Компью́тер ( «вычислитель») — устройство или система, способное выполнять заданную чётко определённую изменяемую последовательность операций.

Джон Фон Нейман в 1946 году сформировал основные принципы работы ЭВМ, которые во многом сохранились и в современных компьютерах.

Базовые принципы архитектуры Фон Неймана

1) Принцип использования двоичной системы счисления для представления данных, команд.

2) Принцип программного управления т.е. программа состоит из набора команд которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности.

3) Принцип однородности памяти – команды программы и данные хранятся в одной и той же ячейке памяти над командами можно применять такие же операции (действия) что и над данными.

4) Принцип адресуемости памяти – структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка

5) Принцип последовательного программного управления – все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно одна после завершения другой.

6) Принцип условного перехода -

Архитектура Фон Неймана

Состоит:

1. Устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) которые в современных ПК объединены в один блок – Процессор являющийся преобразователем информации поступающей из памяти и внешних устройств.

2. Память (ОЗУ, ПЗУ) хранит информацию, данных и программ

3. Устройство ввода и вывода информации

На сегодняшний день подавляющее большинство компьютеров построенный именно по этой архитектуре.

Гарвардская архитектура — архитектура ЭВМ, отличительными признаками которой являются:

· хранилище инструкций и хранилище данных представляют собой разные физические устройства;

· канал инструкций и канал данных так же физически разделены.

Гарвардская архитектура (реализована в 1944 г. в ЭВМ Гарвардского университета) соответствует структуре с разделенными устройствами памяти команд и данных и отдельными шинами команд и данных.

В первое послевоенное десятилетие в Гарвардском университете было создано несколько компьютеров семейства "Марк", в которых память программ была полностью отделена от памяти данных (программа считывалась с бумажной перфоленты). Такая концепция была более эффективной, чем фон-неймановская (принстонская) архитектура, поскольку код программы мог считываться из памяти программ одновременно с обменом между ЦПУ и памятью данных или с операциями ввода/вывода. Однако такие машины были намного сложнее и дороже в изготовлении. А с учетом уровня технического развития 40 - 50-х годов, высоких экономических затрат, они не получили широкого распространения. Однако с развитием больших интегральных схем и технологии гарвардская архитектура снова оказалась в центре внимания.

Магистрально-модульный принцип построения компьютера

Магистраль – это набор шин (шине данных, шине адресов, шине управления)– многопроводных электронных линий, связывающих центральный процессор, основную (внутреннюю) память и периферийные устройства и обеспечивающих передачу данных, служебных сигналов и адресацию памяти. Благодаря модульному принципу построения потребитель сам может комплектовать компьютер нужной ему конфигурации и производить при необходимости ее модернизацию. Это дает право считать архитектуру современного персонального компьютера открытой.

Все устройства компьютера называют его аппаратным обеспечением. Состав этих устройств, в зависимости от того зачем они на этом компьютере, и какие задачи мы будем решать с помощью компьютера, может быть разным. Но есть базовая конфигурация компьютеров. Это:

1. Системного блока;

2. Монитора;

3. Клавиатуры и мыши;

4. Дополнительных устройств (звуковые колонки, принтер, сканер, веб-камера и др.)

Системный блок — это центральная часть компьютера, в которой располагаются все самые важные составляющие. Всё, благодаря чему работает компьютер. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называются внутренними, а те которые подключаются снаружи и не входящие в системный блок - внешними. Выпускаются самые разнообразные системные блоки, которые различаются по размерам, дизайну и способу сборки.

Основные элементы системного блока:

1. Блок питания

2. Материнская плата;

3. Процессор;

4. Оперативная память;

5. Видеокарта;

6. Жёсткий диск;

7. Оптический привод (DVD, Blu-ray).

Монитор

Второй составляющей ПК является монитор. Естественно, без монитора компьютер работать может, вот только Вам от этого никакого толку нет. Мониторы до недавнего времени были двух типов: ЭЛТ и ЖК.

Ввиду технического прогресса мониторы с электронно-лучевой трубкой отдали пальму первенства жидкокристаллическим матрицам, и встретить ЭЛТ-мониторы в продаже уже практически нереально. ЖК-мониторы отличаются друг от друга физическим размером (диагональ в дюймах), разрешением матрицы (в пикселях), непосредственно типом матрицы (TN, PWA, MWA), типом подсветки матрицы (лампы или светодиоды), количеством доступных разъемов для подключения источников видеосигнала и непосредственно дизайном.

