Energy
education

сайт для тех, кто хочет изучать энергетику

Информационные технологии

PC

Теория вычислительных устройств

Компьютер — устройство или система, способное выполнять заданную чётко определённую изменяемую последовательность операций. Это чаще всего операции численных расчётов и манипулирования данными, однако сюда относятся и операции ввода-вывода.

2. Комплектующие к персональным компьютерам

Корпус, защищающий внутренние компоненты компьютера от внешнего воздействия и механических повреждений, поддерживающий необходимый температурный режим внутри, экранирующий создаваемое внутренними компонентами электромагнитное излучение, может быть представлен различными по форме и пропорциям стандартными шасси (размеры указаны в миллиметрах):

Горизонтальные:

  • Desktop (533 × 419 × 152)
  • FootPrint (406 × 406 × 152)
  • SlimLine (406 × 406 × 101)
  • UltraSlimLine (381 × 352 × 75)

Вертикальные:

  • MiniTower (152 × 432 × 432)
  • MidiTower (173 × 432 × 490)
  • BigTower (190 × 482 × 820)
  • SuperFullTower (разные размеры)

Для установки в стойку, высота корпуса выбирается исходя из стоечной единицы измерения.

Шасси для системных блоков массово изготавливают заводским способом из деталей на основе стали, алюминия и пластика. Для самобытной отделки энтузиасты широко используют такие материалы, как древесина или органическое стекло.

Если рассматривать обычный персональный компьютер, то открыв боковую дверцу можно увидеть весь набор необходимых компонентов.

Системный блок.
Системный блок.
Набор комплектующих для персонального компьютера.
Набор комплектующих для персонального компьютера.

Рассмотрим поэлементно, что находится внутри:

Материнская (системная) плата. Главная плата, к которой подсоединяются остальные компоненты компьютера. Без нее работать ничего не будет, т.к. именно она обеспечивает связь между всеми устройствами – отсюда и название. В качестве основных (несъёмных) частей материнская плата имеет разъём процессора, микросхемы чипсета, загрузочного ПЗУ, контроллеров шин и интерфейсов ввода-вывода и периферийных устройств. ОЗУ в виде модулей памяти устанавливаются в специально предназначенные разъёмы; в слоты расширения устанавливаются карты расширения.

Рассмотрим некоторые из них:

PCI разъемы.
PCI разъемы.

Разъемы – «слоты» PCI – Долгое время являлись стандартом для подключения видео, звуковых и сетевых карт; TV-тюнера; Wi-Fi-адаптера. Однако со временем появились более новые и быстрые шины PCI-Express. В настоящее время интерфейс контроллеров PCI полностью вытесняется своим последователем и более скоростным усовершенствованным типом разъемов PCI-Express.

Для жестких дисков и DVD/CD приводов предназначены разъемы SATA и IDE (ATA).

SATA разъемы.
SATA разъемы.

В настоящее время интерфейс контроллеров ATA (IDE) полностью вытесняется своим последователем и более скоростным усовершенствованным типом разъемов SATA.

Для закрепления процессора на материнской плате существует специальный разъем – сокет.

Сокет.
Сокет.

Центральный процессор (ЦП; также центральное процессорное устройство – ЦПУ; англ. central processing unit, CPU, дословно – центральное обрабатывающее устройство) – электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.

Процессор.
Процессор.

Главными характеристиками ЦПУ являются:

  • Частота процессора – количество элементарных операций, которые процессор может выполнить в течение секунды. Для ЦПУ значение измеряются в гигагерцах (ГГц).
  • Системная шина (FSB) – канал по которому процессор соединен с другими устройствами компьютера.
  • Кеш-память – это быстродействующая память, которая хранит информацию из оперативной памяти, для более быстрого доступа к ней.
  • Сокет – разъём, в который помещается процессор.
  • Разрядность. Когда говорят о разрядности процессора х64, это значит, что он имеет 64-разрядную шину данных, и 64 бита он обрабатывает за один такт.
  • Количество ядер и техпроцесс – это масштаб технологии, которая определяет размеры полупроводниковых элементов, составляющих основу внутренних цепей полупроводниковых изделий.

