Перспективы развития ПК

• Введение

  6

• 1 Архитектура персонального компьютера 10
• 1.1 Функциональные и технические характеристики устройств персонального компьютера 10
• 1.1.1 Компоненты материнской платы 11
• 1.1.2 Строение процессора 12
• 1.1.3 Оперативная память 16
• 1.1.4 Постоянно запоминающее устройство 17
• 1.1.5 Интерфейс системного блока 18
• 1.1.6 Кэш-память 19
• 1.1.7 Видеокарта 20
• 1.1.8 Звуковая карта 21
• 1.1.9 Характеристики жесткого диска 22
• 1.1.10 Операционная система 24
• 1.2 Работа ЭВМ и обращение к данным 25
• 1.2.1 Работа процессора 25
• 2 Пути развития персонального компьютера 30
• 2.1 История развитие ЭВМ 30
• 2.1.1 Эволюция поколений 30
• 2.1.2 Развитие компьютерной техники 34
• 2.1.3 Многоядерные процессы 37
• 3 На пути к третьему измерению 40
• 3.1 Тенденции развития 40
• 3.1.1 Развития процессоров 41
• 3.1.2 Увеличение объема и пропускной способности подсистемы памяти 44
• 3.1.3 Увеличение количества параллельно работающих исполнительных устройств 45
• 3.1.4 Системы на одном кристалле и новые технологии 46
• 3.2 Современный российский ПК 47

• Заключение

  57

• Глоссарий 61

• Список использованных источников

  62

• Список сокращений 65
• Приложения 62

На дворе XXI век — век науки и технологии. То, что некогда казалось далеким и немыслимым в настоящее время является неотъемлемой частью жизни человека и непосредственно очень доступным — это относится и к компьютерным технологиям в том числе.

Целью данной работы является полное раскрытие темы «Перспективы развития ПК». Выявить и логически изложить все этапы в процессе эволюции вычислительной техники.

Представленная тема является актуальной для нашего времени, так как изменения, происходящие, в мире техники не стоят на месте и превосходят все ожидания.

В процессе эволюции, меняется не только внешний и внутренний мир, а также изменяется работа компьютера в целом, и это знчительно облегчает труд и время человека работающего с ним.

Основной тенденцией развития вычислительной техники в настоящее время является дальнейшее расширение сфер применения компьютеров и, как следствие, переход от отдельных машин к их системам

Специалисты считают, что в XXI веке для общества цивилизованных стран грядет смена основной информационной «среды».

С развитием вычислительной техники расширяется сфера ее использования. В данной работе уделяется особое внимание рассмотрению персонального компьютера, как отдельной еденицы. Мы попытаемся проникнуть внутрь машины и проанализировав понять в чем же суть развития ПК.

Обычные домашние ПК, ставшие неотъемлемой частью нашей жизни, концентрируют в себе вычислительную мощь, о которой раньше не могли мечтать даже ученые, располагавшие кластерами высокопроизводительных систем. С помощью ПК мы черпаем информацию из Интернета, храним свои цифровые архивы, общаемся с друзьями и реализуем свои потребности в творчестве.

Процесс взаимодействия человека с ЭВМ насчитывает уже очень много лет. Благодаря разработке и внедрению микропроцессоров в структуру ЭВМ появились малогабаритные, удобные для пользователя персональные компьютеры. Ситуация изменилась, в роли пользователя может быть не только специалист по вычислительной технике, но и любой человек.

Определение «персональный» возникло потому, что человек получил возможность общаться с ЭВМ без посредничества профессионала-программиста, самостоятельно, персонально. При этом не обязательно знать специальный язык ЭВМ.

Развитие ПК — представляется изменением и совершенствованием всех компонентов компьютера, вплоть от внешнего вида, размеров до его содержимого. Конечно, до получения нами сегодня современного компьютера утекло много воды, но, как и несколько десятков лет, самым главным моментом было развитие компьтерной «начинки» персонально компьютера. Именно внутренние устройства являются центральной частью компьтера отвечающих за работу и производительность в целом, а значит, именно на их развитие было обращено все внимание на протяжении многих лет.

Итак, можно сделать вывод, если именно «железо» вычислительной техники является наиболее важным элементом компьютера, а значит ответить на интересующие нас вопросы, поможет подробное описание элементов относящихся к нему.

Наука не стоит на месте. Практически каждый год в мире техники появляюся новинки, которых мы так ждем. Еще несколько десятков лет назад, кто бы мог подумать, что компьютер, который был неподьемным — большие интегральные схемы (БИС) и пугал своими габаритами, в процессе совершенствования может уместиться в обычной сумке, удивительно, но это факт.

В настоящее время, компьютер занимает огромное место в жизни человека. Волей или не волей, человек даже не задумывается, но практически всю свою деятельность мы осуществляем на ПК, не зависимо работаем ли мы на своем рабочем месте, либо проводим досуг в сетях Интернета.

Сейчас в мире разработана идея «великой компьютеризации». Ее авторы исходят из того, что человечество, которое только сто лет живет в мире электричества, должно начать жить в «мире Интернета». Предлагается, управление всеми эклектическими устройствами, находящимися в квартире — от видеомагнитофона до тостера — передать единому компьютерному центру.

Предполагается, что и автомобиль будет, управляется компьютером: подключаясь к серверу администрации дорожного движения, компьютер будет выбирать оптимальный маршрут и режим поездки с учетом режима работы светофоров и наличия пробок на дорогах.

