Архітектура комп'ютера. Конфігурція комп'ютера під потребу


Комп’ютер виконує чотири інформаційні процеси: введення, опрацювання, виведення і зберігання даних. Усі сучасні комп’ютери, незважаючи на різноманіття моделей, мають основні складові, що забезпечують виконання цих процесів.

Архітектура ПК — опис сукупності пристроїв та блоків ПК і зв’язків між ними.

Поняття архітектури тісно пов’язане з принципами роботи ПК. Ахітектура визначає принципи дії, інформаційні зв’язки і взаємодію основних складових ПК: процесора, внутрішньої і зовнішньої пам’яті та периферійних пристроїв. Уніфікація архітектури ПК забезпечує їх сумісність з точки зору користувача.

Принципи, згідно з якими функціонує більшість сучасних комп’ютерів, опубліковано в 1946 році американським математиком Джоном фон Нейманом (1903–1057).



Він також описав машину, яка може бути універсальним засобом обробки інформації.

Історія питання
У 30-х роках уряд США доручив Гарвардскому і Прінстонського університету розробити архітектуру ЕОМ для військово-морської артилерії. В кінці 1930-х років в Гарвардському університеті Говардом Ейкен була розроблена архітектура, названа по імені цього університету.


Але перемогла розробка Прінстонського університету, відома зараз як архітектура фон Ноймана, що була простішою в реалізації.

Основні складові фон-нейманівської машини такі: пристрій керування, арифметико-логічний пристрій (АЛП), пам’ять, система введення та система виведення даних.

Принципи роботи комп'ютера за фон Нойманом
  1. За допомогою пристроїв введення дані і програми їх опрацювання потрапляють у пам’ять комп’ютера.
  2. З пам’яті комп’ютера дані надсилають до процесора (англійською Central Processing Unit – CPU – модуль центрального процесора).
  3. Арифметично-логічний пристрій здійснює опрацювання даних.
  4. Пристрій керування керує процесами опрацювання даних, їх збереженням і передаванням.
  5. Пристрої виведення даних здійснюють подання результатів опрацю­вання даних у виді, зручному для користувача.
Принципи функціонування сучасних комп’ютерів
  1. Принцип двійкового кодування полягає у тому, що всі дані подають у вигляді двійкових кодів.
  2. Принцип програмного керування полягає у тому, що всі операції з опрацюванням даних здійснюють відповідно до програм і ці програми розташовують у пам’яті комп’ютера.
  3. Принцип адресності полягає у такій організації пам’яті комп’ютера, за якої процесор може безпосередньо звернутись до даних, розташованих у будь-який частині пам’яті. А кожна найменша частина пам’яті (комірка пам’яті) має унікальну назву – адресу.
  4. Принцип однорідності пам’яті полягає у тому, що всі дані, у тому числі й програми, зберігають в одному і тому самому пристрої пам'яті.
З часом принципи побудови комп’ютера розвивали, їм надавали нового змісту, їх доповнювали. Під час розробки комп’ютерів у кінці 70-х років ХХ століття й особливо під час створення першого персонального комп’ютера корпорації IBM (IBM PC, 1981 р.), було сформульовано таке положення.

Магістрально-модульний принцип
  1. Дані між окремими пристроями комп’ютера передають єдиною магістраллю — системною шиною, в якій виділяють три окремі шини: шину даних, шину вказівок і шину адрес;
  2. Комп’ютер складається з окремих блоків — модулів, кожний з яких виконує певні функції.
Останнє дає змогу звести модернізацію або ремонт комп’ютера до заміни окремих модулів. Так, можна замінити процесор, блоки пам’яті, монітор на аналогічні або на пристрої з покращеними значеннями властивостей.

Виконання програми починають з того, що пристрій керування зчитує пам'ять комірки, у якій міститься перша вказівка програми, та організовує її виконання. Команда надходить до АЛП, який виконує певну операцію. Після виконання однієї вказівки пристрій управління (ПУ) починає виконання вказівки з наступної комірки памяті. Порядок комірок операційної системи, з яких відбувалося зчитування, визначається за допомогою вказівок ПУ. Тобто ПУ виконує програми автоматично, без втручання людини, в чому й полягає принцип програмного керування.

Вказівка (команда) — це опис (запис) (елементарної) операції, яку повинен виконати комп’ютер.

