Основы аппаратного и программного обеспечения

Основы аппаратного обеспечения для персонального компьютера

План лекции

  • 1. Введение.
  • 2. Классификация основных элементов.
  • 3. Цифровое представление данных.
  • 4. Структура аппаратного обеспечения персонального компьютера.
  • 5. Функции основных устройств.
  • 6. Аппаратное оборудование серверов.

Ключевые термины: аппаратное обеспечение, операционная система, прикладное программное обеспечение (приложения), мейнфрейм, сервер, локальное приложение, сетевое приложение, процессор, внутренняя память, системная шина, слот, контроллер устройства ввода и вывода, видеокарта внешняя память.

Независимо от размера и вычислительной мощности компьютеров, для функционирования необходимо три совместно работающих элемента.

  • 1. Аппаратное обеспечение - внутренние и внешние физические устройства, составляющие компьютер.
  • 2. Операционная система - набор программ, управляющих оборудованием компьютера.
  • 3. Прикладное программное обеспечение (приложения) - программы, загружаемые пользователем для выполнения конкретных задач.

Все компьютеры можно подразделить на следующие типы:

  • • мейнфреймы;
  • • серверы;
  • • настольные компьютеры;
  • • рабочие станции;
  • • портативные компьютеры;
  • • сверхпортативные устройства.

Мейнфреймы - большие универсальные высокопроизводительные отказоустойчивые серверы со значительными ресурсами ввода-вывода, большим объёмом оперативной и внешней памяти, предназначенные для использования в критически важных системах (англ, mission-critical) с интенсивной пакетной и оперативной транзакционной обработкой.

В современном языке слово «сервер» обозначает одновременно два понятия: выделенный или приспособленный для тех или иных сетевых сервисных функций компьютер и специализированное программное обеспечение, которое принимает и обрабатывает задачи пользователей. Важной особенностью обоих вариантов является то, что и аппаратное устройство, и софт адаптированы для решения определенных сетевых запросов без прямого вмешательства человека.

В зависимости от области применения серверы можно подразделить на следующие типы: файл-сервер, сервер базы данных, принт-сервер, вычислительный сервер, сервер приложений. Тип сервера определяется видом ресурса, которым он владеет (файловая система, база данных, принтеры, процессоры или прикладные пакеты программ).

Все установленные приложения можно разделить на две основные группы: программное обеспечение общего назначения и специальное программное обеспечение (программы, разработанные для конкретной области промышленности или рынка).

По типу используемых ресурсов их можно подразделить на локальные и сетевые.

Локальное приложение использует для работы только собственные ресурсы компьютера, на котором оно установлено.

Сетевое приложение предназначено для работы в сети. Оно состоит из двух частей, одна из которых работает на локальном, а другая -на удаленном компьютере.

Все установленные приложения можно разделить на две основные группы: программное обеспечение общего назначения и специальное программное обеспечение (программы, разработанные для конкретной области промышленности или рынка).

В компьютере информация представляется и хранится в цифровом двоичном формате.

Бит является минимальной единицей данных. Бит может иметь одно из двух значений: либо единица (1), либо ноль (0).

Для представления и интерпретации информации (букв, чисел, специальных символов) используется двоичное кодирование. Обычно используется американский стандартный код для обмена информацией (ASCII). Каждый символ кода ASCII представлен в виде строки бит.

Пример’.

Заглавная буква: Т = 10001000010;

Число: 19 = 0011000100111001;

Специальный символ: % = 00100101.

Группа из восьми бит, называется байтом. Коды позволяют перевести в цифровой формат практически любую информацию: компьютерные данные, графику, фотографии, голосовые данные, видео и музыку.

Байт считается основной единицей измерения емкости цифрового устройства хранения данных (UCM).

Объем любого устройства хранения выражается в байтах (Б), килобайтах (КБ), мегабайтах (МБ), гигабайтах (ГБ) и терабайтах (ТВ). 1КБ=2Л(10) Б=1024Б байт, 1МБ=2л(20) Б=1048576Б, 1ГБ=2л(30) Б=1073741824Б.

Общая схема персонального компьютера вместе с периферией изображена на рис. 1.

Структура аппаратного обеспечения персонального компьютера:

  • 1) системная плата (материнская плата), на ней размещены:
    • • процессор (центральный процессор)+система охлаждения;
    • • внутренняя память;
    • • системная шина;
    • • слоты;
  • 2) платы периферии (могут быть встроены в системную плату), на них размещены контроллеры устройств ввода-вывода и разъемы:
    • • контроллеры дисководов;
    • • видеокарта (видеоконтроллер, графическая плата);
    • • звуковая карта (звуковой контроллер, звуковая плата);
    • • сетевая карта (сетевой адаптер, сетевая плата);
    • • контроллеры других устройств;
Общая схема персонального компьютера

Рис. 1. Общая схема персонального компьютера

  • - 103) устройства ввода и вывода:
  • • дисководы;
  • • другие устройства;
  • 4) блок питания.

