Конспект лекций по дисциплине

«Аппаратные и программные средства

персональных компьютеров»

Автор: Троянский А.В., доц. каф. РТС

Часть 1. Устройство и общая архитектура персонального компьютера

Лекция 1. Основные понятия и определения дисциплины

1.1. Что такое персональный компьютер

Компьютер представляет собой устройство, способное исполнять четко определенную последовательность операций, предписанную программой. Понятие «компьютер» является более широким, чем «электронно-вычислительная машина» (ЭВМ), поскольку в последнем явный акцент делается на вычисления.

Персональный компьютер (ПК) характерен тем, что им может пользоваться один человек, не прибегая к помощи бригады обслуживающего персонала и не отводя под него специального зала с особым климатом, мощной системой электропитания и прочими атрибутами больших вычислительных машин. Персональный компьютер обычно в значительной степени ориентирован на интерактивное взаимодействие с одним пользователем (в играх иногда и с двумя), причем взаимодействие происходит через множество сред общения – от алфавитно-цифрового и графического диалога посредством дисплея, клавиатуры и мыши до устройств виртуальной реальности, в которых пока не задействованы, наверное, только запахи.

1.2. Зачем необходим персональный компьютер радиоинженеру?

· продвинутый пользователь:

1) офисные приложения для подготовки документации: Office2007, XP.

2) специализированные пакеты:

- для математических и физических расчетов: MathCAD, MathLab;

- для схемотехнического моделирования: MicroCAP, Circuit Maker;

- для конструирования: PCAD, OrCAD, AutoCAD.

3) универсальные языки программирования: C++, HTML.

4) сборка оптимальных конфигураций ПЭВМ.

· менеджмент и эксплуатация компьютеров и компьютерных систем:

1) менеджер-консультант по аппаратным средствам ПЭВМ

2) системный администратор.

· разработка цифровых систем на базе ПЭВМ.

1.3. Персональные компьютеры, совместимые с IBM PC

В начале 80-х годов фирма IBM разработала стандарт персонального компьютера PC. Ожидалось, что он просуществует несколько лет. Однако стандарт успешно развивался, и в начале 90-х годов в мире существовало более 10 млн. персональных компьютеров. В настоящее время в мире эксплуатируется более миллиарда компьютеров и считается, что стандарт PC просуществует еще не одно десятилетие.

Когда используется аббревиатура PC (Personal Computer), подразумевается ПК, совместимый с самым массовым семейством персональных компьютеров фирмы IBM и их клонов. Конечно же, это не единственное в мире семейство – есть множество других достойных компьютерных линий.

Персональные компьютеры, совместимые с IBM PC, делятся на несколько поколений (или классов), которые начинались со следующих «исторических» моделей:

· IBM PC первой модели: процессор Intel 8088, адресуемая память – 1 Мбайт, шина расширения – ISA (8 бит), накопители на гибких дисках (НГМД) – до 360 Кбайт;

· IBM PC/XT (extended Technology – расширенная технология) – все то же, но с винчестерами (накопителями на жестких дисках, НЖМД) и возможностью установки математического сопроцессора Intel 8087;

· IBM PC/AT (Advanced Technology – прогрессивная (или «продвинутая») технология): процессор – Intel 80286/80287, адресуемая память – 16 Мбайт, шина – ISA (16 бит), НГМД – 1,2 и 1,44 Мбайт, НЖМД.

В настоящее время класс машин AT развивается в нескольких направлениях: 16-разрядный процессор заменен 32-разрядным (уже класса Р6 и выше), а теперь уже и 64-разрядным; память адресуется в пространстве до 4 или 64 Гбайт (и больше); применяются более эффективные шины расширения (PCI, PCI-X и PCI Express) с сохранением (и то уже не всегда) ISA для совместимости со старыми адаптерами; расширяется состав устройств, имеющих системную поддержку.

Компьютеры выпускаются в разных исполнениях – от настольных (напольных) до блокнотных, причем их предельные возможности не так уж сильно различаются. Есть и специальные конструкции для встраивания в технологическое и иное оборудование.