Уже сегодня пользователям глобальной информационной сети Интернет стала доступной практически любая находящаяся в хранилищах знаний этой сети неконфиденциальная информация.

В современном мире компьютеризировано практически все: начиная от дома до самого простейшего офиса. Компьютер помогает человеку во всех его деяниях: будь-то обычный отдых или рабочие будни. С помощью компьютера люди, могут общаться с людьми с другого города, даже страны, отыскать интересующую их информацию, купить-продать и многое другое — при помощи всемирной «паутины».

Конечно, легко говорить о компьютерном мире сейчас, когда компьютер не нуждается в доработках — он можно сказать, уже совершенен, хотя изменения были, есть и будут всегда. Так как человечество пытается добиться совершенства во всем.

Современных совершенствий компьютерной техники добивались десятки, и даже сотни лет. В истории вычислительной техники существует своебразная периодизация ЭВМ по поколениям. Но с чем это связано? В чем конкретно заключается переодизация и что несет с собой развитие персонального компьютера?

На эти вопросы и необходимо получить ответ по окончании данной работы.

1 Архитектура персонального компьютера

1.1 Функциональные и технические характеристики устройств персонального компьютера

Электронная вычислительная машина (ЭВМ), компьютер - комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

Вычислительные машины могут быть классифицированы по ряду признаков, в частности:

­ по принципу действия;

­ по этапам создания и элементной базе;

­ по назначению;

­ по способу организации вычислительного процесса;

­ по размеру вычислительной мощности;

­ по функциональным возможностям;

­ по способности к параллельному выполнению программ.

По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса: аналоговые, цифровые и гибридные.

Цифровые вычислительные машины работают с информацией, представленной в цифровой форме.

Аналоговые вычислительные машины, работают с информацией, представленной в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины.

Гибридные вычислительные машины, или вычислительные машины комбинированного действия — работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме.

Сейчас для людей многих профессий персональный компьютер — это надежный и умный помощник.

ЭВМ включает три основных устройства:

­ системный блок;

­ монитор;

­ клавиатура.

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты.

В системном блоке находится вся электронная начинка компьютера. Основными деталями системного блока являются:

­ процессор — главное компьютерное устройство управления и проведения вычислений,

­ материнская плата — устройство для крепления на ней других внутренних компьютерных устройств,

­ блок питания — устройство для распределения электрической энергии между другими компьютерными устройствами.

Устройства, подключаемые к нему снаружи, — называются внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными.

Монитор представляет собой устройство для отображения результатов обработки информации, основанное на использовании жидко кристаллических мониторов. Он получает видеосигнал в готовом виде от видеоконтроллера, расположенного в системном блоке. Видеоконтроллер получает от микропроцессора компьютера команды по формированию изображения, создает его в своей служебной памяти и преобразует в сигнал, подаваемый на монитор.

К аппаратным средствам ввода информации в ПК относятся клавиатура — устройство ввода текста, чисел и управляющей информации в основную память.

1.1.1 Компоненты материнской платы

К внутренним устройствам системного блока относится материнская плата — основная плата персонального компьютера, содержащая основные электронные компоненты. С помощью материнской платы осуществляется взаимодействие между большинством устройств машины.

Материнская плата представляет собой печатную плату площадью 100−150 см², на которой размещается большое число различных микросхем, разъемов и других элементов:

­ процессор — основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций;

­ микропроцессорный комплект — набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы;

­ шины — наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;

­ оперативная память — набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных;

­ постоянно запоминающее устройство (ПЗУ) — микросхема, предназначенная для длительного хранения данных, в том числе и когда компьютер выключен;

­ разъемы для подключения дополнительных устройств.

К системам, расположенным на материнской плате относятся: оперативная память (RAM), а на физическом уровне памяти различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM).

1.1.2 Строение процессора

Самым главным элементом в компьютере является процессор (Central Processor Unit, CPU) или микропроцессор — электронная микросхема, включающая в себя огромное количество элементарных полупроводниковых элементов. Процессор выполняет функции обработки информации и управления работой всех блоков ЭВМ. Быстродействие компьютера определяется тактовой частотой, с которой он работает.

Процессор, состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изменяться. Процессор является ядром любой ЭВМ. В состав центрального процессора входят:

­ арифметико-логическое устройство (АЛУ),

­ центральное устройство управления,

­ внутренняя регистровая память,

­ схема обращения к оперативной памяти,

­ схемы управления системной шиной.

Внутренние ячейки процессора называют регистрами. В процессе работы процессор обслуживает данные, находящиеся в его регистрах, в поле оперативной памяти, а также данные, находящиеся во внешних портах процессора. Часть данных он интерпретирует непосредственно как данные, часть из них представляют собой адресные данные, а часть — как команды. Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора. С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами (см. Рисунок 1).

Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют одинаковые или близкие системы команд. Процессоры, относящиеся к разным семействам, различаются по системе команд и невзаимозаменяемы:

­ CISC-процессоры используют в универсальных вычислительных системах;

­ RISC-процессоры используют в специализированных вычислительных системах или устройствах, ориентированных на выполнение единообразных операций.

Если два процессора имеют одинаковую систему команд, то они полностью совместимы на программном уровне. Это означает, что программа, написанная для одного процессора, может исполняться и другим процессором. Процессоры, имеющие разные системы команд, как правило, несовместимы или ограниченно совместимы на программном уровне.

Основными параметрами процессоров являются: рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти (см. Приложение А, Таблица А.4).

