Современный компьютер

1. Введение 

1.1. Что такое компьютер. 

      Слово «компьютер» означает «вычислитель», т.е. устройство для вычислений. Это  связано с тем, что первые компьютеры создавались как устройства для  вычислений, грубо говоря, как усовершенствованные, автоматические арифмометры. Принципиальное отличие компьютеров от арифмометров и других счетных устройств (счет, логарифмических линеек и т.д.) состояло в том, что арифмометры могли выполнять лишь отдельные вычислительные операции (сложение, вычитание, умножение, деление и др.), а компьютеры позволяют проводить без участия человека сложные последовательности вычислительных операций по заранее заданной инструкции — программе. Кроме того, для хранения данных, промежуточных и итоговых результатов вычислений компьютеры содержат память.

      Хотя  компьютеры создавались для численных  расчетов, скоро оказалось, что они  могут обрабатывать и другие виды информации — ведь практически все  они могут быть представлены в числовой форме. Для обработки различной информации на компьютере надо иметь средства для преобразования нужного вида информации в числовую форму и обратно. Сейчас с помощью компьютеров не только проводятся числовые расчеты, но и подготавливаются к печати книги, создаются рисунки, кинофильмы, музыка, осуществляется управление заводами и космическими кораблями и т.д. Компьютеры превратились в универсальные средства для обработки всех видов информации, используемых человеком. 

1.2. Представление информации в компьютере. 

      Числовая  форма. Как говорилось выше, компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Вся другая информация (звуки, изображения, показания приборов и т.д.) для обработки на компьютере должна быть преобразована в числовую форму. Скажем, чтобы перевести в цифровую форму звук, можно через небольшие промежутки времени измерять интенсивность звука, представляя результаты каждого измерения в числовой форме. С помощью программ для компьютера можно выполнить преобразования полученной информации, например «наложить» друг на друга звуки от разных источников. После этого результат можно преобразовать обратно в звуковую форму.

      Кодировки символов. Для обработки на компьютере текстовой информации обычно при вводе в компьютер каждая буква кодируется определенным числом, а при выводе на внешние устройства (экран или печать) для восприятия человеком по этим числам строятся соответствующие изображения букв. Соответствие между набором букв и числами называется кодировкой символов.

      Двоичная  система счисления. Как правило, все числа внутри компьютера представляются с помощью нулей и единиц, а не десяти цифр, как это привычно для людей. Иными словами, компьютеры обычно работают в двоичной системе счисления, поскольку при этом их устройство получается значительно более простым. Ввод чисел в компьютер и вывод их для чтения человеком может осуществляться в привычной для людей десятичной форме — все необходимые преобразования могут выполнить программы, работающие на компьютере.

      Биты  и байты. Единицей информации в компьютере является один бит, т.е. двоичный разряд, который может принимать значение 0 или 1. Как правило, команды компьютеров работают не с отдельными битами, а с восемью битами сразу. Восемь последовательных битов составляют байт. В одном байте можно закодировать значение одного символа из 256 возможных (256 = 2 ). Более крупными единицами информации являются килобайт (сокращенно обозначаемый Кбайт), равный 1024 байтам (1024=2 ), мегабайт (сокращенно обозначаемый Мбайт), равный 1024 Кбайтам и гигабайт (Гбайт), равный 1024 Мбайтам. Для ориентировки скажем, что если на странице текста помещается в среднем 2500 знаков, то 1 Мбайт — это примерно 400 страниц, а 1 Гбайт — 400 тыс. страниц.

      1.3. Как работает компьютер. 

      Еще при создании первых компьютеров  в 1945 г. знаменитый математик Джон фон Нейман описал, как должен быть устроен компьютер, чтобы он был универсальным и эффективным устройством для обработки информации. Эти основы конструкции компьютера называются принципами фон Неймана. Сейчас подавляющее большинство компьютеров в основных чертах соответствует принципам фон Неймана.