Оперативная память компьютера (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) – одна из составных частей памяти компьютера, где временно размещаются данные и команды, которые нужны центральному процессору для осуществления ряда операций. Данные в процессор передаются либо через кэш-память, либо непосредственно. Оперативная память – это временное хранение информации и после перезагрузки или выключения компьютера, все не сохраненные данные, находящиеся в ней, будут удалены.

Оперативная память.
Оперативная память.

Основные характеристики:

  • Тактовая частота работы – этот параметр, показывающий рабочую частоту обмена данными памяти с процессором. Единица измерения – МГц.
  • Объем – характеристика, которая указывает на физический объем памяти ОЗУ для архива данных. Измеряется в Гб.
  • Тип памяти. Тип ОЗУ, должен совмещаться с типом, поддерживаемым материнской платой.
  • Рабочее напряжение – величина, показывающая номинальное напряжение на ОЗУ. Все напряжения стандартны для определенного типа памяти (они прописаны в материнской плате в BIOS). Если оперативная память имеет несходное от стандартного напряжение, то нужно записать данный параметр ручным методом, изменяя отвечающую строку в меню BIOS.
  • Задержки (тайминги) – это временные интервалы, которые нужны для записи, обнуления, перезаписи памяти. Более производительные модули памяти, у которых задержки наименьшие.

Накопитель на жёстких магнитных дисках (англ. hard (magnetic) disk drive, HDD) технически представляет собой устройство записи и хранения информации основанное на принципе магнитной записи. Информация записывается на круглые жесткие диски (пластины или блины) покрытые слоем ферромагнитного материала и расположенные на одной оси привода. Чтение и запись данных осуществляется с помощью подвижных считывающих головок. Принцип напоминает проигрыватель на виниловых пластинках, однако в жестком диске считывающие головки не касаются поверхности пластин, в отличие от иглы проигрывателя. В рабочем положении они парят над поверхностью пластин на высоте нескольких нанометров за счет потока набегающего воздуха от быстрого вращения пластин. В выключенном состоянии, головки располагаются в парковочной зоне, чтобы исключить случайное взаимное повреждение деталей от сотрясения винчестера.

Наличие подвижных механических частей несколько снижает надежность устройства, однако отсутствие прямого механического контакта между подвижными деталями компенсирует этот недостаток и обеспечивает надежность и большой ресурс работы винчестеров. Помимо пластин, привода и считывающих головок в одном корпусе с ними располагается управляющая электроника.

Подвижная головка состоит из двух частей: головка чтения и головка записи. В зависимости от необходимой в данный момент времени операции, используется нужная головка. Количество пластин в корпусе жесткого диска может быть различно и зависит от его емкости и примененных технологий записи. Меньшее количество пластин уменьшает энергопотребление, снижает количество подвижных частей, улучшает температурный режим работы накопителя, что положительно сказывается на его надежности и долговечности. Правда это все в теории, а на практике, каждый конкретный экземпляр индивидуален и утверждать, что накопитель с четырьмя пластинами хуже, чем с двумя неверно.

Чтобы на пластины можно было записывать информацию, их поверхность разбивают на дорожки – концентрические кольцевые области. Все дорожки на всех пластинах HDD находящиеся на одинаковом расстоянии от центра называются цилиндр. В свою очередь, дорожки делятся на равные отрезки называемые секторами. Из объединения соседних секторов в группу образуется кластер. Кластер – минимальная логическая ячейка для хранения информации на жестком диске компьютера. В настоящее время стандартным является кластер размером 4 096 байт, состоящий из восьми секторов по 512 байт каждый.

В двух словах принцип записи информации выглядит следующем образом. Пластины жесткого диска вращаются с большой скоростью (обычно 5 400 или 7 200 об/мин для персональных компьютеров), а головки парят над ними. При подаче на головку переменного электрического тока возникает переменное магнитное поле изменяющее направление вектора намагниченности доменов находящихся под головкой в данный момент в зависимости от величины сигнала. Другими словами происходит заполнение пластин логическими нулями и единицами или процесс записи. Чтение данных с поверхности пластин происходит в обратном порядке, перемещение намагниченных доменов под считывающей головкой приводит появлению переменного электрического сигнала в катушке головки под влиянием эффекта электромагнитной индукции.

Накопитель на жёстких магнитных дисках.
Накопитель на жёстких магнитных дисках.