Рисунок 1 — Устройство компьютера

В основе работы процессора лежит тактовый принцип. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. В персональном компьютере тактовые импульсы обеспечивает генератор тактовых частот. Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов, частота которых определяет тактовую частоту микропроцессора. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта, или просто такт работы машины. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, поскольку каждая операция в вычислительной машине выполняется за определенное количество тактов.

Процессор считывает данные из памяти, манипулирует ими и возвращает результат обработки в память или передает на внешние устройства.

Существуют процессоры, предназначенные для обрабатки данных любой природы: текст, число, графика, звук. Это возможно потому, что данные перед операциями преобразуются к простейшему виду, т. е. представляются в двоичном коде, «оцифровываются». Физически это может выглядеть как чередование намагниченных и размагниченных участков жесткого диска, отражающих и не отражающих луч участков компакт-диска, передаваемых сигналов напряжения высокого и низкого уровня.

В работе цифровых устройств используются: двоичная система счисления, Булева логика, законы алгебры логики.

Основными характеристиками процессора являются:

­ быстродействие — количество операций, производимых в одну секунду, измеряется в бит/с;

­ тактовая частота — количество тактов, производимых процессором за одну секунду, она задает ритм работы компьютера. Тактовая частота определяет число тактов работы процессора в секунду. Чем выше тактовая частота, тем меньше длительность выполнения одной операции и тем выше производительность компьютера. Современный персональный компьютер может выполнять миллионы элементарных операций в секунду;

­ разрядность — количество двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. Указывая разрядность процессора 64, имеют в виду, что процессор имеет 64-разрядную шину данных, т. е. за один такт он обрабатывает 64 бита. Для современных процессоров характерно повышение тактовой частоты.

1.1.3 Оперативная память

Оперативная память (Random Access Memory, RAM) — это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные.

Оперативная память является очень важным элементом компьютера. В ней хранятся программы и данные, с которыми непосредственно работает ПК. Основу ОЗУ составляют большие интегральные схемы, содержащие матрицы полупроводниковых элементов.

Структурно ОЗУ состоит из миллионов отдельных ячеек памяти емкостью один байт каждая. Поэтому основной характеристикой оперативной памяти является ее объем, который исчисляется в байтах. Его величина определяет перечень программ, которые можно использовать на ПК.

Ячейки динамической памяти (DRAM) можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках.

Ячейки статической памяти (SRAM) можно представить как электронные микроэлементы — триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее.

Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной памяти компьютера. Микросхемы статической памяти используют в качестве вспомогательной памяти (так называемой кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы процессора.

Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается числом. В большинстве современных процессоров предельный размер адреса обычно составляет 32 разряда, а это означает, что всего независимых адресов может быть 2³². Одна адресуемая ячейка содержит восемь двоичных ячеек, в которых можно сохранить 8 бит, то есть один байт данных.

Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках, называемых модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате.

Основными характеристиками модулей оперативной памяти являются объем памяти и скорость передачи данных. Сегодня наиболее распространены модули объемом 128−512 Мбайт. Скорость передачи данных определяет максимальную пропускную способность памяти (в Мбайт/с или Гбайт/с) в оптимальном режиме доступа (см. Приложение А, Таблица А.1). При этом учитывается время доступа к памяти, пропускной способности шины и дополнительные возможности, такие как передача сигналов за один такт работы. Одинаковые по объему модули могут иметь разные скоростные характеристики.

1.1.4 Постоянно запоминающее устройство

В момент включения компьютера на адресной шине процессора выставляется стартовый адрес. Это происходит аппаратно, без участия программ. Процессор обращается по выставленному адресу за своей первой командой и далее начинает работать по программам.

Этот исходный адрес после включения указывает на тип памяти способный длительное время хранить информацию — постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

Постоянная память (Read-Only Memory, ROM) используется для хранения неизменяемой информации: загрузочных программ операционной системы, программ тестирования устройств компьютера и выполнения базовых функций по их обслуживанию. Поскольку большая часть этих программ связана с обслуживанием процессов ввода-вывода, содержимое ПЗУ часто называют система ввода-вывода (Base Input-Output System, BIOS). Постоянное запоминающее устройство выполняется из полупроводниковых модулей и в отличие от ОЗУ является энергонезависимым (информация сохраняется при выключении компьютера). Данные в ПЗУ заносятся при его изготовлении и не могут быть изменены пользователем. Объем постоянной памяти значительно меньше, чем оперативной, и не превышает нескольких сотен Кбайт.

Каждая ячейка основной памяти имеет свой, отличный от всех остальных адрес. Основная память имеет для ОЗУ и ПЗУ единое адресное пространство — совокупность ячеек памяти, к которым можно обращаться с использованием машинного адреса.

1.1.5 Интерфейс системного блока

Интерфейс системного блока представлен тремя шинами: шина данных, адресная шина и командная шина.

У процессоров семейства Pentium адресная шина 32-разрядная, то есть состоит из 32 параллельных проводников. В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комбинация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.

По шине данных передаются данные из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В современных персональных компьютерах шина данных, как правило, 64-разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.

Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор из оперативной памяти по командной шине. В большинстве современных процессоров шина команд 32-разрядная, хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже 128-разрядные.

В процессе работы процессор обслуживает данные, находящиеся в его регистрах, в поле оперативной памяти, а также данные, находящиеся во внешних портах процессора.