В загальному випадку, вказівка містить таку інформацію:
  • код операції, яку потрібно виконати;
  • приписи для визначення операндів чи їх адреси;
  • приписи для розміщення одержаного результату.
Центральний процесор розуміє і виконує лише визначену систему команд: ті коди, які вказують на виконання певних операцій. Будь-яка програму подають у вигляді послідовності таких кодів. Під час роботи програми центральний процесор в будь-який момент виконує одну з вказівок з дуже великою швидкістю. Також операційна система надає користувачу певний набір вказівок і відповідні їм відповіді, за допомогою яких можна керувати ЕОМ.

Введення
Клавіатура і миша — найпоширеніші пристрої для взаємодії з комп’ютером. Програмне забезпечення, що керує машиною, перетворює комбінації введених символів або як вказівки, які можна і потрібно виконати, або як дані, що підлягають опрацюванню. Прості програми можна ввести безпопередньо з клавіатури, але складніші й більші програми зазвичай завантажують в оперативну пам’ять за допомогою спеціального зовнішнього пристрою, яке передає до машини збережену на диску інформацію.

Опрацювання
У блоці центрального процесора пристрій керування пильнує за порядком виконання операцій. Арифметико-логічний пристрій виконує арифметичні і логічні операції. Активну програму розміщують в оперативній пам’яті комп’ютера, завдяки чому центральний процесор може вибирати вказівки послідовно, одну за одною. Програми, які завжди зберігають у сталій пам'яті, забезпечують початкову активацію комп’ютера і підтримують взаємодію процесора с пристроями введення-виведення.

Виведення
Монітор забезпечує відображення результатів опрацювання інформації. Зазвичай комп’ютер виводить на екран інформацію, яка надходить з клавіатури, а також свої відповіді. Принтер слугує для виведення інформації на папір. Інформацію можна виводити і електричними імпульсами.

Відміні ознаки Гарвардської архітектури ЕОМ
  1. Сховище інструкцій і сховище даних — різні фізичні пристрої.
  2. Канали інструкцій і канал даних фізично розділені.
Ідея, реалізована Ейкеном, полягала у фізичному поділі ліній передачі вказівок і даних. У першому комп'ютері Ейкена Марк I для зберігання інструкцій використовували перфоровану стрічку, а для роботи з даними — електромеханічні регістри. Це дозволяло одночасно пересилати й опрацьовувати вказівки й дані, завдяки чому значно підвищувалася загальну швидкодію комп'ютера. У Гарвардській архітектурі характеристики пристроїв пам'яті для інструкцій і пам'яті для даних не потрібно мати загальними. Зокрема, ширина слова, таймінги, технологія реалізації та структура адрес пам'яті можуть різнитися. У деяких системах інструкції можуть зберігати у пам'яті лише для читання, в той час як, для збереження даних зазвичай потрібно пам'ять з можливістю читання і запису. У деяких системах потрібно значно більше пам'яті для інструкцій, ніж пам'яті для даних, бо ці дані зазвичай можна підвантажити із зовнішньої або більш повільнішої пам'яті. Така потреба збільшує бітность (ширину) шини адреси пам'яті інструкцій у порівнянні з шиною адреси пам'яті даних.

У чистій архітектурі фон Неймана процесор одномоментно може:
  • або читати інструкцію;
  • або читати/записувати одиницю даних з/в пам'яті.
Те й інше не може відбуватися одночасно, бо інструкції і дані використовують одну і ту ж системну шину. А в комп'ютері з використанням гарвардської архітектури процесор може читати інструкції та виконувати доступ до пам'яті даних в той же самий час, навіть без кеш-пам'яті. Таким чином, комп'ютер з гарвардської архітектурою може бути швидшим (при певної складності схеми), бо доставка інструкцій і доступ до даних не претендують на один і той же канал пам'яті.

Зауважимо: обчислювальна машина гарвардської архітектури має різні адресні простори для команд і даних. Наприклад, нульова адреса інструкцій — це не те саме, що і нульова адреса даних. Більше того, на ці адреси можуть відводити різну кількість бітів. Ві́ктор Миха́йлович Глушко́в на конгресі IFIP (International Federation for Information Processing) виступив з доповіддю про рекурсивну ЕОМ (співавтори В.О. Мясников, М.Б. Ігнатьєв, В.О. Торгашев). Він висловив думку про те, що тільки розробка принципово нової нефонноймановської архітектури обчислювальних систем дозволить вирішити проблему створення суперЕОМ, продуктивність яких збільшується необмежено при нарощуванні апаратних засобів. Ідея побудови рекурсивної ЕОМ, підтриманої потужним математичним апаратом рекурсивних функцій, випередила свій час і залишилася нереалізованою через відсутність необхідної технічної бази.

В кінці 70-х років XX століття В. М. Глушков запропонував принцип макроконвеєрної архітектури ЕОМ з багатьма потоками команд і даних. За сучасною класифікацією — архітектура MIMD (англійською multiple instruction, multiple data — множинний потік команд, множинний потік даних). Розробку макроконвеєрної ЕОМ було виконано в Інституті кібернетики АН України під керівництвом В.М. Глушкова С.Б. Погребинським (головний конструктор), В.С. Михалевичем, О.А. Летичевським, І.М. Молчановим. Машина ЕС–2701 у 1984 р. і обчислювальна система ЕС–1766 у 1987 р. були передані в серійне виробництво на Пензенський завод ЕОМ. На той період це були найпотужніші в СРСР обчислювальні системи з номінальною потужністю понад 109оп./сек. При цьому у багатопроцесорній системі забезпечено майже лінійне зростання продуктивності під час нарощування обчислювальних ресурсів і динамічна реконфігурація. Вони не мали аналогів у світовій практиці і стали оригінальним напрямком розвитку високопродуктивних систем.


Конфігурація комп’ютера  під потребу


Конфігурація ПК — набір складових ПК, призначених до розв'язування певного типу задач (опрацювання офісної документації, робота з графікою тощо).
За призначенням і, відповідно, за конфігурацією розрізняють:
  • сервери;
  • робочі станції широкого та вузького профілю;
  • ПК для ентузіастів;
  • ігрові комп'ютери;
  • мультимедійні комп'ютери;
  • ПК загального призначення (офісні, навчальні);
  • портативні комп'ютери (ноутбуки та нетбуки, планшети);
  • вузькоспеціалізовані системи (у банкоматах, в автоматичних системах, іграшках тощо).
Огляд сучасних комп'ютерних комплектуючих


     У світі є багато питань, на які немає однозначної відповіді. Серед них особливе місце займають відвічні «війни» поміж корпораціями — велетнями комп'ютерної індустрії. Intel® чи AMD, nVidia® чи знову таки AMD Inc. (під брендом Ati™), Microsoft® або Apple Inc. ... Сперечатись можна довго.
     Не прив'язуючись до конкретного виробника, розглянемо, що на сьогодні пропонує нам ринок комп'ютерних комплектуючих і де пролягає золота середина між бажанням кращого та економією.

Центральні процесори
      З процесорного різномаїття 90-х років до наших часів дожили лише двоє виробників центральних процесорів — Intel® та Adwanced Micro Devices Inc. (AMD). Обидва мають повну лінійку сучасних процесорів з інтегрованою графікою, що дозволяє в ряді випадків успішно обійтися без зовнішньої відеокарти.


Лінійка процесорів Intel® складається з чотирьох «родин», розмежованих за призначенням.
— Intel® Core™ i7 — 8-ядерний (4 ядра фізичні, 4 — віртуальні) процесор, розрахований на комп'ютерних ентузіастів, вимогливих гравців та робочі станції (i7−4770, i7−4820K, i7−4960X).
— Intel® Core™ i5 — 4-ядерний (2 ядра фізичні, 2 — віртуальні) процесор, розрахований на комп'ютерні ігри, досить продуктивну роботу з мультимедіа (i5−4440, i5−4570, i5−4670K).
— Intel® Core™ i3 — 4-ядерний (2 ядра фізичні, 2 — віртуальні) процесор, розрахований на невибагливих гравців, любительську обробку фото та відео. (i3−4130, i3−4340).
— Intel® Pentium® — 2-ядерний (2 фізичних ядра) процесор, розрахований на використання в ПК базового та офісного рівня (G3220, G3430).