Рассмотрим подробно каждое устройство и его функции.

Процессор - устройство, выполняющее арифметические и логические операции, и управляющее другими устройствами компьютера.

В его состав входят:

  • • арифметико-логическое устройство (АЛУ);
  • • устройство управления (УУ);
  • • регистры.

Система охлаждения процессора - используется для отвода тепла от нагревающихся процессора. Чаще используется воздушное охлаждение с помощью кулера (вентилятор и радиатор).

Внутренняя память

В ее состав входят:

  • 1) оперативная память, или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) - энергозависимая память (при выключении компьютера вся записанная на ней информация стирается). ОЗУ используется для чтения и записи. В ОЗУ хранятся выполняемые программы и данные, которые они обрабатывают;
  • 2) постоянная память, или постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) - энергонезависимая память (при выключении компьютера вся записанная на ней информация сохраняется). ПЗУ используется только для чтения, на ней хранится информация, которая никогда не будет изменяться.
  • 3) специальная память:
    • • постоянная память, которую можно перепрограммировать (Flash-память). Основной микросхемой является BIOS (basic input-output system, базовая система ввода-вывода), на ней хранятся программы загрузки операционной системы в ОЗУ и тестирования устройств при включении компьютера. Также BIOS содержит сервисные функции. Через BIOS операционная система обращается к аппаратному обеспечению (через драйверы устройств);
  • • память CMOS (питается от батарейки) - хранит информацию о составе и конфигурации оборудования, режиме работы. Эта информация изменяется специальной программой, находящейся в BIOS;
  • • видеопамять - оперативная память, используется для хранения данных, из которых формируется изображение на экране (текст и графика);
  • • регистры процессора - память внутри процессора, свербы-страя оперативная память;
  • • кэш-память - для увеличения скорости обмена данными между процессором и оперативной памятью. Кэш-память управляется контроллером, который анализирует исполняемую процессором программу и пытается предугадать, какие дан-ныекоманды могут понадобиться процессору в ближайшее время и записывает их из оперативной памяти в кэш-память.

Системная шина (информационная магистраль) соединяет устройства внутри системного блока компьютера и обеспечивает их взаимодействие. Это набор дорожек на материнской плате, по которым передается информация в виде сигналов.

В ее состав входят:

  • • шина адреса - для передачи адреса, куда передаются данные: ячейка памяти или устройство вводавывода;
  • • шина данных - для передачи самих данных между процессором и памятью или устройством вводавывода;
  • • шина управления (вспомогательная шина) - для передачи сигналов управления (например, сигнал записи или чтения, сигнал обращения к памяти или устройству вводавывода).

Слот - внутренняя «розетка» для подключения устройств внутри системного блока.

Контроллер устройства ввода и вывода - микропроцессор, посредник между процессором и устройством ввода/вывода. Управляет устройством, которое к нему подключено. Преобразовывает информацию, которой должны обмениваться процессор и устройство.

Разъем - внешняя «розетка» для подключения внешнего (по отношению к системному блоку) устройства.

Контроллер дисководов - преобразовывает и передает информацию между процессором и дисководом.

Видеокарта преобразовывает и передает сигнал на монитор.

Звуковая карта обрабатывает звук (обеспечивает ввод звука с микрофона и его воспроизведение через наушники, колонки, встроенный динамик).

Сетевая карта используется для подключения персонального компьютера к сети и организации взаимодействия с другими устройствами сети (обмен информацией по сети).

К устройствам ввода и вывода относится внешняя память.

Внешняя память используется для долговременного хранения данных и программ. Информация, записанная на внешнюю память не стирается при выключении компьютера.

В ее состав входят:

  • а) накопители информации - устройства чтения и записи;
  • б) носители информации - место хранения информации.

Дисководы (накопители информации) используются для чтения/ записи на носители информации: пластины жесткого диска, дискеты, оптические диски, ленты.

Блок питания - источник электрического тока для питания устройств системного блока.

Рассмотрим более детально аппаратное оборудование серверов.

Сервер - это оборудование, сделанное для выполнения обслуживающих задач. Задачи эти он выполняет максимально без участия человека.

Периферийные устройства, такие как мышь, клавиатура, монитор в серверах на стадии их постоянной работы не используются. Они требуются лишь для начальной работы и конфигурирования сервера системными администраторами.