      Устройства  компьютера. Прежде всего, компьютер, согласно принципам фон Неймана, должен иметь следующие устройства:

• арифмешическо-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;
• устройство управления, которое организует процесс выполнения программ;
• запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных;
• внешние устройства для ввода-вывода информации.

      Память  компьютера должна состоять из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легко доступны для других устройств компьютера.

      Вот каковы должны быть связи между устройствами компьютера (одинарные линии показывают управляющие связи, двойные — информационные). 

      Принципы  работы компьютера. В общих чертах работу компьютера можно описать так. Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа. Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических или логических операций, чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций или запись их результатов в память, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство.

      Как правило, после выполнения одной  команды устройство управления начинает выполнять команду из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему следует продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в некоторой другой ячейке памяти. Такой «скачок», или переход, в программе может выполняться не всегда, а только при выполнении некоторых условий, например, если некоторые числа равны, если в результате предыдущей арифметической операции получился нуль и т.д. Это позволяет использовать одни и те же последовательности команд в программе много раз (т.е. организовывать циклы), выполнять различные последовательности команд в зависимости от выполнения определенных условий и т.д., т.е. создавать сложные программы.

      Таким образом, управляющее устройство выполняет  инструкции программы автоматически, т.е. без вмешательства человека. Оно может обмениваться информацией с оперативной памятью и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства, как правило, работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, управляющее устройство может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода-вывода с внешним устройством. Все результаты выполненной программы должны быть ею выведены на внешние устройства компьютера, после чего компьютер переходит к ожиданию каких-либо сигналов внешних устройств. 

      Особенности современных компьютеров. Следует заметить, что схема устройства современных компьютеров несколько отличается от приведенной выше. В частности, арифметическо-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в единое устройство — центральный процессор. Кроме того, процесс выполнения программ может прерываться для выполнения неотложных действий, связанных с поступившими сигналами от внешних устройств компьютера — прерываний. Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах.  

1.4. Программы для  компьютеров. 

      Компьютер — это универсальный прибор для переработки информации. Но сам по себе компьютер является просто ящиком с набором электронных схем. Он не обладает знаниями ни в одной области своего применения. Все эти знания сосредоточены в выполняемых на компьютере программах. Это аналогично тому, как для воспроизведения музыки недостаточно одного магнитофона, нужны еще и кассеты с записями.

      Для того чтобы компьютер мог осуществить определенные действия, необходимо составить для компьютера программу, то есть точную и подробную последовательность инструкций на понятном компьютеру языке, как надо обрабатывать информацию. Часто употребляемое выражение «компьютер сделал» (подсчитал, нарисовал) означает ровно то, что на компьютере была выполнена программа, которая позволила совершить соответствующее действие. Меняя программы для компьютера, можно превратить его в рабочее место бухгалтера или конструктора, статистика или агронома, редактировать на нем документы или играть в какую-нибудь игру. Поэтому для эффективного использования компьютера необходимо знать назначение и свойства необходимых при работе с ним программ.

      Виды  программ. Программы, работающие на компьютере, можно разделить на три категории:

• прикладные программы, непосредственно обеспечивающие выполнение необходимых пользователям работ: редактирование текстов, рисование картинок, обработку информационных массивов и т.д.;
• системные   программы,   выполняющие   различные   вспомогательные функции, например создание копий используемой информации, проверку работоспособности устройств компьютера и т.д. Особую роль среди всех системных программ играет операционная система — программа, управляющая компьютером, запускающая все другие программы и выполняющая для них различные сервисные функции;
• инструментальные системы (системы программирования), обеспечивающие создание новых программ для компьютера.

      Большинство программ является коммерчески распространяемыми  — они продаются в магазинах, по почте и другими способам. Имеются и бесплатно распространяемые программы, а также так называемые условно-бесплатные программы (по-английски — shareware), их можно получить для опробования бесплатно, но при систематическом использовании этих программ следует выслать определенную сумму разработчикам. 

