір команд, розрядність, тактова частота. Набір або система команд постійно вдосконалюється, з'являються нові команди, що замінюють серії найпримітивніших команд — мікропрограми. На виконання нової команди потрібна менша кількість тактів, ніж на мікропрограму. Сучасні МП можуть виконувати до кількох тисяч команд (інструкцій).

Характеристика МП:

·  розрядність (біт);

·  тактова частота (Гц);

·  кількість ядер;

·  розмір кешу (Мб).

Розрядність показує, скільки двійкових розрядів (бітів) інформації обробляється (або передається) за один такт, а також скільки двійкових розрядів може бути використано у МП для адресації оперативної пам'яті, передачі даних та ін. Тактова частота вказує, скільки елементарних операцій (тактів) МП виконує за секунду, вимірюється в мегагерцах (1 МГц = 1000000 Гц). Вона є лише відносним показником продуктивності МП. Через архітектурні відмінності МП у деяких з них за один такт виконується робота, на яку інші витрачають кілька тактів. Важливими характеристиками сучасних МП, що впливають на їхню продуктивність, є об'єм і швидкість функціонування вмонтованої кеш-пам'яті. Річ у тім, що сучасні МП «обганяють» за тактовою частотою інші елементи комп'ютера. Найпринциповішим є те, що тактова частота МП у кілька разів вища, ніж частота синхронізації системної шини, по якій відбувається обмін інформацією з відносно повільним оперативним запам'ятовувальним пристроєм (ОЗП). Без внутрішньої кеш-пам'яті (що має особливо високу швидкодію) МП часто працював би вхолосту, чекаючи чергової інструкції з ОЗП або закінчення операції запису в пам'ять. Джерело безперебійного живлення — пристрій, призначений для захисту комп'ютера від стрибків напруги або відключення електроенергії. Для надійної роботи комп'ютера йому необхідно постійне енергоживлення.

Призначення і характеристика пристроїв введення інформації

До пристроїв введення інформації відносяться: клавіатура, мишка, сканер.

Клавіатура призначена для введення в ПК певної інформації (літер, цифр, розділових знаків, спеціальних символів тощо), а також для управління роботою ПК. Розглянемо призначення її основних клавіш

Група 1 – функціональні клавіші F1-F12 і клавіша Esc. Група 2 – клавіші з літерами, цифрами, розділовими знаками і управляючі клавіші. Група 3 – клавіші управління курсором дисплея: 3.1 – Print Screen, Scroll Lock і Pause; 3.2 – Insert, Delete, Home, End, PgUp і PgDown; 3.3 – ¬, ®, ­, ¯. Група 4 – клавіші для набору цифрової інформації або клавіші управління курсором в залежності від вибраного режиму. У правому верхньому куті розташовані три індикатори, які засвічуються при включенні певного режиму роботи клавіатури. Коротко призначення деяких основних клавіш клавіатури:

–          [PgUp] – сторінка вгору;

–          [PgDown] – сторінка вниз;

–          [Ins] – переключення клавіатури в режим вставки і назад;

–          [Del] – вилучення літери в наступній позиції після курсору;

–          [BackSpace] – вилучення літери в позиції перед курсором;

–          [Tab] – клавіша табуляції (натискування клавіші зумовлює переміщення курсору на 8 позицій праворуч);

–          [End] – переміщення курсору в кінець рядка;

–          [Home] – переміщення курсору на початок рядка;

–          [Esc] – вихід (відмова від початих дій);

–          [Enter] – введення (запуск програми чи команди на виконання, перевід курсору на новий рядок);

–          [Pause] – пауза, тимчасове припинення виконання команди, програми;

–          [NumLock] – перемикач режиму введення (вкл.) цифрової інформації в частині 4 клавіатури (рис. 3.2) і режиму управління курсором дисплея (викл.);

–          [CapsLock] – перемикач режиму введення великих літер;

–          [PrintScreen] – друкування (копіювання) зображення екрана;

Натискуючи управляючі клавіші [Ctrl] і [Alt] в комбінації з іншими клавішами, можна виконувати наступні дії:

–          [Ctrl+Alt+Del] – перезавантаження операційної системи;

–          [Ctrl+C] – завершення виконання поточної програми;

–          [Ctrl+Del] – вилучення цілого слова в позиції після курсору;

–          [Ctrl+BackSpace] – вилучення цілого слова в позиції перед курсором;

–          [Shift+PrintScreen] – виведення зображення екрана на принтер;

–          [Shift+¬,®,­,¯] – виділення відповідно одного чи декількох символів зліва, справа від курсору та виділення відповідного одного чи декількох рядків зверху, знизу від позиції курсору.

Загальна кількість клавіш, як правило, рівна 104 (в старих клавіатурах – 101).

Мишка (рис. 3.3) – це пристрій з двома (рідше трьома або чотирма) клавішами (можливий 1 або 2 ролики прокрутки). Її призначення – швидке переміщення курсору по дисплею і запуск на виконання певних команд чи програм. При переміщенні мишки по коврику одночасно переміщається вказівник на екрані ПК. Удвоклавішних мишках ліва клавіша призначена для виділення об’єктів і запуску програм на виконання, а права – для виведення контекстного меню із переліком можливих команд і операцій, які можна здійснити з виділеним об’єктом. Мишка, як правило, з’єднана з ПК за допомогою кабелю через послідовний COM-порт. Існують мишки безпровідникові. Передача даних між нею і ПК здійснюється в радіо- або інфрачервоному діапазоні.