Основные характеристики жестких дисков:

  • Форм-фактор – определяет ширину жесткого диска в дюймах. Стандартным для настольных компьютеров является 3.5 дюйма и 2.5 для ноутбуков.
  • Интерфейс – обеспечивает взаимодействие жесткого диска с материнской платой компьютера. В дисках предназначенных для установки внутри персональных компьютеров используется интерфейс SATA разных версий. Основное различие в скорости передачи данных: Revision 1.0 до 1,5 Гбит/с, Revision 2.0 до 3 Гбит/с (SATA/300), Revision 3.0 до 6 Гбит/с (SATA/600). Винчестеры с интерфейсом PATA (IDE) почти вышли из употребления и используются только со старым оборудованием.
  • Емкость – максимальное количество информации, которое может хранить жесткий диск, измеряется в гигабайтах. Поскольку производители приравнивают один килобайт к тысяче байт (на самом деле 1 Кбайт = 1 024 байт), то жесткий диск маркированный как 500 ГБ имеет реальную емкость 465.7 ГБ.
  • Скорость вращения шпинделя – количество оборот шпинделя в минуту. Имеет стандартные скорости, в настольных компьютерах обычно 5 400 или 7 200 об/мин, а в ноутбуках 4 500 или 5 400 об/мин. В жестких дисках для серверов скорость вращения обычно составляет 10 000 или 15 000 об/мин. Чем больше скорость вращения, тем меньше время доступа к информации.
  • Объем буфера – специальная высокопроизводительная память, встроенная в жесткий диск служащая для ускорения работы накопителя и сглаживания разницы в скоростях чтения/записи и передачи.
  • Время произвольного доступа – определяет усредненное количество времени, требуемое головке для позиционирования на произвольном участке пластины. Непостоянная величина, зависящая от начального и конечного положения головки и места позиционирования. Чем меньше данный показатель, тем быстрее диск способен отдавать запрошенную информацию.
  • Время наработки на отказ – среднее время безотказной работы, рассчитанное производителем. Является аналогом параметра надежность и соответственно, чем оно больше, тем лучше.
  • Ударостойкость – способность винчестера безболезненно переносить удары и резкую смену давления. Измеряется в единицах допустимой перегрузки, раздельно для включенного и выключенного состояния. Чем больше ударостойкость, тем лучше. Более актуально для ноутбуков и переносных винчестеров.
  • Уровень шума – шум, производимый жестким диском во время работы, измеряется в децибелах. Включает в себя шум вращающихся пластин, аэродинамический и шум перемещающихся головок.

Стоит отметить, что сейчас активно развивается технология твердотельных накопителей (SSD). Так же используется для долговременного хранения информации в компьютере, но в них используются микросхемы памяти и отсутствуют движущиеся части. Кроме этого, есть гибридные жесткие диски, сочетающие в одном устройстве традиционный жесткий диск и SSD маленького объема для кэша.

Графический адаптер это устройство с графическим процессором. Современная видеокарта является своего рода специализированным компьютером, состоящим из собственного процессора, оперативной памяти, BIOS и прочих компонентов, по своей структуре и организации взаимодействия приспособленных для максимально эффективного решения одной задачи – обработки и формирования графических данных, а также их вывода на монитор. Все современные видеокарты Nvidia и AMD осуществляют рендеринг графического конвейера OpenGL и DirectX на аппаратном уровне. В последнее время также имеет место тенденция использовать вычислительные возможности графического процессора для решения неграфических задач.

Обычно видеокарта выполнена в виде печатной платы (плата расширения) и вставляется в разъём расширения, универсальный либо специализированный (PCI Express).

Графический адаптер.
Графический адаптер.