1.5. IBM PC-совместимые компьютеры. 

      Большинство (более 90%) современных компьютеров является IBM PC-совместимыми персональными компьютерами. Эти компьютеры называются IBM PC-совместимыми, поскольку они совместимы с компьютером IBM PC, разработанном в 1981 г. крупнейшей в мире компьютерной фирмой IBM. Слово «совместимость» здесь означает:

• программную совместимость — все программы, разработанные для IBM PC, будут работать и на всех IBM PC-совместимых компьютерах;
• в значительной степени — и аппаратную совместимость: подавляющее большинство устройств для компьютеров IBM PC и более новых версий (IBM PC XT, IBM PC AT и т.д.) годятся и для современных компьютеров. Правда, обычно древние устройства (пяти- или десятилетней давности) в современных компьютерах не применяются, так как они давно уже морально устарели.

      А слово «персональный» означает, что этот компьютер рассчитан на одновременную работу с одним пользователем (большие компьютеры, как правило, поддерживают одновременную работу многих пользователей).

      Открытость  архитектуры. Важнейшую роль в развитии IBM PC-совместимых компьютеров сыграл заложенный в них фирмой IBM принцип открытой архитектуры. Фирма IBM сделала компьютер не единым неразъемным устройством, а обеспечила возможность его сборки из независимо изготовленных частей аналогично детскому конструктору. При этом методы сопряжения различных частей компьютера IBM PC и подсоединения к нему внешних устройств не только не держались в секрете, но были доступны всем желающим. Поэтому производить комплектующие и внешние устройства для IBM PC смогли не только отобранные IBM фирмы, а все желающие, а скоро сотни фирм стали осуществлять сборку и самих компьютеров (то есть IBM PC-совместимых компьютеров). Через пару лет IBM стала не монополистом в выпуске разработанных ею компьютеров, а одной из тысяч конкурирующих между собой фирм. Причем многие сборщики стали не только перенимать достижения фирмы IBM, но и внедрять многие технические новинки раньше IBM, так что IBM перестала быть и технологическим лидером. Сейчас фирма IBM перестала быть самым крупным производителем IBM PC-совместимых компьютеров (сейчас им является фирма Compaq). И даже термин «IBM PC» обычно используется в смысле «IBM PC-совместимый компьютер», а не как название компьютера, произведенного самой фирмой IBM. Вы догадываетесь теперь, почему другие устройства, созданные на основе принципа открытой архитектуры, встречаются так редко?

      Преимущества  IBM PC-совместимых компьютеров. Успеху IBM PC-совместимых компьютеров способствовали следующие факторы:

      • полная программная совместимость этих компьютеров привела к появлению сотен тысяч рассчитанных для них программ, охватывающих практически все сферы человеческой деятельности. Многие  фирмы  вкладывали  огромные  средства  в  разработку программ, поскольку были уверены, что программы будут работать на всех IBM PC-совместимых компьютерах, какие бы их модели в дальнейшем ни появлялись;

• открытость рынка IBM PC-совместимых компьютеров повлекла за собой острейшую конкуренцию тысяч производителей компьютеров и их комплектующих, а значит, к максимально быстрым темпам внедрения технических новинок, обеспечивающих повышение возможностей компьютеров при сохранении относительно низких цен (от нескольких сотен до нескольких тысяч дол.);
• модульное   устройство   и   интеграция   компонентов   IBM   PC-совместимых компьютеров обеспечили компактность компьютеров, их высокую надежность и простоту ремонта;
• модульное устройство IBM PC-совместимых компьютеров также обеспечило возможность их легкой модернизации, в том числе силами самих пользователей. В результате пользователи могли приспособить эти компьютеры к своим нуждам, купив и подсоединив то или иное устройство,  а также увеличить мощность своего компьютера (например, установив более мощный процессор или более емкий жесткий диск);
• относительно высокие возможности IBM PC-совместимых компьютеров по переработке информации позволили использовать их (а не более мощные компьютеры) как для решения подавляющего большинства задач в бизнесе, так и для почти всех личных нужд пользователей.