1.4. Конструктивные особенности персональных компьютеров

Персональный компьютер общего назначения имеет как минимум три составные части – системный блок, клавиатуру и дисплей. Клавиатуру с дисплеем можно назвать одним словом – консоль («выступающая» часть компьютера, обращенная к оператору-пользователю). Этот минимум может расширяться дополнительными устройствами: манипуляторами (мышь, трекбол, джойстик), устройствами вывода (принтер, плоттер), устройствами ввода (сканер, считыватели штрих-кодов и магнитных карт), мультимедийными устройствами (аудио и видео), дополнительными устройствами хранения данных (стример, дисковые устройства), коммуникационными устройствами (модем, адаптер локальной сети, телефон) и рядом других. Эти дополнительные устройства либо встраиваются в системный блок, либо являются отдельными «коробками», подключаемыми к системному блоку.

Настольные компьютеры

Конструктивные решения, заложенные в первую модель IBM PC образца 1981 года, без каких-либо революционных изменений дошли до наших дней. В классическом варианте исполнения PC состоит из системного блока, к которому подключаются клавиатура, видеомонитор и все периферийные устройства. В системном блоке расположена системная (system board), или материнская (motherboard), плата с установленными на ней центральными компонентами компьютера – процессором, оперативной памятью, вспомогательными схемами и щелевыми разъемами-слотами, в которые можно устанавливать платы расширения. В корпусе системного блока имеются отсеки (bay) для установки дисковых накопителей и других периферийных устройств трех- и пяти-дюймового формата, а также блок питания. На задней стенке корпуса имеются отверстия для разъемов клавиатуры и некоторых других, а также щелевые прорези, через которые из корпуса выходят внешние разъемы, установленные на платах расширения. Плата (карта) расширения имеет краевой печатный разъем, которым она соединяется со слотом шины ввода-вывода, и металлическую скобу, закрепляющую плату на корпусе. На этой скобе могут быть установлены внешние разъемы.

Габаритные и присоединительные размеры плат, способы их крепления и шины ввода-вывода унифицированы. Это превращает персональный компьютер в увлекательный конструктор, в который «играют» миллионы пользователей.

Малогабаритные компьютеры

Помимо настольных (напольных) стационарных PC выпускаются и их портативные варианты. Первые из них были довольно громоздкими. Переносная машина IBM PC Portable была скомпонована в корпусе обычного настольного размера, но на ее переднюю панель выходил экран небольшой электронно-лучевой трубки монитора. Клавиатура пристегивалась к передней панели и при переноске являлась крышкой. Вес машины был внушительным (из-за прочного стального корпуса), а питание могло подаваться только от сети. Несколько позже появились компьютеры класса Laptop («наколенные»), которые имели вид небольшого портфеля-дипломата. Они уже были оборудованы плоскими жидкокристаллическими мониторами и имели возможность работы от встроенных аккумуляторов. Каждый разработчик делал эти машины по-своему, поэтому об их открытости и модернизируемости говорить не приходится.

Более компактны машины класса Note Book (блокнотные ПК, или ноутбуки), линии которых успешно развиваются в настоящее время. Свое название они получили за форму, напоминающую раскрытый блокнот: нижняя часть – системный блок с клавиатурой, верхняя (откидная) часть – матричный (ЖК) экран с типовым размером 14-15 дюймов. Так что габариты их (примерно 25х30 см в плане) соответствуют довольно большому блокноту.

Есть и субноутбуки – их размеры уменьшены примерно до 18х25 см. В блокнотных ПК уже достигнута унификация модулей их функционального расширения в виде стандарта PC Card, который ранее назывался PCMCIA. Для них существуют специальные малогабаритные винчестеры и приводы CD/DVD, а также малогабаритные модули памяти. Компоненты, используемые в этих ПК, отличаются пониженным энергопотреблением, которое достигается либо ценой снижения производительности, либо за счет более дорогих технологий. Для подключения внутренних периферийных адаптеров используются стандартные конструктивы Mini PCI и Small PCI.

По характеристикам блокнотные компьютеры не слишком отстают от своих настольных собратьев, но они дороже в несколько раз (главным образом, из-за дисплея). Важными параметрами блокнотных ПК являются габариты, масса и длительность автономной работы. Последние два параметра определяются уровнем технологии энергосбережения и применяемого аккумулятора. Для энергосбережения используются технологии динамического управления потреблением и производительностью. За энергосбережение приходится расплачиваться некоторой медлительностью (задержками реакции, но не низкой производительностью) этих компьютеров.

