Архитектура персонального компьютера

Классификация современных компьютеров
Персональные компьютеры
Стационарные
Портативные
Серверы
Суперкомпьютеры
Компьютер — устройство для поиска, сбора, хранения, преобразования и использования информации в цифровом формате.
Архитектура компьютера – общая схема построения компьютера с учетом взаимосвязей между его аппаратными и программными средствами

Десктоп
Десктоп (англ. Desktop («поверхность стола») computer – компьютер на рабочий стол) – стационарный персональный компьютер, предназначенный для работы в офисе или в домашних условиях. Связка: системный блок, монитор, манипулятор (клавиатура, мышь)

Неттоп
Неттоп (англ. Nettop бытовой электронный прибор с управлением через компьютерную сеть) – небольшой по размерам своего системного блока настольный персональный компьютер.
Неттоп - миниатюрный сетевой ноутбук для работы с не слишком ресурсоемкими приложениями.

Моноблок
Моноблок (греч. μονος - один) – объединяет монитор и системный блок в одном корпусе, применяется для уменьшения занимаемой оборудованием площади и придания более эстетичного вида.

Ноутбук
Ноутбук (англ. notebook - блокнот) или лэптоп (англ. lap - колени, top - верх ) – портативный персональный компьютер, в корпусе которого объединены дисплей, клавиатура и устройство указания (обычно сенсорная панель, или
тачпад), а также аккумуляторные батареи. Альтернатива стационарным компьютерам в малом офисе

Нетбук
Нетбук (англ. Netbook, net - сеть, book - книга) – ноутбук с относительно невысокой производительностью: выход в Интернет, работа с повседневными приложениями, воспроизведение медиаконтента. Обладает небольшой диагональю экрана в 7-12 дюймов, низким энергопотреблением, небольшим весом и относительно невысокой стоимостью.

Субноутбук
Субноутбук (англ. Subnotebook),или ультрапортативный (англ. ultraportable) ноутбук, обладающий маленьким размером и массой и большей частью характерных черт обычного ноутбука.

Ультрабук
Ультрабук (англ. Ultrabook) – ультратонкий и легкий ноутбук, обладающий ещё меньшими габаритами и весом по сравнению с обычными ноутбуками, но при этом большей частью характерных черт полноценного ноутбука.

Смартбук
Смартбук (англ. Smartbook от smartphone - умный телефон и notebook - блокнот) или КПК (карманный ПК) небольшой ноутбук, построенный на аппаратной платформе того же класса, которая используется для смартфонов и планшетных компьютеров.

Планшет
Планшетный компьютер (англ. Tablet computer или же электронный планшет) – персональная электронно-вычислительная машина без отдельного системного блока и без клавиатуры и мыши с ограниченными функциями. Планшетным компьютером можно управлять прикосновениями руки или стилуса (ручка со специальным силиконовым наконечником).

Сервер
Сервер - служебное оборудование или программно- аппаратное устройство, которое принимает и отвечает на запросы, сделанные по компьютерной сети (предоставляет множеству компьютеров доступ к файлам, программам, ресурсам принтеров и сканеров и т.д. Хранит всю информацию централизовано в одном месте, и позволяет обеспечить ее безопасность и сохранность. От него зависит работа всех пользователей работающих на сервере через свои персональные компьютерные.