      1.6. Типы IBM PC-совместимых компьютеров. 

      Персональные  IBM PC-совместимые компьютеры являются наиболее широко используемым видом компьютеров, их мощность постоянно увеличивается, а область применения расширяется. Эти компьютеры могут объединяться в сети, что позволяет десяткам и сотням пользователей легко обмениваться информацией и одновременно получать доступ к общим базам данных. Средства электронной почты позволяют пользователям компьютеров с помощью обычной телефонной сети посылать текстовые и факсимильные сообщения в другие города и страны и получать информацию из крупных банков данных. Глобальная система электронной связи Internet обеспечивает за крайне низкую цену возможность оперативного получения информации из всех уголков земного шара, предоставляет возможности голосовой и факсимильной связи, облегчает создание внутрикорпоративных сетей передачи информации для фирм, имеющих отделения в разных городах и странах.

      Однако  возможности IBM PC-совместимых персональных компьютеров по обработке информации все же ограничены, и не во всех ситуациях их применение оправдано. Ниже кратко перечислю наиболее распространенные типы других компьютеров.

      Мэйнфреймы, или большие ЭВМ — это компьютеры, созданные для обработки больших объемов информации. Наиболее крупный их производитель — фирма IBM. Отличаются исключительной надежностью, высоким быстродействием, очень большой пропускной способностью каналов ввода-вывода. К ним могут подсоединяться тысячи терминалов (дисплеев с клавиатурой) или персональных компьютеров для работы пользователей. Большинство крупных корпораций, банков, зарубежных правительственных учреждений обрабатывают свои данные именно на больших ЭВМ. Хотя они могут стоить миллионы долларов, спрос на них не падает, так как обеспечиваемые ими централизованные хранение и обработка данных обходятся дешевле, чем обслуживание распределенных систем обработки данных, состоящих из сотен и тысяч персональных компьютеров;

      Супер-ЭВМ — это компьютеры, предназначенные для решения задач, требующих громадных объемов вычислений. Основные потребители супер-ЭВМ — военные, метеорологи, геологи и многие прочие ученые. Например, качественный прогноз погоды или моделирование ядерного взрыва требуют колоссальных расчетов, так что применение суперЭВМ здесь полностью оправдано. Супер-ЭВМ стоят десятки миллионов долларов (если не дороже), их производят всего несколько фирм — Cray Research (ныне это подразделение фирмы Silicon Graphics), Hitachi и др.;

      Мини-ЭВМ — это компьютеры, занимающие промежуточное положение между персональными компьютерами и мэйнфреймами. За рубежом они используются в большинстве сколько-либо крупных фирм, в университетах, правительственных учреждениях, центрах обработки данных и т.д. — как для тех задач, для которых производительности персональных компьютеров недостаточно, так и для обеспечения централизованного хранения и обработки данных. Обычно к мини-ЭВМ подключаются десятки или сотни терминалов (дисплеев с клавиатурой) или персональных компьютеров для работы пользователей. Основные производители мини-ЭВМ — DEC (Digital Equipment Corp.), Sun, Hewlett-Packard, IBM, Silicon Graphics и др. Компьютеры фирмы Silicon Graphics снабжаются специальными аппаратными средствами для ускорения процессов трехмерного моделирования и анимации, поэтому на этих компьютерах создается большинство спецэффектов в выпускаемых сейчас кинофильмах;

      Рабочие станции — как правило, это младшие модели мини-ЭВМ, предназначенные для работы с одним пользователем. Обычно они имеют производительность как у самых мощных персональных компьютеров или даже несколько больше;