AMD Inc. на сьогодні представляє дві не пов'язані лінійки процесорів. Лінійка AMD FX — багатоядерні процесори для гравців та невимогливих ентузіастів. Лінійка AMD APU — чотириядерні процесори з вбудованою графікою дл ПК загального призначення.
— AMD A10 APU —4-ядерний процесор, розрахований на комп'ютерні ігри та роботу в невеликих робочих станціях (A10−5700, A10−6700T, A10−6800K).
— AMD A8 APU — дещо простіший 4-ядерний процесор, розрахований на ігри та продуктивну роботу з мультимедіа і графікою (A8−5500, A8−6500T, A8−6600K).
— AMD A6 APU —2/4-ядерний процесор, розрахований на роботу у офісі, з графікою і невибагливі ігри (A6−5400K, A6−6400K).
— AMD A4 APU — 2-ядерний процесор, розрахований на використання у офісних та навчальних системах (A4−4000, A4−5300, A4−6300).

Оперативна пам'ять
     На відміну від процесорів, вся сучасна оперативна пам'ять, представлена виробниками, належить до одного типу — DDR3 і відрізняється лише робочою частотою (швидкодією) та можливістю працювати на підвищеній частоті. Вибір оперативної пам'яті для комп'ютера визначається, насамперед, фінансовими можливостями та довірою до певного виробника.
     Частоти найпоширеніших модулів пам'яті знаходяться у межах 1066−1866МГц. Найпопулярніші на сьогодні виробники — Kingston, Hynix, Crucial (для ігрових систем — Geil та G.Skill).

Материнські плати
     Чи не першим параметром, на який потрібно звертати увагу при виборі комплексу процесор-материнська плата, є тип з'єднання (англійською socket), за допомогою якого процесор кріпиться до плати. Для сучасних процесорів Intel® це Socket LGA1150, для AMD, відповідно Socket FM2(+). 
     Також материнські плати розрізняють за розмірами (форм-фактором):

Користувацькі
E−ATX
XL−ATX
ATX
micro−ATX
mini−ITX
Серверні
SSI MEB
SSI EEB
SSI CEB

  • SSI MEB — 411x330mm
  • SSI EEB / E−ATX — 330x305mm
  • XL−ATX — 345x262mm
  • SSI CEB — 305x267mm
  • ATX — 305x244mm
  • micro−ATX — 244x244mm
  • mini−ITX — 170x170mm



Відеокарти
     На ринку відеоадаптерів представлено продукцію двох виробників графічних процесорів: nVidia® та Ati™, які на сьогодні представляють відеокарти на будь-який смак та об'єм гаманця.
Сучасні лінійки обох виробників виглядають так (за спаданням швидкодії):
nVidia® GeForce:
Ati™ Radeon:

Накопичувачі
     Ще досить недавно наявність у комп'ютері жорсткого диску об'ємом 1ТБ (Терабайт = 1024ГБ, хоча виробники з цим не погоджуються: у них Терабайт означає 1000ГБ) була приводом для законної гордості. Зараз нікого не здивуєш накопичувачем на 3−4ТБ.
     На цьому тлі курс світової спільноти на зменшення об'ємів інформації, що зберігається безпосередньо на ПК і перенесення її до «хмарних» сховищ виглядає дещо дивним. Проте саме така конфігурація (невеликий швидкий накопичувач для ОС та програм і великий об'єм інформації у «хмарі») видається найлогічнішим майбутнім.
     На жаль, швидкі твердотільні накопичувачі коштують досі занадто дорого для повсюдного використання. Тому розглядатимемо невеликого (250−320ГБ) об'єму жорсткі диски.

 — Seagate DB35.4 ST3250310CS
·         Загальний об'єм:250GB
·         Інтерейс підключення:SATA II
·         Форм-фактор:3.5"
·         Частота обертання двигуна:7200 об/хв
·         Розмір буфера:8MB
·         Рівень шуму:28dB

 — WesternDigital Blue WD2500AAKX
·         Загальний об'єм:250GB
·         Інтерейс підключення:SATA rev.3
·         Форм-фактор:3.5"
·         Частота обертання двигуна:7200 об/хв
·         Розмір буфера:16MB
·         Рівень шуму:33dB

 — Hitachi Travelstar Z7K500 HTS725032A7E630
·         Загальний об'єм:320GB
·         Інтерейс підключення:SATA rev.3
·         Форм-фактор:2.5"
·         Частота обертання двигуна:7200 об/хв
·         Розмір буфера:32MB
·         Рівень шуму:24dB