Серверное оборудование работает в особых условиях - 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, 365 дней в году. Поэтому их оснащают более дорогими комплектующими: процессорами, памятью, контроллерами массивов жестких дисков и т. д.

Для того чтобы повысить надежность работы сервера, его по возможности оборудуют компонентами, которые можно заменять даже «на горячую», то есть при включенном компьютере, не отключая его от сети.

В серверной - комнате, где расположены серверы компании, -обычно устанавливают особый температурный режим и ставят дополнительные датчики температуры дисков, процессоров, памяти и т. д.

В последнее время идет развитие и повсеместное распространение блэйд-серверов - серверных решений, которые основаны на максимально возможно низком потреблении ресурсов и занимаемом ими месте. Такие устройства ставят обычно в одну стойку для экономии места. Экономия места и энергопотребления вовсе не означает снижения производительности.

Серверы исполняются в настольном, напольном потолочном и стоечном вариантах. Максимальный уровень масштабируемости и наибольший уровень плотности размещения обеспечивает, потолочный вариант.

По использованию ресурсов серверы специализированы в двух абсолютно противоположных направлениях - уменьшение ресурсов и их наращивание. Уменьшение ресурсов преследует своей целью максимально снизить размеры, энергопотребление и прочие характеристики сервера. Наращивание же их предполагает всемерное наращивание мощностей (например, вычислительной мощности процессоров, их количество, установка новых контроллеров жестких дисков и т. д.). Когда уже наращивать мощности далее невозможно по техническим причинам, тогда устанавливают еще один сервер, и на него передают часть функций старого, и так до тех пор, пока все ресурсы не будут использованы.

Аппаратные решения являются высшей ступенью специализированное™ серверного оборудования. В качестве таких решений выступают аппаратные роутеры, маршрутизаторы, сетевые дисковые массивы, терминалы. Для данного оборудования используется специализированное программное обеспечение, которое загружается в их энергонезависимую или постоянную память уже на стадии их изготовления производителем. Такие аппаратные решения в работе являются более устойчивыми, чем обычные серверы, но они одновременно являются и гораздо менее гибкими и универсальными. Они могут быть по своей стоимости как дешевле, так и значительно дороже обычных серверов. Этот фактор зависит от производителя и класса самого оборудования.

Таким образом, компьютеры используются во всем мире и находят применение а различных областях, как то: государственная сфера, производство, медицина, образование, судебно-правовая сфера и отдых и т. д.

  • 1. Специализированные компьютеры могут интегрироваться с другими устройствами, например, телевизорами, кассовыми аппаратами, стереосистемами и другими электронными приборами.
  • 2. Для выполнения своих функций компьютеры нуждаются в аппаратных средствах, операционной системе и программном обеспечении.
  • 3. Сетевое приложение состоит из двух компонентов: один из них запускается на локальном компьютере (клиенте), а другой - на удаленном компьютере (сервере).

Вопросы для самопроверки

  • 1. Охарактеризуйте типовые элементы и узлы ЭВМ. Как классифицируются ЭВМ?
  • 2. Что такое устройства ввода информации? Охарактеризуйте основные типы устройств.
  • 3. Охарактеризуйте основные типы устройств вывода информации.
  • 4. Общие принципы построения ЭВМ (архитектура).
  • 5. Центральный процессор. Что входит в состав центрального процессора?
  • 6. Как компьютеры разделяются по назначению?
  • 7. Как компьютеры разделяются по уровню специализации?
  • 8. Как персональные компьютеры разделяются по типоразмерам?
  • 9. Что входит в состав вычислительной системы? Что входит в состав базовой конфигурации персонального компьютера?
  • 10. Как разделяются устройства по отношению к системному блоку?
  • 11. Перечислите периферийные устройства и укажите, для чего используется каждое из них.
  • 12. Какое из устройств может быть как внешним, так и внутренним по отношению к системному блоку?
  • 13. Какое из устройств располагается на материнской плате?
  • 14. Как различают оперативную память по физическому принципу действия?
  • 15. Где хранится комплект программ, образующий базовую систему ввода - вывода?
  • 16. Что образует видеоподсистему персонального компьютера?
  • 17. Какое устройство позволяет длительно хранить большие объёмы данных и программы?
  • 18. Какие устройства образуют внутреннюю память компьютера?
  • 19. Из чего состоит видеокарта? Характеристики видеокарты.
  • 20. Сетевая плата, или сетевая карта, их типы.
  • 21. Охарактеризуйте аппаратное оборудование серверов.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >