Информатика. Теория и  практика

Лекция 5. Устройство персонального компьютера

Основные устройства:

1. Процессор

2. Внутренняя память

3. Внешняя память

4. Устройства ввода

5. Устройства вывода

      Микропроцессор – важнейший элемент, входящий в устройство компьютера, так как именно им определяется скорость выполнения машиной программ пользователя. Основные функции: обработка информации и управление остальными устройства компьютера. 

Основных параметров процессора два :

• разрядность (количество бит, которые может обработать процессор одновременно за единицу времени)

• тактовая частота, которая характеризует число команд, выполняемых процессором в секунду. Измеряется в Мегагерцах (МГц), Гигагерцах (ГГц).

 

 

 

Основной памятью компьютера:

• оперативное запоминающее устройство компьютера ( ОЗУ - RAM), хранит работающую программу и данные; явялется энергозависимой (при выключении компьютера ячейки этой памяти очищаются).

• постоянное запоминающее устройство компьютера (ПЗУ - ROM)  - хранит информацию, которая необходима для постоянной работы. Это программа начальной загрузки и тестирования устройств компьютера. ПЗУ "зашита" на заводе изготовителе.

Внешняя память - долговременная память.

Устройствами внешней памяти служат: 

• накопители на жестких магнитных дисках – устройство компьютера с несъемными носителями (винчестеры). Жесткие диски служат для постоянного хранения в компьютере программ и данных. Выполнение большинства современных прикладных программ без подобных устройств невозможно. Большинство жестких дисков называют несъемными дисками, потому что большая часть из них устроена только для работы внутри системного блока. Можно, однако приобрести и съемные жесткие диски. Такие диски ценятся значительно выше, когда необходимо сохранять конфиденциальность информации и требуется перенос больших объемов данных между компьютерами. 

  Жесткий диск – это чаще не один диск, а пакет (набор) дисков с магнитным покрытием, вращающихся на общей оси. Основным параметром является емкость, измеряемая в гигабайтах. Средний размер современного жесткого диска составляет 120 — 250 Гбайт, причем этот параметр неуклонно растет и достигает 1Тбайт.

  Винчестером он сначала в шутку был назван в 1973 году, так как некоторые его технические характеристики по названию походили на марку знаменитой винтовки «винчестер». С тех пор название прижилось. Жёсткий диск состоит из следующих основных узлов: корпус из прочного сплава, собственно жесткие диски (пластины) с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, электропривод шпинделя и блок электроники.

  • Принцип работы жестких дисков похож на работу магнитофонов.

    • Основные характеристики жесткого диска: 

      Интерфейс — способ, использующийся для передачи данных (IDE или ATA, Serial ATA, SCSI, SATA ...). 

      Ёмкость (англ. capacity) — количество данных, которые могут храниться накопителем. Ёмкость современных устройств достигает 1000 Гб.

      Физический размер (форм-фактор) — почти все современные накопители для персональных компьютеров и серверов имеют размер либо 3,5, либо 2,5 дюйма. Последние чаще применяются в ноутбуках.

      Время произвольного доступа.

      Скорость вращения шпинделя.

      Надёжность.

      Уровень шума... и др.

  • Является основным накопителем данных практически во всех современных компьютерах.

• компакт-диски Compact disc (CD) ROM, DVD-ROM  и т.д. 

  Для транспортировки бо́льших объемов данных удобно использовать компакт-диски CD-ROM. Аббревиатура «CD-ROM» означает «Compact Disk Read Only Memory» и обозначает компакт-диск как носитель информации широкого применения. Емкость одного диска составляет порядка 650-700 Мбайт. 

  Принцип хранения данных на компакт-дисках не магнитный, как у гибких дисков, а оптический. Данные с диска читаются при помощи лазерного луча. Для чтения компакт-дисков служат дисководы CD-ROM. Основной параметр дисковода CD-ROM — скорость чтения. Она измеряется в кратных единицах. За единицу принята скорость чтения, утвержденная в середине 80-х гг. для музыкальных компакт-дисков (аудиодисков). Современные дисководы CD-ROM обеспечивают скорость чтения 40х - 52х. Однослойный односторонний DVD имеет емкость 4,7 Гбайт. Физически DVD может иметь одну или две рабочие стороны и один или два рабочих слоя на каждой стороне. 

• Blu-ray Disc или сокращённо BD (от англ. blue ray — голубой луч и disc — диск) — это следующие поколение формата оптических дисков — используемый для хранения цифровых данных, включая видео высокой чёткости с повышенной плотностью. Blu-ray (букв. «голубой-луч») получил своё название от коротковолнового 405 нм «синего» (технически сине-фиолетового) лазера, который позволяет записывать и считывать намного больше данных, чем на DVD, который имеет те же физические объёмы, но использует для записи и воспроизведения красный лазер большей длины волны (650 нм). Однослойный диск Blu-ray (BD) может хранить до 27 Гбайт информации.

• флеш-карты. 

  В основе USB флэш-накопителя находиться флэш-память типа NAND и небольшой микроконтроллер со встроенным ROM или RAM. Флэш-память (Flash Memory) относится к классу EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) - электрически стираемое перепрограммируемое запоминающее устройство ПЗУ или ЭСППЗУ

  Флэш-память содержит в себе кристалл кремния на котором размещены полевые транзисторы с плавающими и управляющими изолированными затворами.

  Во время записи данных на управляющий затвор подается положительное напряжение и некоторая часть электронов направляется (двигается) от стока к истоку, отклоняясь к плавающему затвору. Часть электронов преодолевает тонкий слой изолятора и проникают в плавающий затвор, где и остаются на продолжительный срок хранения. Время хранения информации измеряется годами, но так или иначе оно ограничено.

 

 

Информация, представленная в цифровой форме и обрабатываемая на компьютере, называется данными.

Последовательность команд, которую выполняет компьютер в процессе обработки данных, называется программой.

 

Обработка данных на компьютере

1. Пользователь запускает программу, хранящуюся в долговременной памяти, она загружается в оперативную и начинает выполняться.

2. Выполнение: процессор считывает команды и выполняет их. Необходимые данные загружаются в оперативную память из долговременной памяти или вводятся с помощью устройств ввода.

3. Выходные (полученные) данные записываются процессором в оперативную или долговременную память, а также предоставляются пользователю с помощью устройств вывода информации.

Для обеспечения информационного обмена между различными устройствами должна быть предусмотрена какая-то магистраль для перемещения потоков информации. 

Магистрально-модульное устройство компьютера

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Магистраль (системная шина) включает в себя:

• Шину данных;

• Шину адреса;

• Шину управления.

     Упрощенно системную шину можно представить как группу кабелей и электрических (токопроводящих) линий на системной плате. К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией на машинном языке (последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов).

      По  шине данных передаются данные между различными устройствами. Например, считанные из ОЗУ данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем могут быть отправлены обратно для хранения. 

Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении.

Разрядность шины данных определяется процессором, т.е. количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться процессором одновременно. Разрядность процессоров постоянно увеличивается по мере развития компьютерной техники.

      Выбор устройства или ячейки памяти, куда посылаются данные или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине от процессора к памяти или устройствам. Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти.

      По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы показывают, какую операцию – считывание или запись информации нужно производить, синхронизируют обмен данными и т.д.

     Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Каждая отдельная функция компьютера реализуется одним или несколькими модулями – конструктивно и функционально законченных электронных блоков в стандартном исполнении. Организация структуры компьютера на модульной основе аналогична строительству блочного дома. Основными модулями компьютера являются память и процессор. Процессор – это устройство управляющее работой всех блоков компьютера. Действия процессора определяются командами программы, хранящейся в памяти.

     Благодаря использованию вышеназванного принципа, появляется возможность создания большого разнообразия товаров из одного набора основных компонентов. Из набора модулей возможно создать большое разнообразие компьютеров (сложных технических систем), отличающихся друг от друга производительностью, назначением (домашний, офисный, сервер приложений и т. п.), архитектурой, платформой.

Магистрально-модульный принцип имеет ряд достоинств:

1. для работы с внешними устройствами используются те же команды процессора, что и для работы с памятью.

2. подключение к магистрали дополнительных устройств не требует изменений в уже существующих устройствах, процессоре, памяти.

3. меняя состав модулей можно изменять мощность и назначение компьютера в процессе его эксплуатации.

Внутренние устройства

     Внутренними считаются устройства, располагающиеся в системном блоке. 

Доступ к некоторым из них имеется на лицевой панели, что удобно для быстрой смены информационных носителей. Разъемы некоторых устройств выведены на заднюю стенку – они служат для подключения периферийного оборудования. 

К некоторым устройствам системного блока доступ не предусмотрен – для обычной работы он не требуется.

1. Материнская плата – самая большая плата ПК. На ней располагаются магистрали, связывающие процессор с оперативной памятью, - так называемые шины. 

     К шинам материнской платы подключаются также все прочие внутренние устройства компьютера. Управляет работой материнской платы микропроцессорный набор микросхем – так называемый чипсет.

     Название происходит от английского motherboard, иногда используется сокращение MB или слово mainboard — главная плата.

     На материнской плате кроме чипсета располагаются разъёмы для подключения центрального процессора, графической платы, звуковой платы, жёстких дисков, оперативной памяти и другие разъемы.

Чипсет – это набор микросхем материнской платы для обеспечения работы процессора с памятью и внешними устройствами.

     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.

      Обычно северный и южный мост расположены на отдельных микросхемах. Именно северный и южный мосты определяют, в значительной степени, особенности материнской платы и то, какие устройства могут подключаться к ней.

      Центральный процессор (ЦП) или центральное процессорное устройство (ЦПУ) (англ. central processing unit — CPU).

2. Микропроцессор – основная микросхема ПК. Все основные вычисления выполняются в ней.

