Состав вычислительной системы

Состав вычислительной системы называется конфигурацией. Аппаратные и программные средства вычислительной техники принято рассматривать отдельно. Соответственно, отдельно рассматривают аппаратную конфигурацию вычислительных систем и их программную конфигурацию. Такой принцип разделения имеет для информатики особое значение, поскольку очень часто решение одних и тех же задач может обеспечиваться как аппаратными, так и программными средствами. Критериями выбора аппаратного или программного решения являются производительность и эффективность. Обычно принято считать, что аппаратные решения в среднем оказываются дороже, зато реализация программных решений требует более высокой квалификации персонала.

Аппаратное обеспечение

К аппаратному обеспечению вычислительных систем относятся устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию. Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно-модульную конструкцию — аппаратную конфигурацию, необходимую для исполнения конкретных видов работ, можно собирать из готовых узлов и блоков.

Программное обеспечение

Программы — это упорядоченные последовательности команд. Конечная цель любой компьютерной программы — управление аппаратными средствами. Даже если на первый взгляд программа никак не взаимодействует с оборудованием, не требует никакого ввода данных с устройств ввода и не осуществляет вывод данных на устройства вывода, все равно ее работа основана на управлении аппаратными устройствами компьютера.

Состав персонального компьютера

Персональный компьютер (ПК) как промышленное изделие состоит из нескольких агрегатов (блоков), связанных соединительными кабелями. Номенклатура блоков может варьироваться, но в минимальный комплект поставки входят: системный блок, клавиатура, монитор и, как правило, манипулятор «мышь».

Системный блок

Системный блок стационарного ПК представляет собой прямоугольный каркас, в котором размещены все основные узлы компьютера: материнская плата, адаптеры, блок питания, 1-2 дисковода для гибких магнитных дисков (НГМД), один (значительно реже — два) дисковод на жестком магнитном диске (НЖМД), в просторечии называемый «винчестер», динамик, органы управления (выключатель электропитания, кнопка общего сброса, индикаторы питания и режимов работы), иногда - дисковод оптических дисков и довольно часто — дисковод для компакт-дисков. С тыльной стороны системного блока видны штепсельные разъемы для подключения шнуров питания и кабелей связи с внешними (то есть устанавливаемыми вне системного блока) устройствами. Внутрь системного блока устанавливаются платы сопряжения устройств с центральным процессором (адаптеры, или контроллеры, о которых сказано ниже) и платы расширения, то есть электронные устройства, которые отсутствуют в первоначальной комплектации машины и приобретаются позже для увеличения ее мощности или расширения функциональных возможностей. Каркас накрывается крышкой или кожухом.

Материнская (системная) плата

Так называют большую печатную плату одного из стандартных габаритов, которая несет на себе главные компоненты компьютерной системы: центральный микропроцессор, оперативную память, микросхемы поддержки, центральную магистраль, или шину, контроллер шины и несколько разъемов-гнезд. Последние (часто их называют слотами, от английского slot — щель) служат для подключения к материнской плате других плат (контроллеры, платы расширения и др.). Часть слотов в исходной комплектации ПК остаются свободными. Кроме того, на материнской плате находятся миниатюрные переключатели, с помощью которых производится настройка электрической схемы платы.

На системной плате расположены также соединители, к которым с помощью специальных кабелей подключаются дополнительные устройства.

Микропроцессор представляет собой, по существу, миниатюрную вычислительную машину, размещенную в одной сверхбольшой интегральной схеме (СБИС). На одном кристалле сверхчистого кремния с помощью сложного, многоступенчатого и высокоточного технологического процесса создано несколько миллионов транзисторов и других схемных элементов, соединительные провода и точки подключения внешних выводов.

Основными параметрами микропроцессоров являются: набор выполняемых команд, разрядность, тактовая частота. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет в одну секунду. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (1 МГц = 1 000000 Гц). Разрядность показывает, сколько двоичных разрядов (битов) информации обрабатывается (или передается) за одни такт, а также — сколько двоичных разрядов может быть использовано в процессоре для адресации оперативной памяти. На современные высокоскоростные микропроцессоры устанавливается вентилятор (размером со спичечную коробку), необходимый для охлаждения.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), или оперативная память (по-английски RAM, Random Access Memory, память с произвольным доступом, то есть возможны и чтение, и запись) также реализована на СБИС. Скорость доступа, то есть время, необходимое для считывания данных из ОЗУ или записи их туда, у современных ОЗУ составляет около 60 нс (60х10^-9 с). Существуют два типа СБИС памяти: статическая и динамическая. Данные в этой памяти стираются после выключения или перезагрузки компьютера.

Конструктивно современная СБИС ОЗУ (например, SIMM, single in-line memory module) представляет собой небольшую печатную плату с размещенными на ней микросхемами. В последнее время в основном применяются 72-контактные (72-pin) 36-битовые модули (32 бита — длина слова из четырех байт плюс по биту контроля четности на каждый байт).

Кроме ОЗУ, в современных ПК обязательно присутствует и так называемая сверхоперативная память (ее называют еще кэш-памятью, от английского cache). Она предназначена для согласования скорости работы медленных устройств с более быстрыми, например микропроцессора динамической памяти.

Кэш-память бывает двух уровней: кэш-память первого уровня встраивается непосредственно в микропроцессор; кэш-память второго уровня размером до 512 Кбайт (и более) устанавливается (как правило) на системной плате.

Системная магистраль данных (системная шина) — это группа электрических соединений (проводников) для передачи данных, адресов и сигналов между различными компонентами компьютера. Для обеспечения взаимозаменяемости устройств, изготавливаемых разными производителями, количество, назначение и размещение этих проводников стандартизовано. В подавляющем большинстве IBM-совместимых компьютеров системные шины изготовлены по стандарту ISA (Industry Standard Architecture, стандартная индустриальная архитектура). Согласно ему шина имеет 16 линий для передачи данных, 24 линии для передачи адреса, 15 линий для аппаратных прерываний и 7 линий для организации так называемого прямого доступа в память. Кроме того, несколько проводников отведены для разводки электропитания и служебных сигналов.

Промежуточный уровень между шиной микропроцессора и системной шиной ISA занимают так называемые mezzanine-шины, то есть шины-«пристройки». Они не зависят от типа основного процессора и его тактовой частоты. Одним из стандартов на такие шины является PCI (Peripheral Component Interconnect, связь периферийных компонентов).

Еще один важный элемент из числа устанавливаемых на системной плате — это микросхема BIOS (Basic Input-Output System, базовая система ввода-вывода). Она представляет собой энергонезависимое постоянное запоминающее устройство, в которое записаны программы, реализующие функции ввода-вывода, а также программа тестирования компьютера в момент включения питания (POST, Power-On-Self-Test) и ряд других специальных программ.

В своей работе BIOS опирается на сведения об аппаратной конфигурации компьютера, которые хранит еще одна микросхема — CMOS RAM (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor RAM). Это энергозависимая память, постоянно подпитывается от батарейки, которая тоже находится на системной плате. Та же батарейка питает и схему кварцевых часов, непрерывно отсчитывающих время и текущую дату.