Основные характеристики мониторов:

· размер экрана – измеряется в дюймах (1 дюйм=2,54 см) по диагонали. На данный момент наиболее популярными являются ЖК-мониторы с диагональю 19 дюймов;

· формат экрана (соотношение сторон по вертикали и горизонтали), сейчас почти все мониторы продаются в широкоформатном исполнении: формат 16:9 и 16:10;

· тип матрицы – основная часть ЖК-монитора, от которой на 90% зависит его качество. В современных мониторах применяется один из трёх основных типов матриц: TN-film (наиболее простой, самый дешёвый и распространённый), S-IPS (обладают наилучшей цветопередачей, применяется для профессиональной работы с изображениями) и PVA/ MVA (дороже TN-film и дешевле PVA/ MVA, можно сказать, что эти матрицы являются компромиссом между TN+Film и IPS.);

· разрешение экрана – число точек (пикселей) в ширину и в высоту, из которых состоит изображение. Наиболее распространённые 17 и 19-дюймовые мониторы имеют разрешение 1280х1024 и 1600х1200 точек. Чем выше разрешение, тем, естественно, детальней получается изображение;

· тип разъёма используемый для соединения с компьютером, аналоговый VGA (D-Sub) или цифровые разъемы DVI, HDMI.

Для нормальной работы с персональным компьютером еще потребуются устройства ввода информации - мышь и клавиатура.

Рассматривать эти девайсы подробно бессмысленно, так как каждый человек, даже самый далекий от информационного мира, знает, что это такое.

Остальные части ПК, которые некоторые считают незаменимыми составляющими компьютера, для нормальной работы абсолютно не обязательны. Рассматривать принтеры, сканеры, планшеты, акустику, вебкамеры и прочие девайсы мы будем в следующих статьях и обзорах. А сейчас перейдем к подробному рассмотрению внутренностей системного блока. И постараемся разобраться, за что отвечает каждый элемент.

Материнская плата

Открыв боковую крышку, Вы увидите много всего интересного, блестящего и разноцветного. Наверняка первым делом Ваш взгляд обнаружил большую печатную плату размером с лист А4.

Это материнская плата (motherboard) – шасси системного блока, которое отвечает за соединение всех остальных комплектующих в единую систему. На первый взгляд «материнка» покажется чем-то очень сложным и замысловатым. С технической стороны так оно и есть, ведь много чего спрятано внутри самой платы и не видно невооруженным глазом. Но, на самом деле с практической стороны ничего сложного в устройстве нет. Как Вы уже наверняка заметили, в материнскую плату вставлены другие платы, немного поменьше. Рассмотрим доступные разъемы типичной материнской платы на следующем рисунке.

1. Гнездо для установки процессора (Socket). В зависимости от модели, типа процессора отличается и количество отверстий в сокете, по этому, установить процессор от Intel в сокет для процессора AMD физически не возможно. В собранном системном блоке увидеть сокет невозможно, так как в него уже установлен процессор, а на процессор установлен радиатор с вентилятором (кулер).

2. Гнезда для оперативной памяти. Обычно их парное количество.

3. Разъем для видеокарты.

4. Разъемы PCI(бОльшие) и PCI-Express x1(меньшие) для дополнительных плат расширения (ТВ-тюнеры, аудио карты, сетевые карты, модемы).

5. Разъемы для подключения жестких дисков и приводов.

а) SATA разъемы (7 контактов) – существует три вида отличающихся только пропускной способностью. SATA (вариант SATA revision 1.x или SATA/150) скорость передачи данных до 1,5 Гбит/с. SATAII (вариант SATA revision 2.x или SATA 2.0) – до 3 Гбит/с и SATA Rev.3.0 (SATA 6Gb/s) – до 6 Гбит/с.

б) IDE разъем (40 контактов) – уверенными темпами теряет популярность и в скором времени должен полностью исчезнуть (некоторые производители материнских плат уже отказались от этого разъема).