Сканер (рис. 3.4) – призначений для вводу в ПК зображень (рисунків, фотографій, тексту тощо), тобто для перетворення зображення в цифровий код для подальшої обробки на ПК. Сканери є трьох типів: ручні, планшетні і барабанні. Основні дві характеристики сканерів: глибина розпізнавання кольорів (1-бітні – 2 кольори, 24-бітні – 16,7 млн. кольорів, 32-бітні – 4,3 млрд. кольорів) і роздільна здатність (від 300 до 1200 dpi і вище). Роздільна здатність – максимальна кількість точок, яку може розпізнати сканер.

Призначення і характеристика пристроїв виведення інформації

Пристрої виведення – це монітор (дисплей, екран) і принтер.

Монітор (рис. 3.5) призначений для відображення введеної і виведеної після обробки ПК інформації на екрані електронно-променевої трубки. Він керуєтьсявідеоконтролером (відеоадаптером), що знаходиться в системному блоці. Основні характеристики дисплеїв – роздільна здатність (кількість точок, що розміщується по вертикалі та горизонталі дисплея, – наприклад, 640´480, 800´600, 1024´768), кількість кольорів (палітра) і розмір екрана. На даний час існують монітори розміром 9, 14, 15, 17, 19, 21 дюйми і т.д. (1 дюйм = 2,54 см), – розмір монітора вимірюється по його діагоналі.

Принтер (рис. 3.6) – пристрій, призначений для виведення на папір (інколи плівку) текстової, табличної, графічної чи іншої інформації. По способу отримання зображення на папері принтери є: матричні, струменеві, лазерні. В таблиці 3.1 приведено порівняння якості, швидкодії та вартості трьох типів принтерів.

Окремим різновидом принтера є плотер. Він призначений для друкування креслень, рисунків, плакатів великих форматів (формат А1, можна також формати А4, А3 та А2). Застосовується, як правило, в інженерній графіці, в конструкторських бюро та технічних вузах.

Таблиця 3.1

Тип принтера	Якість	Швидкодія	Вартість
Матричний
Струменевий	»
Лазерний	»

Зовнішня пам’ять ПК

Для зберігання інформації в ПК використовуються різні пристрої, які відносять до зовнішньої пам’яті. При цьому під внутрішньою пам’яттю розуміють, перш за все, оперативну пам’ять. У зовнішній пам’яті інформація може зберігатися довго і тому пристрої зовнішньої пам’яті ще називають накопичувачами. Зовнішня пам’ять енергонезалежна, а внутрішня – енергозалежна. Накопичувач – це пристій, який складається із носія інформації і приводу. Привід являє собою сукупність механічних та електронних компонентів: корпусу, двигуна, зчитувальної головки, електронної схеми тощо.

До зовнішньої пам’яті входять: жорсткі магнітні диски, гнучкі магнітні диски, оптичні компакт-диски (CD-ROM), магнітні стрічки. Важливими характеристиками накопичувачів є їх ємність і час доступу до інформації. Якщо час доступу до інформації залежить від її місцезнаходження на носії, то такі накопичувачі називають пристроями з послідовним доступом, а якщо не залежить – з прямим доступом. Практично всі накопичувачі, які в якості носіїв мають диски, є пристроями з прямим доступом.

Всі магнітні диски на своїй поверхні мають тонкий магнітний шар. Інформація на диски записується в різні ділянки даного шару. Запис проводиться по концентричних колах (доріжках або треках) (рис. 3.7). Всі доріжки розбиті на ділянки, які називають секторами.

Процес розмітки диску (розбиття його на доріжки і сектора) називається форматуванням.

Вінчестер (рис. 3.8) – це жорсткий магнітний диск, який складається із одного або декількох плоских магнітних дисків і головок читання-запису. Магнітні диски обертаються навколо спільної осі. Частота обертання 60-120 об/с. Основна характеристика вінчестерів – їх ємність (об’єм). Зараз є вінчестера об’ємом 10, 20, 40, 60, 80 … Гб.

Диск, на якому розташована операційна система ПК, називається системним і позначається, як правило, буквою С.

Для зберігання невеликої кількості інформації, а також її переносу з одного ПК на інший використовують гнучкі магнітні диски (дискети). Дискети ще називають флоппі-дисками. В даний використовуються дискети двох видів: діаметром 5,25 дюйма (об’єм до 720 Кбайт) і 3,5 дюйма (об’ємом до 1,44 Мбайт) (рис. 3.9).

Швидкість обертання магнітного диску в дискеті на порядок нижча від швидкості обертання дисків у вінчестері і складає 5-6 об/с. Цим пояснюється значно менша швидкість роботи ПК із дискетами в порівнянні з вінчестером.

Більшість сучасних ПК обладнані приводами читання компакт-дисків. Компакт диски (рис. 3.10) виготовляють по лазерній технології і тому їх ще називаютьлазерними дисками. На сучасних лазерних дисках можна записати до 700-800 Мбайт інформації. Це можуть бути як текстові, графічні файли, так і звукові чи відео файли, а також різні програми чи ігри. Основною характеристикою приводів CD-ROM є швидкість зчитування (швидкість обертання диска). Якщо за 1 взяти швидкість обертання музичного компакт-диску в музичному центрі, то CD-ROM працюють з подвійною, більшою в 4, 8 і т.д. раз швидкістю. Зараз найбільш поширені 40 і 52-х швидкісні CD-ROM.

Лазерні диски також є двох розмірів: 5,25 дюйма (об’єм до 700-800 Мбайт) і 3,5 дюйма (об’єм до » 200 Мбайт).