Підбір типової конфігурації
     Настав час визначитись, якого типу конфігурація нас цікавить. Припустимо, що необхідно обладнати робоче місце для учня на олімпіаді з комп'ютерної графіки, затративши мінімум ресурсів.
      Виходячи з таких вимог, відразу відкидаємо зовнішню відеокарту, недешеві процесори верхнього рівня, повноформатні та спеціалізовані материнські плати і твердотільні (SSD) накопичувачі. Таким чином, такий комп'ютер матиме двоядерний процесор з інтегрованим відео на материнській платі форм-фактора Micro ATX, 4−8ГБ оперативної пам'яті та жорсткий диск на 250−320ГБ. Живитиметься ПК від джерела 300−400Вт.
     Розглянувши всі фактори, для нашої задачі видаються оптимальними наступні конфігурації (станом на початок квітня 2014 року):
Конфігурація I
(Intel Haswell — s1150)
·         CPU — Intel Pentium DualCore G3220
·         MB — ASUS H81M−E
·         RAM — Hynix 4GB DDR3 1333MHz
·         HDD — Seagate Barracuda 7200.14 250GB
·         Power — Chieftec iARENA GPA−400S (400W)
·         Case — Chieftec Libra LT−01B−OP
·         Ціна — $ 283
Конфігурація II
(AMD Richland — FM2)
·         CPU — AMD A4−6300
·         MB — ASUS A55BM−E
·         RAM — Hynix 4GB DDR3 1333MHz
·         HDD — Seagate Barracuda 7200.14 250GB
·         Power — Chieftec iARENA GPA−400S (400W)
·         Case — Chieftec Libra LT−01B−OP
·         Ціна — $ 274
Конфігурація III
(Intel Ivy Bridge — s1155)
·         CPU — Intel Celeron G1610
·         MB — ASRock H61M−GS
·         RAM — Hynix 4GB DDR3 1333MHz
·         HDD — Seagate DB35.4 250GB
·         Power — FSP ATX−300PNR (300W)
·         Case — LogicPower 4409
·         Ціна — $ 224
Конфігурація IV
(AMD Llano — FM1)
·         CPU — AMD A4−3400
·         MB — MSI A55M−P33
·         RAM — Hynix 4GB DDR3 1333MHz
·         HDD — Seagate DB35.4 250GB
·         Power — FSP ATX−300PNR (300W)
·         Case — LogicPower 4409
·         Ціна — $ 225

Обгрунтування вибору комплектуючих
     Підібрані конфігурації утворили дві групи за вартістю. Перша група представлена конфігураціями з орієнтовною вартістю близько $ 300 і є оптимальною з точки зору далекоглядності: її можна використовувати без змін протягом 5−10 років. Інша група з орієнтовною вартістю біля $ 220 виправдана лише у випадку підвищеної економії.
     Вибір процесора для кожної з конфігурацій зроблено на базі аналізу тестів та оглядів авторитетних інтернет-джерел (Overclockers.ru, EasyCOM, tom's HARDWARE), з урахуванням якості вбудованого графічного ядра та вартості кінцевого рішення.
     Як можна помітити, оперативна пам'ять для всіх конфігурацій обрана одна й та сама. Це пов'язано з тим, що її вартість майже не залежить як від виробника, так і від якості. В основному більш дешеві модулі є неякісними підробками, а більш дорогі — продуктами для ентузіастів. Вибір материнських плат для всіх конфігурацій обумовлено співвідношенням ціна/якість (конкретні виробник і модель в даному ціновому діапазоні не мають великого значення).
     Обрані накопичувачі (жорсткі диски) в обох групах конфігурацій мають мінімальну для нових накопичувачів на сьогодні ємність і характеризуються непоганим сполученням ціни і швидкодії.
      Обрані «коробки» для ПК характеризуються непоганою міцністю (критично для шкіл) і відсутністю у комплекті дешевого «китайського» блоку живлення, оскільки міняти комплектуючі, які вийдуть з ладу через неякісне живлення, вийде набагато дорожче. Відповідно обрані блоки живлення — розумний компроміс між якістю та ціною.

Комментариев нет:

Отправить комментарий

Подписаться на: Сообщения (Atom)