Классификация серверов по назначению
Сервер рабочей группы- аппаратно-программный комплекс начального уровня преимущественно с одним процессором, который небольшие компании, организации, предприятия располагают прямо в своем офисе, так как нет возможности подыскать специальное место.
Сервер контроллер домена-машина нужна для централизованного управления сетевыми ресурсами и файлами организации, когда количество рабочего персонала перевалило за двадцатку.
Прокси сервер-безопасная работа офисного персонала компании или организации в сети интернет обеспечена данным типом серверного устройства. Все или избранные компьютеры офиса имеют доступ к интернету.
Сервер электронной почты-машина работает с почтовыми приложениями, обрабатывает информацию. Обычно устанавливают серверы компании, у которых в штате числится около 40 сотрудников максимум. Обеспечивает централизованное управление перепиской внутри сети, внешней корреспонденцией. Узел отлично справляется и с такой функцией, как управление документооборотом.
Веб сервер-многие фирмы, компании, организации имеют в интернет пространстве визитную карточку – сайты, на которых они позиционируют свои услуги, возможности. Одни сайты просто информационные – рассказывают о компании, ее продукции. Другие – построены по принципу интернет-магазинов, чтобы не только демонстрировать продукцию, но еще ее и продавать. Такие сайты сложные: с онлайн-каталогами, порталом, позволяют потенциальным клиентам моментально отреагировать на их предложение и сделать заказ. Поэтому от того, как слаженно работают web службы, зависит развитие и существование бизнес процессов организаций. В данном случае речь идет о web сервере.

Терминальный сервер
Обеспечивает естественный доступ через интернет к рабочим ресурсам сотрудникам, которые работают из дома, во время путешествий и командировок. Серверы обеспечивают нормальное и качественное функционирование удаленных офисов. Связь безопасная и надежная за счет передачи зашифрованных данных. Информация доступна пользователю в любой точке мира, главное, чтобы был интернет.
Сервер базы данных
С данным типом устройств есть возможность обрабатывать данные, которые хранятся совместно, при этом по правилам структурированные и организованные.
Файловый сервер
Программно-аппаратный комплекс организовывает и структурирует хранение данных пользователей.
Принт-серверы
Устройства этого вида дают возможность всем компьютерам в «локалке» печатать документацию на печатном оборудовании общего назначения, доступного всем. Печатных устройств зачастую больше одного. Такой подход удобен, ведь реально сократить финансовые расходы в компании, избежать покупки принтера для каждого ПК.
Облачный сервер
Система облачного сервиса состоит из сложной сети, в которой удаленно хранятся ресурсы принадлежащие пользователям. Сегодня не обязательно хранить файлы на винчестере, у вас есть возможность для их размещения на удаленном, облачном сервисе. Вы можете пользоваться ими в любое время, не завися от своего места пребывания, самое главное, иметь доступ к интернету.

Суперкомпьютер
Современные суперкомпьютеры представляют собой большое число высокопроизводительных серверных компьютеров, соединённых друг с другом локальной высокоскоростной магистралью для достижения максимальной производительности.
https://www.youtube.com/hashtag/%D0%BA%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%84%D0%B0%D1%80%D0%B8
«Сбербанк» создал самый мощный компьютер в России Кристофари

Fugaku
9 марта 2021 года состоялся полномасштабный запуск самого мощного в мире суперкомпьютера. Вычислительная система под названием Fugaku, разработкой которого с 2014 года занимались Fujitsu и Научно-исследовательский институт Японии RIKEN, способна выполнять более 442 квадриллионов вычислений в секунду.
Это примерно в 2,8 раза превышает скорость суперкомпьютера SummitЭто примерно в 2,8 раза превышает скорость суперкомпьютера Summit из Национальной лаборатории СШАЭто примерно в 2,8 раза превышает скорость суперкомпьютера Summit из Национальной лаборатории США в Ок-Ридже (штат Теннесси), который ранее занимал первое место в рейтинге, а теперь опустился на вторую строчку. На третьем месте также находится американскийЭто примерно в 2,8 раза превышает скорость суперкомпьютера Summit из Национальной лаборатории США в Ок-Ридже (штат Теннесси), который ранее занимал первое место в рейтинге, а теперь опустился на вторую строчку. На третьем месте также находится американский суперкомпьютер, а четвертую и пятую позиции занимают машины из Китая.
С помощью устройства будут решать научные задачи, открывать лекарства и изучать COVID-19.
Самый быстрый суперкомпьютер в мире. FUGAKU
https://www.youtube.com/hashtag/%D1%81%D1%83%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%B5%D1%80