В блокнотных компьютерах системный блок, дисплей, клавиатура и манипулятор совмещены в одном корпусе, дисплеем является откидная крышка. В качестве манипулятора раньше использовали трекбол, в современных моделях применяют малогабаритную сенсорную панель (touch pad), чувствительную к прикосновению. В корпус, как правило, встроен привод CD/DVD и, конечно же, малогабаритный винчестер, причем немалой емкости. Дисковод для гибких дисков (3,5") на современные компьютеры уже не ставят, при необходимости можно воспользоваться внешним устройством, подключаемым к USB (или к разъему LPT-порта).

Для расширения функциональных возможностей имеется одно или несколько гнезд PC Card. В формате PC Card популярны модемы, адаптеры локальных сетей, карты с флэш-памятью (электронные диски объемом в десятки и сотни мегабайт), контроллеры SCSI для подключения внешней периферии и другие устройства. Для PCI Express предусмотрен также формат гнезд Express Card. Современные компьютеры имеют богатый набор внешних интерфейсов: шины USB и Fire Wire, проводные (Ethernet) и беспроводные (Wi-Fi) интерфейсы локальной сети и подключения периферийных устройств (радиоинтерфейс BlueTooth, инфракрасный порт IRDA), разъем подключения телефонной линии (для встроенного модема). Из традиционных интерфейсов присутствует LPT-порт; СОМ-порты и разъемы клавиатуры и мыши PS/2 встречаются уже редко (их заменяет USB). Обычно на компьютере устанавливают разъем (VGA) для подключения внешнего монитора или проектора. Для мультимедийного оборудования компьютеры снабжают соответствующими аудио- и видео-разъемами.

Для длительной работы в стационарных условиях многие пользователи предпочитают стандартные внешние клавиатуры и мыши – эти устройства все-таки удобнее, чем их компактные версии, встроенные в блокнотные ПК. Для упрощения подключения стационарной периферии можно использовать переходник Port Bar – это блок со стандартными периферийными разъемами, подключаемый к блокнотному ПК всего одним (но нестандартным, фирменным) разъемом.

Многие блокнотные ПК можно подключать к специальным док-станциям, которые доводят возможности блокнотных ПК до уровня обычных настольных. Док-станция является блоком расширения – она имеет обычные слоты расширения с шинами ISA и PCI, периферии у которых больше, – и гораздо доступнее по цене. Шины док-станции соединяются с блокнотным ПК через специальные мосты. Док-станция не имеет своего процессора и оперативной памяти – работает «центр» блокнотного ПК. Она может быть оборудована дополнительными устройствами внешней памяти, которые расширяют объем доступной дисковой памяти ПК. Док-станции часто подключают к локальной сети офиса.

Дальнейшая миниатюризация компьютеров привела к появлению их совсем маленьких версий – Palm-Top («наладонные»), которые, как и следует из названия, умещаются на ладони или в кармане – КПК (карманные ПК). Эти компьютеры, конечно, имеют не очень много общего с «классической» архитектурой PC, но вполне способны исполнять специально под них адаптированные офисные приложения. Существует также класс специализированных устройств PDA (Personal Digital Assistant – персональный электронный секретарь) – например, электронные словари, записные книжки и т.п. Очень удобно, когда эти миниатюрные компьютеры можно подключать к настольным или блокнотным для обмена данными.

В карманных компьютерах нет места для клавиатуры, ее заменяет сенсорный экран – комбинация дисплея и сенсорной панели. Эта панель чувствительна к прикосновению специальным пером (stilus). Для ввода текста можно вывести на экран изображение клавиатуры и набирать текст прикосновением к соответствующим нарисованным «клавишам». Возможен и графический ввод текста: пользователь пишет буквы на панели, их образ распознается и преобразуется в текстовые символы.

