Глава 1. Компоненты персонального компьютера и их технические особенности

Разберем устройство персонального компьютера на примере компьютера в форм-факторе тауэр (см. рис. 1).

Рис.1

ПК состоит из следующих основных компонентов:

1. Материнская плата

2. Процессор

3. Оперативная память

4. Графический адаптер (видеокарта)

5. Жесткий диск

6. Оптический привод

7. Блок питания

Материнская плата – это сложная многослойная печатная плата[1]. На ней размещаются практически все основные компоненты компьютера, а те компоненты, которые находятся вне материнской платы, соединены с ней шинами (устройство для соединения различных элементов оборудования).

Можно выделить элементы, которые отсоединяются от материнской платы – процессор, оперативная память, графический адаптер (эти составляющие рассматриваются ниже) и элементы, которые интегрированы в плату – чипсет, устройство, содержащее BIOS (Биос), звуковой адаптер и сетевой адаптер. Рассмотрим эти компоненты подробнее.

Чипсет– это «набор» микросхем, которые обеспечивают взаимодействие компонентов компьютера (проще говоря, соединяет процессор с другими компонентами компьютера).

BIOS(базовая система ввода-вывода) – это первичная (базовая) программа, используемая для загрузки полноценной оперативной системы. При первом включении компьютера BIOS проводит самопроверку аппаратного обеспечения компьютера, затем ищет на доступных носителях загрузчик операционной системы и передаёт управление операционной системе.

Звуковой адаптер предназначен для вывода звука на акустические системы и для записи звука с внешних источников. В современных моделях ПК звуковые адаптеры способны воспроизводить многоканальный цифровой звук.

Сетевой адаптерпредназначен для соединения компьютера с компьютерной сетью (локальной или глобальной).

Центральный процессор(CPU - ЦэПэУ) – это один из самых важных компонентов компьютерной системы (см. рис. 2). Он во многом определяет ее быстродействие. Упрощено процессор представляет собой микросхему, то есть площадку с нанесенным на нее сложным геометрическим рисунком из цепочки транзисторов. Центральный процессор (ЦП) отвечает за выполнение арифметических, логических операций и операций управления. Как правило, процессор защищен керамическим или пластмассовым плоским корпусом.

Рис. 2 На данный момент основными производителями процессоров для компьютеров являются компании Intel(Интел)иAMD(АЭмДэ).

Intel выпускает свои процессоры под брендами Celeron (Селерон), Pentium (Пентиум), Core (Кор), Atom (Атом), A100 и A110. Новые модели процессоров компании Intel носят названия Core i3, Core i5 и Core i7.

Процессоры, производимые компанией AMD, носят названия Turion (Турион), Sempron (Семпрон), Phenom (Феном), Athlon (Атлон), Opteron (Оптерон). Однозначно сказать, чьи процессоры лучше, нельзя. Лучше сравнивать конкретные модели по их техническим характеристикам.

Главными характеристиками ЦП являются: тактовая частота и количество ядер, а также используемый техпроцесс и кэш-память. Рассмотрим эти характеристики подробнее.

Тактовая частота процессора – это число тактов, выполняемых за одну секунду, что характеризует производительность процессора. Измеряется тактовая частота в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц). Для процессоров, используемых в компьютерах, этот показатель может находиться в пределах от 500 до 3717 МГц (3,7 ГГц). Чем больше этот показатель, тем более быстрым можно считать процессор. Однако, помимо частоты, у процессора есть другие параметры, которые сильно влияют на производительность.

До недавнего времени производители увеличивали производительность ЦП за счет повышения тактовой частоты. Достигалось это за счет того, что транзисторам приходилось переключаться с одного состояние на другое как можно чаще. Это, в свою очередь, вызывает выделение тепла и нагрев процессора, а излишний нагрев корпуса и других компонентов, которые находятся очень близко к процессору, приводит к их быстрому износу. Кроме того, нагрев вызывает дополнительное потребление энергии. Поэтому производители пришли к выводу, что нужно увеличивать производительность за счет числа операций, выполняемых за один такт. Число операций, выполняемых за такт, увеличивается за счет увеличения количества ядер процессора.

Ядро процессора – это часть процессора, содержащая основные функциональные блоки. Ядро процессора рассчитано на выполнение одного потока команд. Если запускается несколько приложений (программ), то задачи по выполнению команд «выстраиваются в очередь» в один поток. Многоядерные процессоры имеют несколько ядер, поэтому способны осуществлять независимое параллельное выполнение нескольких потоков команд одновременно, что позволяет уменьшить «очередь» задач.