Основные характеристики видеокарт, влияющие на их производительность:

  • Тактовая частота видеочипа. Рабочая частота GPU обычно измеряется в мегагерцах, т. е. миллионах тактов в секунду. Эта характеристика прямо влияет на производительность видеочипа – чем она выше, тем больший объем работы GPU может выполнить в единицу времени, обработать большее количество вершин и пикселей. Пример из реальной жизни: частота видеочипа, установленного на плате Radeon HD 6670 равна 840 МГц, а точно такой же чип в модели Radeon HD 6570 работает на частоте в 650 МГц. Соответственно будут отличаться и все основные характеристики производительности. Но далеко не только рабочая частота чипа определяет производительность, на его скорость сильно влияет и сама графическая архитектура: устройство и количество исполнительных блоков, их характеристики и т. п. В некоторых случаях тактовая частота отдельных блоков GPU отличается от частоты работы остального чипа. То есть, разные части GPU работают на разных частотах, и сделано это для увеличения эффективности, ведь некоторые блоки способны работать на повышенных частотах, а другие – нет. Такими GPU комплектуется большинство видеокарт GeForce от NVIDIA. Из свежих примеров приведём видеочип в модели GTX 580, большая часть которого работает на частоте 772 МГц, а универсальные вычислительные блоки чипа имеют повышенную вдвое частоту – 1544 МГц.
  • Количество вычислительных (шейдерных) блоков или процессоров. В настоящее время эти блоки – главные части видеочипа. Они выполняют специальные программы, известные как шейдеры. Причём, если раньше пиксельные шейдеры выполняли блоки пиксельных шейдеров, а вершинные – вершинные блоки, то с некоторого времени графические архитектуры были унифицированы, и эти универсальные вычислительные блоки стали заниматься различными расчётами: вершинными, пиксельными, геометрическими и даже универсальными вычислениями. По числу вычислительных блоков и их частоте можно сравнивать математическую производительность разных видеокарт.
  • Объём видеопамяти. Собственная память используется видеочипами для хранения необходимых данных: текстур, вершин, данных буферов и т. п. Казалось бы, что чем её больше – тем всегда лучше. Но не всё так просто, оценка мощности видеокарты по объему видеопамяти – это наиболее распространенная ошибка! Значение объёма видеопамяти неопытные пользователи переоценивают чаще всего, до сих пор используя именно его для сравнения разных моделей видеокарт. Оно и понятно – этот параметр указывается в списках характеристик готовых систем одним из первых, да и на коробках видеокарт его пишут крупным шрифтом. Поэтому неискушённому покупателю кажется, что раз памяти в два раза больше, то и скорость у такого решения должна быть в два раза выше. Реальность же от этого мифа отличается тем, что рост производительности происходит лишь до определенного объёма, а после его достижения попросту останавливается.
  • Ширина шины памяти является важнейшей характеристикой, влияющей на пропускную способность памяти. Большая ширина позволяет передавать большее количество информации из видеопамяти в GPU и обратно в единицу времени, что положительно влияет на производительность в большинстве случаев. Теоретически, по 256-битной шине можно передать в два раза больше данных за такт, чем по 128-битной. На практике разница в скорости рендеринга хоть и не достигает двух раз, но весьма близка к этому во многих случаях с упором в пропускную способность видеопамяти. Современные игровые видеокарты используют разную ширину шины: от 64 до 384 бит (ранее были чипы и с 512-битной шиной), в зависимости от ценового диапазона и времени выпуска конкретной модели GPU. Ширина шины уже не может расти чисто из-за физических ограничений – размер кристалла GPU недостаточен для разводки более чем 512-битной шины, и это обходится слишком дорого.
  • Частота видеопамяти. Ещё одним параметром, влияющим на пропускную способность памяти, является её тактовая частота.
  • Тип разъемов.

Блок питания. То, без чего компьютер не сможет включиться. Питает электричеством материнскую плату со всеми подключенными к ней компонентами, а также жесткий диск, DVD привод и систему охлаждения. Мощность блока питания необходимо рассчитывать исходя из количества устройств и их потребления электричества.

Блок питания.
Блок питания.

Основные характеристики:

  • Мощность. Для современных блоков питания составляем от 400 до 1200 Вт.
  • Качество стабилизации. Отклонение напряжения не должно превышать 5%, таким образом, норма для линии 12 В лежит в пределах 11.4 – 12.6 В.
  • Уровень шума, который должен уложиться в норматив 50 дБ при рекомендованной максимальной нагрузке.
  • КПД. Блоки питания с энергоэффективностью не менее 80 % при нагрузке в 20 %, 50 % и 100 %, а также коэффициентом мощности при 100 % нагрузке не менее 0.9 сертифицируются по стандарту 80 PLUS.