      Компьютеры типа Macintosh — это единственный сколько-либо распространенный вид персональных компьютеров, не совместимый с IBM PC. В середине и конце 80-х годов компьютеры Macintosh, разработанные и производимые фирмой Apple, составляли, несмотря на свою дороговизну, достойную альтернативу IBM PC-совместимым компьютерам, так они обеспечивали наглядный графический интерфейс для работы с пользователем и были значительно проще в эксплуатации. Однако в 90-х годах для IBM PC-совместимых компьютеров были разработаны ОС с графическим интерфейсом — Windows, Windows NT, Windows 95, OS/2, Windows 98, а также многочисленные рассчитанные на них программы. И преимущества Macintosh в значительной мере исчезли. Многие производители программ для Macintosh стали выпускать версии своих программ также и для IBM PC, а доля Macintosh в общем выпуске персональных компьютеров стала снижаться (сейчас она составляет около 7-8%). Тем не менее, компьютеры Macintosh удерживают прочные позиции в издательском деле, образовании, создании мультимедиа-программ и во многих других областях;

      карманные компьютеры, или личные электронные помощники, — это небольшие компьютеры весом около 300—500 грамм, помещающиеся на кисти одной руки. Как правило, они работают на обычных батарейках и одного комплекта батареек им хватает на несколько десятков часов. Большинство карманных компьютеров не совместимо с настольными компьютерами типа IBM PC, но есть и IBM PC-совместимые. В карманных компьютерах нет ни жесткого диска, ни дисковода для дискет, ни дисковода CD-ROM (из-за их большого энергопотребления). Некоторые карманные компьютеры имеют миниатюрную клавиатуру, но есть и модели без клавиатуры — в них ввод данных осуществляется нажатиями или рисованием специальным пером по экрану.

      Совместное  использование компьютеров  разных типов. Как правило, в больших организациях одновременно используется несколько типов компьютеров, поскольку на каждом типе компьютеров целесообразно решать свои задачи. Например, если в организации десяткам или сотням пользователей необходимо централизованно работать с большой общей базой данных, то для хранения и обработки этой базы данных может быть приобретена мини-ЭВМ или даже мэйнфрейм, а в качестве рабочих мест пользователей могут использоваться IBM PC-совместимые компьютеры. Производство рекламы и издательской продукции в той же организации может осуществляться на компьютере типа Macintosh (поскольку для этих компьютеров имеются более качественное программное обеспечение для издательской деятельности), а разъездным агентам могут быть выданы карманные компьютеры. Все эти компьютеры могут обмениваться данными с помощью объединения в локальную сеть, а также иными способами. 
 

2. Основные характеристики  современного компьютера. 

2.1. Системный блок. 

      Все основные компоненты персонального компьютера находятся внутри системного блока: системная плата с процессором и оперативной памятью, видео- и аудиокарты, накопители на жестких и гибких дисках, CD-DVD-ROM, Flash-память и т.д. 

2.1.1. Современный облик системного блока персонального компьютера.  

      Сегодня облик системного блока способен подчеркнуть индивидуальность его владельца. Времена безликих и унылых «башен» и «десктопов» стали историей. Современный стильный корпус  удачно гармонирует с обстановкой гостиной или рабочего кабинета. Под стать АТХ-моделям и всевозможные barebone-системы, в том числе изделия форм-фактора ВТХ. Комбинацию металла и пластика, широкий спектр цветовой гаммы декоративных панелей, решетки воздухозаборников систем охлаждения и комплект «навигационного» оборудования (кнопка включения питания и элементы индикации) нередко дополняют компактные ЖК-панели, информирующие пользователя об основных параметрах системы и микроклимате внутри корпуса.

      Все это хорошо, однако не стоит забывать о главном. Объем корпуса должен соответствовать конфигурации ПК, а применяемый блок питания обеспечивать необходимый запас прочности для энергообеспечения установленных в системе компонентов. В настоящее время типовая рекомендуемая мощность блока питания (БП) современных машин широкого профиля 350 Вт. Высокопроизводительным мультимедийным и игровым ПК на базе SLI- или CrossFire-платформ потребуются блоки питания мощностью не менее 460 Вт. При выборе готовой системы или поиске подходящего БП при самостоятельной сборке ПК необходимо обращать внимание на установленные вентиляторы. От их диаметра зависит эффективность охлаждения наиболее важных компонентов и шумовой фон. В большинстве случаев подойдут устройства стандарта ATX12V с одним 120-мм вентилятором, скорость вращения крыльчатки которого регулируется средствами BIOS и соответствующими утилитами.

      От  материала корпуса и его панелей (в том числе съемных боковых) зависят не только прочностные характеристики шасси, но и его способность противостоять вибрациям и резонансу. В условиях, когда внутри ограниченного объема одновременно работают несколько вентиляторов, емкая дисковая подсистема и скоростной оптический накопитель, это может стать (как и шум) серьезной проблемой для пользователя. Избежать этого помогут удачно сконструированный корпус, 3,5-дюйм отсеки которого оснащены демпфирующими резиновыми втулками для крепления жестких дисков, и низкооборотные вентиляторы с подшипниками качения, установленные на передней и задней стенке шасси. Снизить вибрацию могут также боковые стенки с ребрами жесткости и их крепление в «замок» к направляющим стойкам корпуса.

      В последнее время все большую  актуальность приобретает эффективное охлаждение жизненно важных компонентов. К таковым в первую очередь следует отнести ЦП, модули ОЗУ, «мосты» НМС и дисковую подсистему. Их перегрев зачастую приводит к нестабильной работе системы. Превышение пороговой температуры в течение длительного времени может полностью вывести из строя тот или иной компонент. На микроклимат внутри системного блока влияет и видеоподсистема. Если конструкцией системы охлаждения графической платы не предусмотрен вывод тепла за пределы корпуса, рассеиваемая им тепловая энергия способна существенно повысить температуру внутри системного блока. Хорошо продуманная схема вентиляции ПК обеспечивает его безотказную работу на протяжении всего срока службы, не нарушая при этом тишины помещений. С этой задачей неплохо справляются медные радиаторы на тепловых трубках, воздуховоды и трехконтактные 120-мм вентиляторы с регулируемой скоростью вращения крыльчатки. 

      2.1.2. Платформа. 

      Платформа современного ПК (системная плата, ЦП и модули ОЗУ) — фундамент, который определяет архитектуру и возможные конфигурации всей конструкции. Несомненное преимущество здесь принадлежит системам на недавно объявленных двухъядерных процессорах Intel Core 2 Duo (ядро Conroe). В сегменте AMD-платформ выделим ЦП Athlon 64 Х2 (ядро Manchester). Предпочтения в отношении этих процессоров объясняются просто. Два ядра на кристалле при невысокой тактовой частоте способны существенно сократить время выполнения типовых задач в большинстве распространенных приложений, будь то трехмерное моделирование, преобразование мультимедийного контента, распознавание текстов или 3D-игры. Это означает, что многолетняя погоня одноядерных ЦП за тактовыми частотами окончательно уступает место многоядерной архитектуре. Необходимо отметить, что 65-нм проектные нормы ядра Core 2 Duo позволили в 1,5—2 раза сократить рассеиваемую им мощность по сравнению с ЦП предыдущих поколений Pentium D и Pentium 4. Достойные характеристики в этом отношении и у двухъядерных процессоров компании AMD. Эти ЦП позволяют проектировать многоцелевые ПК с максимальной производительностью, способностью варьировать энергопотребление в зависимости от выполняемых задач (технологии Enhanced Intel SpeedStep Technology и AMD Qool'Qiuet) и невысоким уровнем шума во время работы. Что касается системной логики, для Intel-платформы то предпочтительней НМС серий 965 и 975 Express, а для AMD — nForce4 SLI XI6 компании NVIDIA. Платы ведущих изготовителей на основе этих НМС отличает высокая функциональность, наличие скоростных коммуникационных интерфейсов и перспектива построения Cross- Fire- или SLI-систем — самых мощных на сегодня ПК общего назначения, ориентированных на игровые приложения. Кроме того, максимальный объем ОЗУ увеличился до 4 и даже 8 Гбайт, обещая безболезненный переход на ОС Windows Vista.