По количеству ядер процессоры, используемые в ПК, бывают одно-, двух-, четырех-, и шестиядерными. В приложениях, оптимизированных под многопоточность[2], наблюдается прирост производительности на многоядерных процессорах[3]. На сегодняшний день одним из приоритетных направлений увеличения производительности процессоров является дальнейшее увеличение числа ядер.

Техпроцесс – это масштаб технологии, которая определяет размеры транзисторов, составляющих процессор, и измеряется в нанометрах (одна миллионная часть миллиметра). Например, обозначение «процессор на 45 Нм техпроцессе» предполагает, что процессор состоит из транзисторов, созданных на оборудовании с разрешающей способностью[4] в 45 нанометров. Уменьшение используемого техпроцесса приводит к уменьшению ширины транзистора и соответственно увеличивается расстояние между ними. Благодаря этому, транзисторы меньше нагреваются, понижается тепловыделение процессора. В результате появляется возможность увеличить тактовую частоту процессора. Таким образом, чем меньше техпроцесс, тем ниже энергопотребление процессора и выше его производительность. На данный момент минимальный показатель техпроцесса для процессоров, используемых в ПК, – 32Нм. Наиболее распространены процессоры на 45 и 65Нм техпроцессе, реже встречаются 90 и 120Нм.

Кэш-память процессора – это высокоскоростная память, расположенная непосредственно на кристалле процессора. В нее копируются данные, извлеченные из оперативной памяти (см. ниже). Использование кэш-памяти позволяет повысить производительность процессора за счет более высокой скорости обработки данных. Обработка данных из кэша (характеризует быстродействие памяти) происходит быстрее, чем работа с информацией из оперативной памяти.

Кэш-память процессора обычно разделена на несколько уровней. Чаще всего в процессорах, используемых в домашних компьютерах и ноутбуках, существует два уровня кэш-памяти[5] (L1 и L2). Чем выше уровень, тем больше объем кэш-памяти, но ниже быстродействие. Кэш-память первого уровня измеряется в килобайтах (Кб), 2 и 3 уровня в мегабайтах (Мб)[6]. Изменение объема кэша L1 не приводит к существенным изменениям в производительности процессора (так как незначительны объемы этой памяти). Поэтому гораздо важнее показатель кэша L2, так как именно увеличение его объема приводит к значительному (по сравнению с кэш L1) росту производительности.

Оперативная памятьиспользуется для временного хранения данных и команд, необходимых процессору для выполнения им текущих операций. То есть это своеобразный буфер, в который поступают данные из жесткого диска (см. ниже), к которым затем обращается процессор (скорость такого обращения выше, чем напрямую к жесткому диску). Представляет собой одну или несколько плат с микросхемой.

Главной характеристикой оперативной памяти (как и любой другой) является ее емкость (размер), которая измеряется в мегабайтах (Мб) и гигабайтах (Гб). От размера памяти во многих случаях зависит общая производительность системы. Современные компьютеры обычно оснащаются оперативной памятью от 1 Гб (1024 Мб) до 6 Гб (6144 Мб), но встречаются модели с меньшим или наоборот бОльшим объемом памяти (до 8 Гб).

Различают оперативную память DDR1, DDR2, DDR3 (ДиДиЭр). Чем больше цифра, тем выше быстродействие памяти и ниже энергопотребление.

ГРАФИЧЕСКИЙ АДАПТЕР (видеокарта) – это устройство, преобразующее информацию, находящуюся в ПК, в графический образ с последующим его выводом на экран. Современные видеокарты не ограничиваются простым выводом изображения, они имеют встроенный графический процессор (GPU – ДжэйПиУ), который может производить дополнительную обработку, снимая эту задачу с центрального процессора компьютера. Обычно видеокарта представляет собой плату, которая вставляется в специальный разъём (дискретная видеокарта), но видеокарта бывает и встроенной (интегрированной) в материнскую плату.

Интегрированная карта позволяет снизить стоимость компьютера. Такой вариант оптимально подходит для работы с офисными программами, где графическая составляющая незначительна.

Но современные игры, а также некоторые приложения для работы с графикой, требуют более мощного дискретного графического процессора. При работе графический процессор, как и центральный процессор, постоянно обращается к некоторому блоку информации. Для центрального процессора такая информация хранится в оперативной памяти, а для графического процессора предусмотрено два решения. Для интегрированной видеокарты необходимая информация будет поступать также из оперативной памяти, а у дискретной будет своя память, расположенная на плате видеокарты. Это увеличивает производительность дискретной видеокарты. Кроме этого дискретную видеокарту со временем можно поменять на более мощную, а интегрированная меняется только с материнской платой.