данных
адреса
управления
Шина
Устройство ввода
Устройство вывода
Устройство вывода
Устройство ввода
Внешнее запоминающее устройство
Внешнее запоминающее устройство
К
К
К
К
К
К
Центральный процессор
Память
Видеопамять
…
…
…
Используется для передачи данных к функциональным блокам
Предназначена для передачи адресов устройств, которым передаются данные
Используется для передачи управляющих сигналов, которые синхронизируют работу устройств
МАГИСТРАЛЬНО-МОДУЛЬНОЕ ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ КОМПЬЮТЕРА

Магистраль (Шина) - это общий путь, по которому информация передается от одного компонента к другому.
Магистраль (системная шина) включает в себя:
Шину данных – передает обрабатываемую информацию. (По размеру данных, которые можно передать за один раз такие шины делятся на 8, 16, 32 и даже 64 битные);
Шину адреса передает адреса памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор (позволяют записывать и читать данные из оперативной памяти);
Шину управления – по ней передаются управляющие сигналы.
Упрощенно системную шину можно представить как группу кабелей и электрических (токопроводящих) линий на системной плате.

Контроллеры. Это системные платы, которые располагаются между системной шиной и периферийными устройствами, вставляются в разъемы (слоты) на материнской плате, а к их портам подключаются дополнительные устройства (дисководы, принтеры и т.д.)

Чипсет
Чипсет —набор микросхем, который связывает память, процессор, видеоадаптер, устройства ввода/вывода и другие элементы ПК для выполнения совместных функций.
Контроллер-концентратор памяти (северный мост)
Контроллер-концентратор ввода/вывода (южный мост)
Раньше компьютер имел до 2-х сотен микросхем на материнской плате. Современные компьютеры содержат две основные большие микросхемы чипсета:
контроллер-концентратор памяти или Северный мост (North Bridge), который обеспечивает работу процессора с памятью и с видеоподсистемой;
контроллер-концентратор ввода-вывода или Южный мост (South Bridge), обеспечивающий работу с внешними устройствами.

Схема архитектуры ПК
Процессор
Северный мост
Южный мост
Оперативная память
Жёсткие диски
CD-дисководы
DVD-дисководы
Принтер
Сканер
Цифровая фотокамера
Web-камера
Модем
Клавиатура
Мышь
Видеоплата
Монитор
Проектор
Шина памяти
USB
SATA
PCI Express

Пропускная способность шины
(скорость передачи данных)
Быстродействие устройства зависит от тактовой частоты тактового генератора (измеряется в МГц) и разрядности, т.е. количества битов данных, которое устройство может обработать или передать одновременно (измеряется в битах).
Пропускная способность шины =
= разрядность шины(измеряется в битах) x частота шины(измеряется в Гц = 1/с)
Единица измерения бит/с

Шина PCI Express
Шина PCI Express– производит обмен данными между северным мостом и видеоплатой (PCI Express- ускоренная шина взаимодействия периферийных устройств)
Пропускная способность шины =32Гбайт/с

Шина SATA
Шина SATA– подключаются устройства внешней памяти к южному мосту (SATA- последовательная шина подключения накопителей)
Пропускная способность шины =300 Мбайт/с
Шина USB
Шина USB– для подключения принтеров, сканеров, цифровых камер и др. периферийных устройств (USB – универсальная последовательная шина)
Пропускная способность шины =60 Мбайт/с

Минимальный состав компьютера
СИСТЕМНЫЙ БЛОК
МОНИТОР
МЫШЬ
КЛАВИАТУРА

Устройство системного блока
https://www.youtube.com/watch?v=oBLQ4-dGmEs

Характеристики компонентов системного блока
Корпус системного блока
Неотъемлемой частью системного блока является корпус, который имеет отсеки для установки материнской платы (1), накопителей (2), блока питания (3) и нишу для прокладки кабелей питания (кабель менеджмент (4)).
Все комплектующие устанавливаются в корпус, который выполняет роль одновременно и защитной оболочки, и «шасси», куда крепятся детали.
Чаще всего современные корпуса сделаны из металла и пластика, а с недавних пор стали набирать популярность корпуса с использованием в них стеклянных боковых панелей.