После сборки и компьютер, и все его адаптеры оказываются связанными между собой множеством соединений. Если бы было возможно связать их вместе, получился бы толстый жгут или шина. Шина (bus) — это главная магистраль, по которой происходит информационный обмен между устройствами компьютера. При этом количество информации передаваемой за один прием зависит от пропускной способности шины. Время необходимое для однократного считывания или записи данных по проводам шины, называется циклом шины (см. Приложение А, Таблица А.3).

Все устройства на системной шине CPU рассматривает либо как адресуемую память, либо как порты ввода-вывода.

О совершении некоего события процессор может узнать по сигналу, называемому прерыванием. При этом исполнение текущей последовательности команд приостанавливается, а вместо нее начинает выполняться другая последовательность, соответствующая данному прерыванию. Обычно прерывания подразделяются на аппаратные, логические и программные.

1.1.6 Кэш-память

Кэш-память (cache-memory) предназначена для согласования скорости работы сравнительно медленных устройств, таких, как динамическая память с быстрым микропроцессором. Использование кэш-памяти позволяет избежать циклов ожидания в его работе, которые снижают производительность всей системы.

С помощью кэш-памяти обычно делается попытка согласовать также работу внешних устройств, например, различных накопителей, и микропроцессора. Соответствующий контролер кэш-памяти должен заботиться о том, чтобы команды и данные, которые будут необходимы микропроцессору в определенный момент времени, именно к этому моменту оказывались в кэш-памяти.

Кэш-память — и это сверхоперативная память. Она значительно быстрее обычной оперативной памяти, но меньше по объему. Объем кэш-памяти определяет модификации ПК. Кэш-память доступна только процессору, которая хранит в ней промежуточные и часто используемые данные. Это позволяет процессору затрачивать меньше времени на доступ к данными и раньше освобождаться для других работ. Все это вместе ускоряет исполнение программ. Иначе говоря, кэширование — это организация хранения наиболее употребляемых данных в специально отведенной для этого части памяти с максимально быстрым доступом. Кэш-память встроенная внутрь микросхемы микропроцессора называется кэш-памятью первого уровня, а установленная вне его — кэш-памятью второго уровня.

1.1.7 Видеокарта

Видеоконтроллер (видеокарта) — это электронная схема, обеспечивающая формирование видеосигнала. Это устройство позволяет выводить изображение на экран монитора, захватывать движущееся изображение и обрабатывать изображение, поступающее с видеокамеры, видеомагнитофона или телевизора.

Видеокарта не всегда была компонентом ПК. В общей области оперативной памяти существовала небольшая выделенная экранная область памяти, в которую процессор заносил данные об изображении. Специальный контроллер экрана считывал данные о яркости отдельных точек экрана из ячеек памяти этой области и в соответствии с ними управлял разверткой горизонтального луча электронной пушки монитора.

С переходом от черно-белых мониторов к цветным и с увеличением разрешения экрана области видеопамяти стало недостаточно для хранения графических данных, а процессор перестал справляться с построением и обновлением изображения. Тогда и произошло выделение всех операций, связанных с управлением экраном, в отдельный блок, получивший название видеоадаптер (см. Приложение А, Таблица А.5). Физически видеоадаптер выполнен в виде отдельной дочерней платы, которая вставляется в один из слотов материнской платы и называется видеокартой. Видеоадаптер взял на себя функции видеоконтроллера, видеопроцессора и видеопамяти.

За время существования персональных компьютеров сменилось несколько стандартов видеоадаптеров: MDA (монохромный), CGA (4 цвета), EGA (16 цветов), VGA (256 цветов). В настоящее время применяются видеоадаптеры SVGA, обеспечивающие по выбору воспроизведение до 16,7 миллионов цветов с возможностью произвольного выбора разрешения экрана из стандартного ряда значений (640×480, 800×600,1024×768, 1152×864; 1280×1024 точек и далее).

Мониторы выпускаются с экранами разных размеров. Размер экрана монитора задается обычно величиной его диагонали в дюймах: для IBM PC-совместимых ПК приняты типоразмеры экранов 14, 15, 17, 19, 21 и 22 дюйма.

1.1.8 Звуковая карта

Звуковая карта (sound card, sound blaster) явилась одним из наиболее поздних усовершенствований персонального компьютера. Она устанавливается в один из разъемов материнской платы в виде дочерней карты и выполняет вычислительные операции, связанные с обработкой звука, речи, музыки. Звук воспроизводится через внешние звуковые колонки, подключаемые к выходу звуковой карты. Специальный разъем позволяет отправить звуковой сигнал на внешний усилитель. Имеется также разъем для подключения микрофона, что позволяет записывать речь или музыку и сохранять их на жестком диске для последующей обработки и использования.

Звуковая карта — это устройство для качественного воспроизведения звука через акустические колонки или наушники, поскольку слабый встроенный в компьютер динамик хорошо воспроизводить звук не способен. Звуковые карты обычно позволяют записать звук с микрофона, с линейного выхода магнитофона или другого источника.

Звуковая карта может быть на собственной печатной плате и вставляться в разъем расширения или сразу присутствовать на системной плате.

Для дополняющей звуковую карту акустической системы основными характеристиками являются полоса пропускания неискаженного звука и выходная мощность.

Основным параметром звуковой карты является разрядность, определяющая количество битов, используемых при преобразовании сигналов из аналоговой в цифровую форму и наоборот. Чем выше разрядность, тем меньше погрешность, связанная с оцифровкой, тем выше качество звучания. Минимальным требованием сегодняшнего дня являются 16 разрядов, а наибольшее распространение имеют 32-разрядные и 64-разрядные устройства.

В области воспроизведения звука наиболее сложно обстоит дело со стандартизацией. В отсутствие единых централизованных стандартов, стандартом де-факто стали устройства, совместимые с устройством SoundBlaster, торговая марка на которое принадлежит компании Creative Labs.

1.1.9 Характеристики жесткого диска

Жесткий диск (Hard Disk, HDD) — основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ.

На жестком диске данные хранятся на магнитной поверхности диска. Информация записывается и снимается с помощью магнитных головок. Внутри жесткого диска может быть установлено несколько пластин (дисков), в просторечье именуемые «блинами». Двигатель, вращающий диск, включается при подаче питания на диск и остается включенным до снятия питания.

Двигатель вращается с постоянной скоростью, измеряемой в оборотах в минуту. Данные организованы на диске в цилиндрах, дорожках и секторах. Цилиндры — концентрические дорожки на дисках, расположенные одна над другой. Дорожка затем разделяется на сектора.

Обычно современные жесткие диски имеют скорость вращения от 5400 до 7200 об/м. Чем выше скорость вращения, тем выше скорость обмена данными. Современные жесткие диски имеют различное количество секторов на дорожке в зависимости от того, внешняя ли это дорожка или внутренняя. Внешняя дорожка длиннее и на ней можно разместить больше секторов, чем на более короткой внутренней дорожке. Данные на чистый диск начинают записываться также с внешней дорожки.

Время поиска (seek time) минимально только в случае необходимости операции с дорожкой, которая является соседней с той, над которой в данный момент находится головка. Наибольшее время поиска соответственно при переходе с первой дорожки на последнюю.

Все магнитные головки диска находятся в каждый момент времени над одним и тем же цилиндром, и время переключения определяется тем, насколько быстро выполняется переключение между головками при чтении или записи.

Время доступа к данным — это комбинация из времени поиска, времени переключения головок и задержки позиционирования, измеряется в миллисекундах. Время поиска, это только показатель того, как быстро головка оказывается над нужным цилиндром. До тех пор, пока данные не записаны или считаны, следует добавить время на переключение головок и на ожидание необходимого сектора (см. Приложение А, Таблица А.2).

Как правило, на всех современных жестких дисках есть собственная оперативная память, называемая кэш-памятью. Организация обмена данными с кэшем важна для повышения быстродействия диска в целом.

Операция считывания происходит следующим образом: намагниченные частицы покрытия, проносящиеся на высокой скорости вблизи головки, находят в ней ЭДС самоиндукции, электромагнитные сигналы, возникающие при этом, усиливаются и передаются на обработку.

1.1.10 Операционная система

Операционная система (OC) — это комплекс программ, который загружается при включении компьютера. Она производит диалог с пользователем, осуществляет управление компьютером, его ресурсами (оперативной памятью, местом на дисках), запускает другие (прикладные) программы на выполнение. ОС обеспечивает пользователю и прикладным программам удобный способ общения с устройствами компьютера. Основная причина необходимости операционной системы состоит в том, что элементарные операции для работы с устройствами компьютера и управления ресурсами компьютера — это операции низкого уровня, поэтому действия, которые необходимы пользователю и прикладным программам состоят из нескольких сотен или тысяч таких элементарных операций.

Операционная система MS DOS состоит из следующих частей:

Базовая система ввода-вывода (ВIOS), находящаяся в постоянной памяти компьютера.

Загрузчик операционной системы — это очень короткая программа, находящаяся в первом секторе каждой дискеты с операционной системой DOS. Функция этой программы заключается в считывании в память еще двух модулей операционной системы IO. sys и MS-DOS.sys, которые и завершают процесс загрузки DOS.

Командный процессор обрабатывает команды, вводимые пользователем (поверка синтаксиса и семантики). Командный процессор находится в дисковом файле COMMAND.COM на диске, с которого загружается операционная система.

Внешние команды MS DOS — это программы, поставляемые вместе с операционной системой в виде отдельных файлов. Эти программы выполняют действия обслуживающего характера, например форматирование дискет, проверку дисков.

Драйверы устройств — это специальные программы, которые дополняют систему ввода-вывода ОС и обеспечивают обслуживание новых или нестандартное использование имеющихся внешних устройств.

На данный момент мировая компьютерная индустрия развивается очень стремительно. Производительность систем возрастает, а, следовательно, возрастают возможности обработки больших объемов данных. Поэтому в последнее время происходит переход на более мощные и наиболее совершенные операционные системы класса UNIX, примером которых и является Windows NT.

1.2 Работа ЭВМ и обращение к данным

1.2.1 Работа процессора

Все функциональные узлы ПК связаны между собой через системную магистраль, представляющую из себя более трёх десятков упорядоченных микропроводников, сформированных на печатной плате.

Высокая скорость работы ЭВМ потребовала жесткой регламентации времени на каждый информационный обмен в отдельности.

При включениикомпьютера — поступила команда: «Пуск». Он относится, к устройству управления: пуск УУ и передача стартового адреса. Далее события развиваются следующим образом. Адрес первой команды программы поступает в счетчик команд (СК) и тем самым определяется место в памяти, откуда можно извлечь обрабатываемую команду.

Получив приказ о начале работы, УУ передает в память, в качестве адреса разыскиваемой информации, содержимое счетчика команд. Эта передача сопровождается приказом для памяти: «Выдать содержимое указанной ячейки на регистр команд». После этого из ячейки памяти с адресом, равным содержимому счетчика команд СК, считывается команда, размещаемая в регистре команд (РК).

