Устройство современного настольного компьютера

Принцип модульности и его использование при конструировании технических систем; печатные платы и интегральные схемы; устройство ЭВМ на примере настольного компьютера Dell OptiPlex: системная плата, процессор, оперативная память, контроллеры и порты, жёсткий диск и др.

ПРИНЦИП МОДУЛЬНОСТИ

Современные технические системы, например, автомобили, самолеты, пароходы, бытовые приборы и, разумеется, компьютеры, состоят из множества отдельных деталей. Но если, например, бытовая техника обычно разбирается только для ремонта и обслуживания, то компьютеры могут также разбираться и с целью модернизации (Upgrade). Такие устройства, как графический адаптер, оперативная память, жёсткий диск, процессор, могут подключаться к другим компонентам компьютера при помощи стандартных разъёмов и фиксируются при помощи стандартных механических креплений (защёлок, винтов и т.д.) В итоге покупатель может в момент приобретения компьютера сэкономить часть денежных средств, а потом заменять отдельные детали, повышая производительность и другие характеристики ЭВМ.

Поскольку различные детали компьютера сопрягаются друг с другом стандартными способами, их установка и замена обычно не требует специальных знаний и доступна продвинутым пользователям. Наличие достаточного опыта позволяет и вовсе собрать компьютер из этих компонент самостоятельно.

В отношении готовых компьютеров возможность модернизации может ограничиваться условиями гарантии производителя. Например, не лишаясь гарантии, компьютеры Apple можно модернизировать лишь в авторизованных сервисных центрах. Для компьютеров, совместимых с IBM PC (большинство современных персональных компьютеров), условия гарантии обычно мягче, однако многие производители также не одобряют самостоятельную замену деталей.

Исторически возможность самостоятельной модернизации стала одним из существенных факторов популярности IBM PC в начале 1980-х годов. Достаточно быстро этой возможностью стали пользоваться не только пользователи и компания IBM, но и сторонние производители оборудования, которые стали самостоятельно выпускать компоненты для IBM PC, совместимые с оригинальными, а следом и компьютеры, совместимые с IBM PC.

Итак, в современном индустриальном производстве вычислительной техники разные модули систем производятся разными компаниями-производителями. Например, компания Intel производит только процессоры, а уже другие компании выпускают итоговые ЭВМ с использованием этих процессоров. Если заглянуть глубже, то детали, из которых состоят микросхемы, в том числе и процессоры, также могут производиться различными специализированными компаниями, а производители микросхем уже закупают и используют эти готовые детали. На сегодняшний день принцип модульности глубоко проник в индустрию, и он важен не столько потому, что пользователь может сам выполнить модернизацию своего компьютера, но также потому, что в разработке целевого изделия могут участвовать различные компании-производители. Кроме того, важно, что одни и те же детали могут использоваться в различных целевых системах. Всё это существенно увеличивает производительность индустрии в целом, поскольку производителям нет нужды делать все детали для своих систем самостоятельно.

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ И ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ

Многие компоненты ЭВМ, реализующие сложные логические функции - процессор, запоминающие устройства, различные контроллеры и т.д. - производятся в виде интегральных схем.

Интегральная схема (микросхема, чип, chip) - это электронная схема, изготовленная на основе полупроводниковых технологий и размещённая одной кремниевой пластине.

Будучи единым целым, интегральная схема не допускает обслуживания и ремонта: при выходе из строя она может быть заменена лишь целиком. Но именно "интегральность" позволила наладить эффективный индустриальный серийный выпуск недорогих интегральных схем. Более того, они также имеют небольшие размеры: вспомним, что большой размер первых ЭВМ существенно усложнял их обслуживание и радикально сокращал число их пользователей. На рис.4.1 приведен пример интегральной схемы.

Рис. 4.1. Интегральная схема - микропроцессор Intel Core i5

Ряд компонент современных ЭВМ представляют собой единое целое с точки зрения решаемых функций и связей между собой и состоят из множества микросхем, а также отдельных электронных элементов, таких как транзисторы, конденсаторы и т.д. Для удобства интеграции все эти элементы помещают на отдельные печатные платы.

Печатная плата позволяет интегрировать набор микросхем и одиночных электронных элементов посредством размещения на пластине из диэлектрика, на поверхности которой расположены проводники, позволяющие соединять интегрируемые элементы друг с другом.

В роли диэлектрика в печатных платах обычно выступают различные виды стеклопластика. Термин "печатная" связан с технологией изготовления плат, о которой пойдёт речь ниже.

Рис. 4.2. Две печатные платы с оперативной памятью объёмом по 8 Gb

Важно понимать, что печатная плата выполняет не только связующую роль в плане передачи сигналов по проводникам, но и является важным конструктивным элементом. Именно платы составляют значительную часть современных электронных устройств - компьютеров, роутеров, модемов, телевизоров и смартфонов (в смартфоне плата обычно одна). И именно они обеспечивают модульность компьютеров: большинство компонент компьютера, допускающих замену пользователем, таких, как оперативная память (рис.4.2) или видеокарта, выпускаются и продаются в виде печатных плат. Более того, печатные платы могут вставляться друг в друга как, например, оперативную память вставляют в материнскую плату компьютера.