Корпус
Чтобы системный блок получал холодный воздух и мог выдувать горячий, корпус оснащается «секциями» под вентиляторы – чаще всего вентиляторами оснащают переднюю и заднюю стенку, но есть модели, в которых место под вентиляторы выделяется на верхней крышке.
При возможности применения водяного охлаждения, корпус оснащается специальными отверстиями для прокладки трубок и местом установки блока охлаждения жидкости.

Материнская плата
Системная плата (материнская плата) – это основная плата компьютера. На ней расположены слоты и разъемы для подключения комплектующих ПК, таких как: видеокарты, оперативная память, процессор, накопители данных, а также периферии.
В качестве основных (несъёмных) частей материнская плата имеет:
разъём процессора (ЦПУ),
разъёмы оперативной памяти (ОЗУ),
микросхемы чипсета (северный мост, южный мост),
загрузочное ПЗУ,
контроллеры шин и их слоты расширения,
контроллеры и интерфейсы периферийных устройств.

Основные элементы компьютера
Сначала разберем, куда на материнской плате подключаются основные элементы компьютера
1— место для установки центрального процессора.
2— разъем для питания кулера процессора;
3– слоты для установки оперативной памяти (на данной материнской плате их 4);
4– разъем для подключения питания материнской платы;
5– разъемы для подключения жестких дисков и оптических приводов;
6– (эту контактную систему можно было и не относить к основным, так как на работу она не влияет, но все-же…) к этим контактам подключаются кнопка включения питания (Power SW), светодиод питания (Power LED), кнопка сброса (Reset SW), светодиод жесткого диска (HDD LED) и спикер (Speaker).
7,8,9– разъемы PCI Express , для подключения таких устройств как звуковая карта, видеокарта сетевая карта и т.п.
10– разъем питания центрального процессора.

Процессор
Центральное процессорное устройство или ЦПУ (CPU) —электронный блок либо интегральная схема, исполняющая машинные инструкции, главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера.
В настоящее время микропроцессоры вмещают в себя миллионы транзисторов и других элементов электронной логики и представляют собой сложнейшие высокотехнологичные электронные устройства.
Конструктивно процессор представляет собой печатную плату, на которой размещен полупроводниковый кристалл, накрытый металлической теплораспределительной крышкой. На обратной стороне печатной платы предусмотрены контактные площадки, с помощью которых он соединяется с материнской платой.
У процессора есть ряд важных характеристик, которые нужно учесть: количество ядер и тактовая частота, архитектура и тепловыделение.
В современном процессоре несколько ядер. В решениях для потребительских компьютеров их количество варьируется от 2 до 32.
Современные модели процессоров оснащаются встроенной графикой(гибридные), что позволяет исключить видеокарту из состава системного блока. По характеристикам, такие процессоры подходят для домашних/офисных или бюджетных игровых компьютеров. При правильной настройке BIOS, встроенный графический процессор способен задействовать до 2 Гб оперативной памяти под свои нужды.

Охлаждение процессора
Из-за того, что ЦП выполняет множество операций, происходит его нагрев, и для того, чтобы температура не поднималась до критических значений, вместе с процессором должна быть установлена система охлаждения. Устанавливается она непосредственно на крышку процессора.
Важно также отметить, что любой вид системы охлаждения требует нанесения на крышку ЦП слоя термопасты – необходимо это для того, чтобы можно было более эффективно охлаждать процессор.