Следующий шаг — дешифрация кода операции. Устройство управления с помощью дешифратора расшифровывает код операции команды и, настраивая арифметико-логическое устройство на выполнение операции, начинает отработку алгоритма команды. Затем адрес первого слагаемого передается в запоминающее устройство. Это первый адрес в адресной части, расположенной в РК. По требованию УУ этот адрес через регистр считываемой информации (РСИ) передается далее АЛУ.

После того как АЛУ примет в качестве первого слагаемого содержимое регистра считываемой информации, устройство управления начнет выборку следующего слагаемого. Для этого в память передается номер ячейки, хранящей второе слагаемое (второй адрес в адресной части РК), и содержимое этой ячейки поступает через РСИ в АЛУ.

Получив оба слагаемых, АЛУ с помощью сумматора выполняет операцию сложения и передает результат в регистр записываемой информации (РЗИ). Завершением обработки команды является запись содержимого РЗИ (результата) по адресу результата (третий адрес в адресной части) РК.

Существуют машины разной адресности: одно-, двух-, полутораадресные и даже безадресные. В формате команды двухадресной машины помимо кода операции указываются адреса только двух операндов (величин, участвующих в операции). А в одноадресных машинах команда, кроме кода операции, содержит лишь один адрес — адрес одного из операндов. Вторым операндом служит содержимое специального узла — накапливающего регистра, куда второй операнд предварительно заносится из ЗУ специальной командой пересылки или остается после выполнения предыдущей команды.

Адресация задается аппаратным способом с использованием счетчика команд. Исключением являются только команды условного перехода, для которых адрес следующей команды при выполнении заданного условия явно задается в адресном поле команды. Если условие не выполняется, то адрес следующей команды определяется обычным способом, т. е. содержимым счетчика команд. Неявная или подозреваемая адресация позволяет ввести безадресный или нульадресный формат команд ЭВМ. Последовательность команд для адресных форматов задается аппаратным способом; для безадресных необходимо неявно задать и последовательность команд, и последовательность операндов. Это достигается в машинах с так называемой стековой структурой памяти.

Стек заполняется и освобождается в определенном порядке, там операция может быть проведена только над операндами, расположенными в верхушке стека, в верхних его регистрах.

Таким образом, когда память ЭВМ организована в виде стека, то для выполнения многих операций можно не указывать адреса операндов, если они предварительно помещены в верхушке стека или непосредственно следом за ней. Так, команда «Сложить», задаваемая только кодом операции (и ничем более), складывает два числа, одно из которых находится в верхушке стека, а другое сразу же вслед за ним, и помещает результат в верхушку стека. Так как в команде совсем нет адресной части, это, не означает, что машинные слова в стековой памяти не имеют адресов. Адреса существуют, но после того как операнды посланы в стек, нет необходимости указывать эти адреса в адресной части большинства машинных команд.

В общем случае система команд процессора включает в себя следующие четыре основные группы команд:

— команды пересылки данных;

— арифметические команды;

— логические команды;

— команды переходов.

Команды пересылки данных не требуют выполнения никаких операций над операндами. Операнды просто пересылаются (точнее, копируются) из источника (Source) в приемник (Destination). Источником и приемником могут быть внутренние регистры процессора, ячейки памяти или устройства ввода/вывода. АЛУ в данном случае не используется.

Арифметические команды выполняют операции сложения, вычитания, умножения, деления, увеличения на единицу, уменьшения на единицу. Этим командам требуется один или два входных операнда. Формируют команды один выходной операнд.

Логические команды производят над операндами логические операции, например, логическое И, логическое ИЛИ, исключающее ИЛИ, очистку, инверсию, разнообразные сдвиги (вправо, влево, арифметический сдвиг, циклический сдвиг). Этим командам, как и арифметическим, требуется один или два входных операнда, и формируют они один выходной операнд.

Команды переходов предназначены для изменения обычного порядка последовательного выполнения команд. С их помощью организуются переходы на подпрограммы и возвраты из них, всевозможные циклы, ветвления программ, пропуски фрагментов программ. Команды переходов всегда меняют содержимое счетчика команд. Переходы могут быть условными и безусловными. Именно эти команды позволяют строить сложные алгоритмы обработки информации.

Вычислительные машины могут выполнять обработку информации в разных режимах:

— однопрограммном (монопольном);

— многопрограммном.

Где многопроцессорный режим, в свою очередь подразделяется на:

— диалоговый режим,

— режим реального времени.

Однопрограммный режим использования компьютера самый простой, применяется во всех поколениях компьютеров. Из современных машин этот режим чаще всего используется в персональных компьютерах, где он называется реальным режимом работы микропроцессора. В этом режиме все ресурсы ПК передаются одному пользователю.

Многопрограммный (многозадачный) режим обеспечивает расходование ресурсов компьютера. Для реализации этого режима необходимо, прежде всего разделение ресурсов машины в пространстве и во времени. Естественно, такое разделение ресурсов эффективно может выполняться только автоматически, следовательно, требуется автоматическое управление вычислениями.

Режим разделения времени характерен тем, что на машине действительно одновременно решается несколько задач, каждой из которых по очереди выделяются кванты времени, обычно недостаточные для полного решения задачи. Условием прерывания решения текущей задачи служит либо истечение кванта выделенного времени, либо обращение к процессору какого-либо приоритетного внешнего устройства, например клавиатуры для ввода информации.