УСТРОЙСТВО НАСТОЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА DELL OPTIPLEX

Далее, в качестве примера реальной ЭВМ мы рассмотрим типичный персональный компьютер Dell OptiPlex 7060, предназначенный для выполнения офисных задач. Готовый для работы компьютер (рабочее место) включает в себя системный блок, а также ряд периферийных устройств, например, монитор, клавиатуру и мышь. Здесь мы рассмотрим только системный блок, который является основным элементом персонального компьютера.

Рис. 4.3. Системный блок Dell Optiplex 7060 со снятой крышкой

На рис. 4.3 представлена фотография системного блока компьютера Dell OptiPlex 7060 со снятой крышкой. Видна часть материнской платы, вентилятор (кулер) для охлаждения материнской платы, отсек для жёстких дисков с одним диском, блок питания, а также дополнительный графический адаптер.

Системный блок Dell OptiPlex 7060 состоит из следующих элементов:

• материнская (системная) плата (System Board, Mother Board);
• центральный процессор (Processor);
• оперативная память (Random Access Memory);
• постоянное запоминающее устройство (Read-Only Memory, ROM);
• чипсет (Chipset);
• графический адаптер (Graphics Adapter);
• разъёмы расширения (Extension Slots);
• жесткий диск и (HDD, Hard Disk Drive);
• SATA-контроллеры (Serial ATA Controllers);
• встроенный звуковой адаптер (Sound Adapter);
• телекоммуникационные устройства (Network Adapters);
• контроллеры внешних портов (External Device Port Controllers);
• память для настроек компьютера;
• часы и элемент питания (батарейка);
• оптический привод (Optical Disk Drive);
• система электропитания (Power Supply System);
• вентиляторы (кулеры, Fans, Coolers).

Давайте рассмотрим эти элементы подробно.

Материнская плата - это печатная плата, которая является центральным устройством системного блока и всего компьютера, соединяя и координируя все остальные устройства. Последние подключаются к материнской плате при помощи пайки или путём установки в специальные разъёмы.

Центральный процессор является интегральной схемой, которая осуществляет выполнение программ, работающих на данном компьютере. В зависимости от комплектации, на материнскую плату данной модели могут быть установлены процессоры Intel Core i3, i5 или i7. Это современные процессоры Intel разных ценовых категорий, обладающие разным количеством ядер и объёмом внутренней кэш-памяти. Ядро (core) - эта отдельная часть процессора, обладающая способностью выполнять команды программы; несколько ядер позволяют выполнять одновременно несколько программ. Отметим, что чем выше номер маркировки процессора, тем более мощным является процессор, и, соответственно, тем больше у него возможностей и тем выше его цена.

Оперативная память представляет собой набор печатных плат для хранения информации, непосредственно необходимой во время работы процессора: на этих платах хранятся исполняемые в данные момент программ и их данные (рис.4.2). Эти платы вставляются в специальные разъёмы на материнской плате. Меняя или подключая новые платы с оперативной памятью, можно наращивать её общий объём в компьютере. Это бывает важно, поскольку объём оперативной памяти значительно влияет на быстродействие компьютера. Компьютер Dell OptiPlex поддерживает установку от 1 до 4 таких плат с оперативной памятью общей ёмкостью от 4 до 64 Gb. Для офисных задач типичный объём оперативной памяти составляет от 8 до 16 Gb.

Помимо процессора с оперативной памятью могут также взаимодействовать и узлы компьютера - звуковые адаптеры, различные контроллеры локальной сети Ethernet или WiFi, контроллеры внешних портов. Например, процессор готовит для звукового адаптера очередную порцию цифровой аудиозаписи, помещает её в оперативную память, и, пока звуковой адаптер самостоятельно читает из памяти и воспроизводит запись, процессор может подготовить следующую порцию и заняться другой работой. Эта возможность реализуется посредством технологии DMA (Direct Memory Access).

Постоянное запоминающее устройство - это специальная печатная плата, реализующая постоянную память компьютера, и содержание этой памяти остается постоянным и не перезаписывается во время работы компьютера, при его перезагрузке и включении/выключении. Постоянное запоминающее устройство содержит BIOS и EFI - встроенные программы, предназначенные для запуска операционной системы компьютера после включения или при его перезапуске. В последнее время постоянное запоминающее устройство обычно реализовано в виде флэш-памяти и допускает программное перезаписывание с целью обновления, то есть записи новых версий BIOS и EFI. Однако такие обновления выполняются редко по сравнению с тем, сколь часто выполняется запись данных на жесткий диск или в оперативную память.

Чипсет является набором интегральных схем, размещенных на материнской плате, которые реализуют системную шину компьютера, а также некоторые другие функции. Напомним, что системная шина - это общий канал передачи данных, при помощи которого процессор может обмениваться данными с оперативной памятью и периферийными устройствами.

Как уже говорилось в прошлых лекциях, в архитектуре фон Неймана системная шина является "узким местом": через неё передаются и данные, и машинной код, и, вдобавок, выполняется управление и обмен данными с периферийными устройствами. Для повышения производительности системная шина эволюционировала от "набора проводов" до многоуровневого устройства. В настоящее время она устроена существенно иначе и сложнее, чем в первых компьютерах. Как рассказывалось в предыдущих лекциях, в компьютерах первых поколений она делилась на шину данных, адресную и управляющую шины. В настоящее время в большинстве компьютеров системная шина состоит из быстрой шины и медленной шины.