ПАМЯТЬ КОМПЬЮТЕРА
Память компьютера — специальное устройство для записи и хранения различного рода данных.
Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов — битов, объединенных в группы по 8 битов, которые называются байтами. Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.
Каждый блок памяти состоит из чипов, которые имеют встроенные композиции миллионов транзисторов и конденсаторов. Эти крошечные элементы объединяются в ячейки памяти для хранения одного бита данных в виде двоичных цифр (0 и 1).

Память компьютера
Внутренняя память – это устройство, которое хранит информацию, необходимую компьютеру в данный момент работы.
В состав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-память и постоянная (специальная) память.
Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM) — это энергозависимое быстрое запоминающее устройство, предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами. Используется только для временного хранения данных и программ, так как, когда компьютер выключается, вся информация, которая находилась в ОЗУ, удаляется.

ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ
По способу хранения информации оперативная память делится на оперативную память динамического типа (DRAM ) и оперативную память статического типа (SRAM )
В статических запоминающих устройствах БИС выполнены на триггерных элементах памяти (имеющих два стабильных состояния).
В динамических запоминающих устройствах используются более дешевые БИС, в которых запоминающим элементом является конденсатор. Конденсатор со временем разряжается (в этом - динамика), поэтому необходимо поддерживать значение потенциала, подзаряжая конденсатор. Этот процесс называют регенерацией.
Все персональные компьютеры используют оперативную память динамического типа (DRAM — Dynamic Random Access Memory), основным преимуществом которой перед статической оперативной памятью (SRAM — Static RAM) является низкая цена. Это связано с тем, что если элемент статической памяти (триггер) требует 4—6 транзисторов, то элемент динамической памяти — это интегральный конденсатор, для обслуживания которого требуется 1—2 транзистора.

ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ
Оптимальный объем оперативной памяти для компьютера или ноутбука зависит от того, какие программы и сколько будут одновременно запущены.
Так как нормально установленный и не захламленный Windows 7/8/10 со всеми службами и антивирусной программой использует обычно от 0.8 до 1.5 Гб оперативной памяти, то можно рекомендовать:
2 Гб - минимальный, только для самых примитивных задач (набор текста, простые таблицы, Интернет на 2-3 открытые вкладки);
4 Гб - для бюджетного компьютера или ноутбука (Интернет, фильмы, офисные программы и простые игры);
8 Гб - для универсального компьютера или ноутбука (большинство популярных программ, игры на минимальных, средних и иногда максимальных настройках качества);
16 Гб - для мощного компьютера или ноутбука (игры на максимальных настройках качества, одновременная работа нескольких требовательных программ);
32 Гб - для очень мощного компьютера (игры на максимальных настройках качества с расчетом на перспективу, работа очень требовательных программ);
для специализированного компьютера все подбирается индивидуально в зависимости от потребностей используемого ПО (может быть достаточно и 2 Гб, а может быть мало и 64 Гб).

Обычно оперативная память исполняется из интегральных микросхем
Оперативная память бывает нескольких типов: DDR, DDR2, DDR3, DDR4.
Каждый последующий тип памяти представляет собой улучшение предыдущего и позволяет новой памяти работать с большей скоростью.
В данный момент в современных компьютерах используется оперативная память типа DDR3, DDR4

Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM) — энергонезависимая память, для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом "зашивается" в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.
Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств

Кэш-память или сверхоперативная память — очень быстрое ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью.
Кэш-памятью управляет специальное устройство —контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память .

ВНЕШНЯЯ ПАМЯТЬ
Внешняя память - это память, реализованная в виде внешних (относительно материнской платы) запоминающих устройств (ВЗУ) с разными принципами хранения информации.
ВЗУ предназначены для долговременного хранения информации любого вида и характеризуются большим объемом памяти и низким по сравнению с ОЗУ быстродействием.
Под внешней памятью компьютера подразумевают обычно как устройства для чтения / записи информации - накопители, так и устройства, где непосредственно хранится информация - носители информации.