Прерывание задачи от клавиатуры является типичным для диалогового режима работы ПК, представляющего собой частный случай режима разделения времени. Диалоговые режимы характерны для многопользовательских систем: они обеспечивают одновременную работу нескольких пользователей при решении задач в интерактивном режиме. В процессе решения задачи пользователь имеет возможность корректировать ход выполнения своего задания.

2 Пути развития персонального компьютера

персональный компьютер процессор память

2.1 История развитие ЭВМ

2.1.1 Эволюция поколений

Успехи в развитии микропроцессоров и микро-ЭВМ привели к появлению персональных ЭВМ (ПЭВМ), предназначенных для индивидуального обслуживания пользователя и ориентированных на решение различных задач неспециалистами в области вычислительной техники. Все оборудование персональной ЭВМ размещается в пределах стола.

В развитии вычислительной техники можно выделить предысторию и четыре поколения электронных вычислительных машин. Впереди создание ЭВМ пятого поколения. Развитие ЭВМ, по-видимому, ярче всего отражает динамику научно-технического прогресса второй половины XX в. (см. Приложение Б, Таблица Б.1).

ЭВМ первого поколения изготовлялись на основе вакуумных электронных ламп. Работа на ЭВМ производилась за пультом, где можно было видеть состояние каждой ячейки памяти и любого регистра.

Программы для ЭВМ первого поколения составлялись в машинных кодах в виде длинных последовательностей двоичных чисел. Занимались этим исключительно математики, выполнявшие на ЭВМ сложнейшие расчеты.

Первые ЭВМ имели наиболее простую и наглядную трехадресную систему команд. Трехадресная команда легко расшифровывалась и была удобна в использовании, но с ростом объемов ОЗУ ее длина становилась непомерно большой. Поэтому появились двухадресные машины, длина команды в которых сокращалась за счет исключения адреса записи результата. В таких ЭВМ результат операции оставался в специальном регистре и был пригоден для использования в последующих вычислениях.

В машине первого поколения реализованы основополагающие принципы построения компьютеров, такие как:

­ наличие арифметико-логических, устройств ввода/вывода, памяти и управления;

­ кодирование и хранение программы в памяти, подобно числам;

­ двоичная система счисления для кодирования чисел и команд;

­ автоматическое выполнение вычислений на основе хранимой программы;

­ наличие как арифметических, так и логических операций;

­ иерархический принцип построения памяти;

­ использование численных методов для реализации вычислений.

Следующее, второе поколение ЭВМ появилось через 10 лет. В этих ЭВМ логические элементы реализовывались уже не на радиолампах, а на базе полупроводниковых приборов-транзисторов. Это позволило значительно увеличить надежность машин, сократить их размеры и потребление электроэнергии. Тем самым открылся путь для серийного производства ЭВМ.

Появление ЭВМ, построенных на транзисторах, привело к уменьшению их габаритов, массы, энергозатрат и стоимости, а также к увеличению надежности и производительности. Это сразу расширило круг пользователей и, следовательно, номенклатуру решаемых задач.

Наиболее просто была организована память в ЭВМ первых двух поколений. Она состояла из отдельных ячеек, содержимое каждой из которых считывалось или записывалось как единое целое. Каждая ячейка памяти имела свой номер, который и получил название адреса. Очевидно, что адреса соседних ячеек ОЗУ являются последовательными целыми числами, т. е. отличаются на единицу. В рассматриваемых ЭВМ использовались данные только одного типа (вещественные числа), причем их длина равнялась длине машинной команды и совпадала с разрядностью памяти и всех остальных устройств машины.

Применение полупроводниковых приборов позволило резко повысить надежность ЭВМ, сократить ее массу, габариты и потребляемую мощность. Полупроводниковые элементы — транзисторы — составляли основу ЭВМ второго поколения. Эти ЭВМ по сравнению с ЭВМ первого поколения обладали большими возможностями и быстродействием.

В составе ЭВМ второго поколения появились печатающие устройства для вывода, телетайпы для ввода и магнитные накопители для хранения информации. Начали создаваться первые автоматизированные системы, а базе ЭВМ.

Для появления третьего поколения ЭВМ вновь понадобилось всего лишь около 10 лет. Их основу составляли интегральные микросхемы, содержавшие на одной полупроводниковой пластинке сотни или тысячи транзисторов. Благодаря этому уменьшились размеры ЭВМ, потребление ими электроэнергии и стоимость компьютеров.

В состав ЭВМ третьего поколения были включены удобные устройства ввода-вывода и накопления, информации (дисплеи) на основе электронно-лучевых трубок, накопители на магнитных лентах и дисках, графопостроители. Начали создаваться операционные системы, базы данных, языки структурного программирования, первые системы «искусственного интеллекта», стали внедряться системы автоматизированного проектирования и управления.

В ЭВМ третьего поколения стало возможным обрабатывать несколько типов данных: символы текста (1 байт), целые числа (2 байта), вещественные числа обычной или двойной точности (4 или 8 байт соответственно). В связи с этим была введена новая условная единица измерения информации — машинное слово. Оно равнялось 4 байтам и соответствовало длине стандартного вещественного числа.

В машинах третьего поколения появились и еще несколько особенностей: разная длина команд в зависимости от способа адресации данных, наличие специальной сверхоперативной регистровой памяти, вычисление эффективного адреса ОЗУ как суммы нескольких регистров. Все это получило дальнейшее развитие в компьютерах четвертого поколения, для которых разрядность микропроцессора стала одной из важнейших характеристик.

Для появления ЭВМ четвертого поколения вновь потребовалось 10 лет. Элементной базой этих ЭВМ стали большие интегральные схемы (БИС), в которых на одном кристалле кремния размещаются уже десятки и сотни тысяч логических элементов. Такие интегральные схемы позволяют создавать на одном-единственном кристалле программируемые блоки управления различными устройствами.

Наиболее яркими представителями ЭВМ четвертого поколения служат персональные ЭВМ, габариты которых позволяют устанавливать их на любом рабочем месте. В состав этих ЭВМ включаются удобные средства накопления, ввода и предоставления информации: накопители на гибких магнитных дисках, цветные графические дисплеи, графические планшеты, компактные печатающие устройства.

Массовое распространение персональных ЭВМ изменило требования к программам. Главными из этих требований стали: правила работы, эстетичность, надежность программ, универсальность их функций, простота обучения работе на ЭВМ.

Следующее, пятое поколение ЭВМ пришло на смену ЭВМ четвертого поколения еще до конца прошлого столетия. Элементной базой этих ЭВМ служат сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), которые отличаются колоссальной плотностью размещения логических элементов на кристалле. Главным же является существенное увеличение электронной памяти в этих схемах, которая служит базой для их «интеллекта».

Одной из главных проблем развития ЭВМ (как четвертого, так и перспективного пятого поколения) является проблема разработки программного обеспечения. Массовое использование ЭВМ по-новому ставит вопрос о разработке и эксплуатации программных средств.

В вычислительной технике существует своеобразная периодизация развития электронных вычислительных машин. ЭВМ относят к тому или иному поколению в зависимости от типа основных используемых в ней элементов или от технологии их изготовления (см. Приложение В, Таблица В.1). Ясно, что границы поколений в смысле времени сильно размыты, так как в одно и то же время фактически выпускались ЭВМ различных типов.

2.1.2 Развитие компьютерной техники

Различные устройства, от громоздких ламповых компьютеров середины пятидесятых годов прошлого века до миниатюрных современных ноутбуков — всю эту технику мы называем компьютерами.

Современные компьютеры разнообразны. Хотя в принципе все они работают по одной и той же классической схеме, но отличаются друг от друга не только внешним видом, но даже и типом платформы (платформа Apple или IBM), которые определяют виды используемых комплектующих и виды программного обеспечения. Самое значимое, среди достижений компьютерной науки это Интернет — всемирная компьютерная сеть.

История Интернета началась в середине прошлого века. Перед учеными была поставлена проблема: необходима была четкая, налаженная система, позволяющая обмениваться информацией по принципу «каждый с каждым».

В эту сеть требовалось объединить не только компьютеры, служившие мозговым центром любой исследовательской лаборатории, но и множество мелких локальных «подсетей». И вот в январе 1969 года всего за несколько минут была запущена система, связавшая между собой четыре компьютера в разных концах зесного шара.

Сеть развивалась с такой скоростью, что вскоре стало ясно: необходимо полностью переработать механизм доступа к Arpanet. Появление протокола «ТСP/IP» (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) позволило пользователям с легкость подключаться к Интернету при помощи обычной телефонной линии.

Развитие сети шло быстрыми темпами. Всего за шесть лет существования в качестве открытой информационной сети число подключенных к ней пользователей увеличилось более чем в 100 раз.

В начале 90-х годов прошлого века получил распространение графический способ отображения информации в сети в виде «страничек», способных нести не только текст, как раньше, но и графику, а позднее — еще и элементы мультимедиа (звук и даже видео).

Интернет подразделяется на уровни. Самый нижний и самый массовый уровень Интернета это простые пользователи, подключенные к сети через низкоскоростной телефонный канал или локальную сеть. Скорость передачи данных на этом уровне очень мала — не более нескольких килобайт в секунду. Пользователи, связанные с Интернетом через волоконно-оптический кабель, могут получать информацию из сети уже со скоростью до нескольких Мбит в секунду.

Следующий уровень сети — провайдеры. Провайдеры — держатели еще более мощных и скоростных каналов связи, которыми не только пользуются сами, но и предоставляют возможность подключения к сети конечным пользователям и другим провайдерам классом ниже.

Для удобства работы с Интернетом серверы сети делятся на логические группы — так называемые доменные зоны, которые в свою очередь делятся на географические и тематические. Географическая доменная зона выделяется каждому государству, подключенному к сети посредством своих компьютеров.

Тематическая доменная зона зависит только от типа учреждения, которое владеет данным сервером.

К сервисам Интернета относится — электронная почта (email). Благодаря наличию электронной почты пользователи имеют возможность обмениваться персональными сообщениями, пересылать дуг другу различные документы, картинки, программы. Скорость доставки почты практически мгновенная. Она не зависит от скорости передвижения живого почтальона или машины, забирающей письма из почтового ящика. Электронная почта надежна. Вероятность пропажи письма минимальна.

По электронной почте можно отправить не только текстовое сообщение, но и графическое изображение, переслать видео и аудио сообщение.

Всемирная паутина (Word Wide Web, WWW) настолько популярна, что многие пользователи Интернета полагают, что выражение «всемирная паутина» (Word Wide Web) является синонимом Интернета. Web — это гигантская гипертекстовая система, в которой документы, рассоложенные по всему миру, связаны с друг другом ссылками. Именно гиперссылки связывают воедино все ресурсы сети. Гиперссылками могут быть оснащены не только текстовые файлы, но и графические элементы.