Определить, какая видеокарта стоит в компьютере достаточно просто. Нужно посмотреть на заднюю стенку системного блока. Если видеокарта интегрированная, то разъемы для подключения к монитору (про разъемы, которые могут встречаться в ПК, можно прочесть в данном учебном материале в разделе «Ноутбуки» в главе 2) будут сосредоточены в верхней части задней стенки, если видеокарта дискретная, то разъемы будут внизу.

Таким образом, некоторые характеристики видеокарты будут совпадать с характеристиками центрального процессора и оперативной памяти. Главные из них – тактовая частота работы графического процессора, а также тип и размер памяти видеокарты (видеопамяти). Тактовая частота может составлять от 126 до 1000 МГц. Тип памяти обозначается аббревиатурой GDDR (ДжиДиДиЭр) и подразделяется на 5 разновидностей (GDDR1, GDDR2, GDDR3, GDDR4, GDDR5). Чем больше цифра, тем выше быстродействие видеопамяти и ниже энергопотребление. Размер видеопамяти в компьютерах составляет, как правило, от 128 до 2048 Мб (2 Гб).

Основными производителями видеокарт являются компании NVidia (ЭнВидиа) и ATI(распространено произношение – Ати), которая была приобретена компанией AMD, и с декабря 2010 вся продукция выпускается под маркой AMD. NVidia выпускает видеокарты GeForce (ДжиФорс). ATI/AMD выпускает видеокарты Radeon (Радэон).

Ниже приведена сводная таблица наиболее популярных моделей видеокарт.

Жесткий диск (HDD – ЭйчДиДи) – это устройство, предназначенное для длительного хранения информации. Представляет собой диск, помещенный на ось, которая называется шпиндель. Выше диска находится считывающая головка. Все это совмещено с блоком электроники в едином металлическом корпусе. Основными характеристиками жесткого диска являются объем памяти и скорость вращения шпинделя.

По объему памяти жесткие диски, установленные в компьютерах, могут быть от 60 Гб до нескольких терабайт. Чаще всего в персональные компьютеры устанавливаются жесткие диски объемом от 320 до 500 Гб. Чем выше объем памяти диска, тем больше информации можно сохранить в компьютере. Если ПК предназначен для офисной работы, то диска на 100 - 320 Гб вполне достаточно. Для домашнего компьютера можно рекомендовать модели с жестким диском от 500 Гб до 1 Тб. Такой объем позволяет хранить достаточно много различных медиафайлов (фильмов, музыки).

Скорость вращения шпинделя – это количество его оборотов вокруг своей оси, совершаемых за минуту. От этого параметра в значительной степени зависит общая скорость передачи данных с накопителя (чем выше скорость вращения, тем быстрее происходит передача данных). В настоящее время компьютеры оснащаются жесткими дисками со следующими стандартными скоростями вращения: 5400, 5900, 7200 и 10 000 оборотов в минуту.

Оптический привод – устройство, предназначенное для считывания информации с оптических дисков и (в некоторых моделях) для записи информации на диски.

Большинство современных компьютеров оборудовано приводами DVD-RW. Они могут считывать CD- и DVD-диски и записывать на CD матрицы (емкость 700 Мб) и DVD-матрицы (емкость однослойных - 4,7 Гб, двухслойных – 8,5 Гб).

Некоторые ПК оснащаются приводом Blu-Ray (блю-рей), который поддерживает работу с дисками форматами Blu-Ray[7]. Кроме этого, могут встречаться компьютеры с DVD-приводами (могут только считывать информацию с DVD-дисков), с CD-RW-приводами (считывают и записывают только на диски форматов CD-R, CD-RW), с DVD/CD-RW-приводами (могут читать диски форматов CD и DVD, а также записывать на CD-R и CD-RW).

Блок питания– устройство, предназначенное для снабжения узлов компьютера электрической энергией, а также преобразования сетевого напряжения до заданных значений. Основным показателем блока питания (БП) является мощность, измеряемая в ваттах (Вт). Мощность БП должна быть не меньше совокупной потребляемой мощности всех компонентов компьютера. Особенно это важно в случае апгрейда ПК, так как дополнительно установленное оборудование увеличивает суммарную потребляемую мощность (то же самое может произойти при установке нового оборудования взамен старого). Поэтому если пользователь планирует модернизировать ПК собственными силами, то он должен обратить внимание на этот показатель.