6. Разъемы для подключения питания. В данный момент стандарт АТ(12 контактный) используется на старых ПК. В новых же, применяется стандарт АТХ – 20-контактный разъем или АТХ2.0 – 24 контактный. Дополнительный 4-х контактный разъем используется для питания процесора.

Разъемов на боковой части материнской платы предназначены для подключения мыши и клавиатуры, монитора (если видеокарта встроенная), акустической системы, USB устройств (принтеры, сканеры, флешки) и др. внешних устройств.

Процессор

Процессор – мозг компьютера, отвечающий за обработку информации. Чем мощнее процессор, тем быстрее будет выполняться расчет данных и тем быстрее буде функционировать ПК в целом.

Процессор отвечает за все вычисления и обработку информации. Кроме этого, он выполняет управление всеми устройствами компьютера. От его мощности зависит быстродействие компьютера и его возможности.

Основные характеристики центрального процессора:

· количество ядер

· тактовая частота

· кэш

· сокет

Рассмотрим их подробнее

Количество ядер

Чем больше у процессора ядер, тем большее число операций он может выполнять одновременно. По сути, несколько ядер – это несколько процессоров, которые расположены на одном кристалле или в одном корпусе. В одноядерном процессоре команды, поступившие на его вход, последовательно проходят через нужные для их выполнения блоки, то есть пока процессором выполняется очередная команда, остальные ждут своей очереди. В многоядерном процессоре на вход приходят несколько отдельных потоков команд и данных и также раздельно выходят, не оказывая влияния друг на друга. За счёт параллельной обработки процессором нескольких потоков команд увеличивается производительность компьютера. Сегодня на персональные компьютеры устанавливаются, как правило, 2-8 ядерные процессоры. Однако не все программы рассчитаны на использование нескольких ядер.

Тактовая частота

Эта характеристика указывает на скорость выполнения команд центральным процессором. Такт – промежуток времени, необходимый для выполнения процессором элементарных операции.

Единицей одного такта принято считать 1 Гц (Герц). Это значит, что если частота равна 1 ГГц (Гига Герц), то ядро процессора выполняет 1 млрд. тактов.

В недалеком прошлом тактовую частоту центрального процессора отождествляли непосредственно с его производительностью, то есть чем выше тактовая частота процессора, тем он производительнее. На практике имеем ситуацию, когда процессоры с одинаковой частотой имеют разную производительность, потому что за один такт могут выполнять разное количество команд (в зависимости от конструкции ядра, пропускной способности шины, кэш-памяти). Современные процессоры работают на частотах от 1 до 4 ГГц (Гига Герц)

Кэш

Кэш применяется для значительного ускорения вычислений. Это встроенная в корпус процессора сверхбыстрая память, содержащая данные, к которым процессор часто обращается. Кэш-память может быть первого (L1), второго (L2) или третьего (L3) уровня. Самым быстрым является кэш первого уровня — L1Вторым по быстродействию является кэш второго уровня — L2 cache, который обычно, как и L1, расположен на одном кристалле с процессором. В ранних версиях процессоров L2 реализован в виде отдельного набора микросхем памяти на материнской плате. Объём L2 от 128 кбайт до 1−12 Мбайт. Кэш третьего уровня наименее быстродействующий, но он может быть очень большим — более 24 Мбайт. L3 медленнее предыдущих кэшей, но всё равно значительно быстрее, чем оперативная память.

Сокет

Сокет (socket) – это разъём (гнездо) на материнской плате, куда устанавливается процессор. Но когда мы говорим «сокет процессора», то подразумеваем под этим, как гнездо на материнской плате, так и поддержку данного сокета определенными моделями процессоров. Сокет нужен именно для того, чтобы можно было с легкостью заменить вышедший из строя процессор или модернизировать компьютер более мощным процессором.

Кулер (охладитель) – предназначен для отвода тепла от греющегося процессора и его рассеивания.

Кулеры бывают пассивными и активными (с вентилятором). Также существуют системы водяного охлаждения, отличающиеся большей эффективностью и меньшим шумом при работе, и экстремальные системы охлаждения (жидкий азот, фреон).

Оперативная память (ОЗУ)

Оперативная память (ОЗУ) - предназначение довольно простое, держать в себе наиболее востребованные данные, и предоставлять процессору эти данные для обработки. Создание оперативной памяти потребовалось для того, что бы ускорить работу процессора, так как основная задержка в работе вызвана не скоростью работы процессора, а скоростью обмена данными между процессором и физической памятью (жестким диском). Чем больше объем оперативной памяти, тем быстрее будет работать компьютер в целом.

Существует несколько типов оперативной памяти: DDR – практически ушедший в бытие стандарт; DDR2 – отличается увеличенной вдвое скорость передачи данных, количество контактов 240 (по 120 с каждой стороны); DDR3 – последний из доступных типов ОЗУ, отличается пониженным энергопотреблением и увеличенной частотой шины. Тип DDR3 также имеет 240 контактов, но не совместим с разъемом под DDR2, так как ключ расположен в другом месте.

Видеокарта

Видеокарта – еще одна важная часть системного блока, предназначенная для вывода изображения на монитор. На видеокарту ложится ответственное задание, и она отличается высокой производительностью и немалым энергопотреблением. По этому видеокарта (графический ускоритель) оборудована собственным кулером.

Существует несколько стандартов слотов для видеокарты. AGP – морально устаревший слот, в настоящее время встречается только на довольно старых ПК. PCI-Express х16 – существует несколько версий: 1.0, 1.1, 2.0, отличающиеся пропускной способностью.

Сами видеокарты имеют свой графический процессор и свою оперативную память (исключением являются встроенные видеокарты, которые используют общую оперативную память системы). Чем выше частота графического ядра, частота памяти и больше ее объем, тем мощнее видеокарта (теоретически).

Основные характеристики видеокарты:

· объём видеопамяти – измеряется в мегабайтах (Мбайт) или гигабайтах (Гбайт), влияет на максимальное разрешение монитора, количество цветов и скорость обработки изображения. На данное время производятся модели видеокарт с объёмом видеопамяти от 256 Мбайт до 6 Гбайт. Оптимальный среднй объём 512 Мбайт или 1 Гбайт;

· разрядность шины видеопамяти – измеряется в битах, определяет объём данных, который можно одновременно передать из видеопамяти (в память). Стандартная разрядность шины современных видеокарт 256 бит;

Жёсткий диск

Жёсткий диск, называемый также винчестером или HDD, предназначен для долговременного хранения информации. Именно на жестком диске вашего компьютера хранится вся информация: операционная система, нужные программы, документы, фотографии, фильмы, музыка и прочие файлы.

Для пользователя жёсткие диски различаются между собой прежде всего следующими характеристиками:

• ёмкостью (объёмом) – измеряется в гигабайтах (Гбайт) или терабайтах (Тбайт), определяет какой объём информации можно записать на жёсткий диск. На данный момент объём современного винчестера измеряется от нескольких сотен гигабайт до нескольких терабайт;
• быстродействием, которое складывается из времени доступа к информации и скорости чтения/записи информации. Типичное время доступа у современных дисков составляет 5-10 мс (миллисекунд), средняя скорость чтения/записи – 150 Мбайт/с (мегабайт в секунду);
• интерфейсом – типом контролёра, к которому должен подключаться жёсткий диск (чаще всего EIDE и различные варианты SATA).

Хотя работа за компьютером и возможна без жесткого диска, он является незаменимой составляющей ПК, естественно, чем больше объем жесткого диска, тем больше информации Вы сможете хранить у себя на компьютере (фильмы, музыка, фотографии, документы).

Немного выше обычно располагается картридер.

Устройство, пришедшее на смену Floppy-дисководу. Картридер позволяет напрямую работать с картами памяти (SD, xD, MMS) при этом получить бОльшую скорость обмена данными, чем при использовании дополнительных кабелей (например, при подключении телефона с картой памяти).

Еще выше расположился привод оптических дисков.

В настоящее время встретить просто CD приводы или комбо-приводы практически нереально. Наиболее распространены DVD-RW приводы, позволяющие записывать и считывать данные как с CD, так и с DVD дисков. Существуют также новые Blu-ray приводы, позволяющие записывать на один BD диск от 25 ГБ до 500 ГБ (по последним данным), это стало возможным благодаря 10-слойному диску. Но пока Blu-ray приводы не достаточно популярны ввиду их дороговизны.

Проверка знаний по теме "Назначение, состав, основные характеристики компьютерной техники".