Планшетные ПК (TabletPC) – нечто среднее (по размеру) между КПК и блокнотными ПК. У них уже довольно большой экран, совмещенный с сенсорной панелью. Такие компьютеры предназначены для чтения электронных книг, для просмотра веб-страниц, для рисования – хорошие сенсорные панели распознают не только факт прикосновения, но и степень нажатия на панель. Как правило, планшет сопровождается специальным электронным пером, которое приходится держать в руках, что не всегда удобно. У чисто планшетных ПК клавиатуры нет (есть всего несколько кнопок управления), как нет винчестера и приводов оптических дисков. Эти внешние устройства становятся доступными при наличии док-станции, к которой подключается планшетный ПК (если предусмотрено конструкцией). Выпускаются и компьютеры-гибриды, а также трансформеры, которые могут рассматриваться как планшеты с клавиатурой или как блокнотный ПК с сенсорным экраном. Расплатой за многофункциональность экрана, сочетающего в себе ЖК-матрицу и сенсорную панель, как правило, является уменьшение угла обзора экрана (и так не очень широкого в ЖК-панелях).

Промышленные и инструментальные компьютеры

Компьютеры для промышленного применения обобщенно называются Industrial PC. Здесь, конечно же, под PC понимается не персональный (как таковой) компьютер, а компьютер, совместимый с IBM PC. Такие компьютеры предназначены для особых (не офисных) условий эксплуатации. Промышленному компьютеру по роду службы приходится располагаться поблизости от подконтрольного объекта, в той или иной степени разделяя его условия существования (в противном случае компьютер можно было бы установить в уютном офисе с обычными условиями эксплуатации).

Условия эксплуатации могут быть тяжелыми в смысле климата – температуры, влажности, пыли, осадков и т. п. Компьютер может подвергаться механическим воздействиям – вибрации, ударам, ускорению. Химическое воздействие подразумевает, например, агрессивные пары и газы. Неблагоприятное соседство с электропотребителями (мощными контакторами, сварочными аппаратами, печами) вызывает как электромагнитные возмущения, так и осложнения с питанием. Уже перечисленных невзгод достаточно, чтобы испугаться за «здоровье» нежного настольного компьютера, попавшего в такие условия. Добавим еще, что может потребоваться подключение к промышленному компьютеру большого числа цепей связи с объектом, для которых на задней панели PC просто не хватит места под разъемы, а на системной плате не хватит слотов для интерфейсных карт сопряжения. И наконец, конструкция должна обеспечивать минимальное время поиска и устранения неисправностей, которые неизбежны даже при самом высоком уровне надежности. К инструментальным компьютерам, в основном предназначенным для сбора и обработки информации о каком-либо сложном объекте (например, экспериментальной установке), предъявляются похожие требования; правда, внешние условия, как правило, помягче.

Для соответствия этим требованиям конструктив PC должен быть заметно преображен. В PC объединение модулей (интерфейсных карт) осуществляется через системную плату, на которой сейчас размещают практически все основные и жизненно важные компоненты, от процессора до большинства стандартных интерфейсных адаптеров. И эта сложнейшая плата оказывается на самом дне корпуса, «погребенная» под установленными в нее интерфейсными картами и подсоединенными кабелями. Если она откажет, то для замены или ремонта компьютер придется разобрать полностью, что делается не так-то быстро. Чтобы избежать таких затруднений, в промышленных и инструментальных компьютерах функцию объединения модулей выполняет пассивная кросс-плата (passive backplane). Точный перевод названия указывает на местоположение этой платы в конструктиве – заднюю плоскость. На такой плате устанавливают только разъемы подключения функциональных модулей и блока питания. Все функциональные модули устанавливаются в блок спереди и объединяются ме­жду собой магистральной шиной кросс-платы. Внешние подключения к модулям осуществляют либо со стороны лицевой панели модулей, либо с задней стороны кросс-платы через контакты разъемов, не используемых под магистральные шины.

Функциональные модули могут иметь различное назначение, но главным является, конечно же, процессорный модуль. Современные процессорные модули функционально идентичны традиционным системным платам с интегрированной периферией. На них устанавливают процессоры от 386 до Pentium II/III, «золотой серединой» являются экономичные и эффективные процессоры классов 486 и Pentium. Периферийные модули выполняют функции аналогового и цифрового ввода-вывода, и из широкого ассортимента выпускаемых модулей всегда можно набрать комплект, «персонально» подходящий к компьютеризуемому объекту.

Как и для традиционных (настольных) ПК, в данной отрасли существуют стандарты на конструктивы и, конечно же, стандарты на объединительные шины.