     В первых компьютерах процессоры были громоздкими агрегатами, занимавшими подчас целые шкафы и даже комнаты, и были выполнены на большом количестве отдельных компонентов. В начале 70-х годов ХХ века благодаря прорыву в технологии создания БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем), микросхем, стало возможным разместить все необходимые компоненты ЦП в одном полупроводниковом устройстве. 

       Большая интегральная схема на самом деле не является большой по размеру и представляет собой, наоборот, маленькую плоскую полупроводниковую пластину размером примерно 20х20 мм, заключенную в плоский корпус с рядами металлических штырьков (контактов). БИС является большой по количеству элементов. 

     Использование современных высоких технологий позволяет разместить на БИС процессора огромное количество функциональных элементов, размеры которых составляют всего около 0.13 микрон (1 микрон = 10-6 м). Например, в процессоре Intel Core 2 Duo с 4 МБ кэш-памяти их около 291 миллиона.

    Основная характеристика процессора – тактовая частота (измеряется в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц)). Чем выше тактовая частота, тем выше производительность компьютера. Есть еще насколько важных характеристик процессора – тип ядра и технология производства, частота системной шины. 

     Наиболее популярные процессоры сегодня производят фирмы Intel и AMD.

     Единственное устройство, о существовании которого процессор «знает от рождения» – оперативная память – с нею он работает совместно. Данные копируются в ячейки процессора (регистры), а затем преобразуются в соответствии с командами (программой).

3. Оперативная память (ОЗУ), предназначена для хранения информации, изготавливается в виде модулей памяти.          Оперативную память можно представить как обширный массив ячеек, в которых хранятся данные и команды в то время, когда компьютер включен. Процессор может обратится к любой ячейки памяти. 

Важнейшей характеристикой модулей памяти является быстродействие. Модули памяти могут различаться между собой по размеру и количеству контактов, быстродействию, информационной емкостью и т.д. При выключении компьютера вся информация из оперативной памяти стирается. Доступ к оперативной памяти у процессора в сотни тысяч раз больше, чем к дисковой.

4. Жесткий диск (см.выше)

5. Видеоадаптер  (графическая карта, видеокарта) – внутренне устройство, устанавливается в один из разъемов материнской платы, и служит для обработки информации, поступающей от процессора или из ОЗУ на монитор, а также для выработки управляющих сигналов. 

   В первых персональных компьютерах видеоадаптеров не было. Вместо них в оперативной памяти отводилась небольшая область для хранения видеоданных. 

Современные видеоадаптеры имеют собственный вычислительный процессор (видеопроцессор).

В некоторых моделях материнских плат функции видеоадаптера выполняют микросхемы чипсета — в этом случае говорят, что видеоадаптер интегрирован с материнской платой. Если же видеоадаптер выполнен в виде отдельного устройства, его называют видеокартой. 

Разъем видеокарты выведен на заднюю стенку. К нему подключается монитор.

Современная графическая плата состоит из следующих частей: графический процессор;

видеоконтроллер; видеопамять; цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП); видео-ПЗУ; система охлаждения.

6. Звуковой адаптер (также называемая как звуковая карта, музыкальная плата). Звуковая плата  позволяет работать со звуком на компьютере.

     Для компьютеров IBM PC работа со звуком изначально не была предусмотрена. Первые десять лет существования компьютеры этой платформы считались офисной техникой и обходились без звуковых устройств. Единственный звук, который издавал компьютер — был звук встроенного динамика, сообщавший о неисправностях. В настоящее время средства для работы со звуком считаются стандартными. Для этого на материнской плате устанавливается звуковой адаптер. Он может быть интегрирован в чипсете материнской платы или выполнен как отдельная подключаемая плата, которая называется звуковой картой.

     Разъемы звуковой карты выведены на заднюю стенку компьютера. Для воспроизведения звука к ним подключают звуковые колонки или наушники. Отдельный разъем предназначен для подключения микрофона. При наличии специальной программы это позволяет записывать звук. Имеется также разъем (линейный выход) для подключения к внешней звукозаписывающей или звуковоспроизводящей аппаратуре (магнитофонам, усилителям и т.п.).

7. Сетевая карта (или карта связи по локальной сети, сетевой адаптер) служит для связи компьютеров в пределах одного предприятия, отдела или помещения находящихся на расстоянии не более 150 метров друг от друга. 

При наличии специальных дополнительных устройств можно организовать связь компьютеров и на большие расстояния. 

    Основным параметром сетевой карты является скорость передачи информации и измеряется она в мегабайтах в секунду. Типовая норма от 10 до 100 мегабайт в секунду.

8. Различные диски. Чтение и запись на диски производится с помощью дисковода CD-ROM.

9. Коммуникационные порты. Для связи с другими устройствами, например принтером, сканером, клавиатурой, мышью и т. п., компьютер оснащается так называемыми портами. Порт — это не просто разъем для подключения внешнего оборудования, хотя порт и заканчивается разъемом. Порт — более сложное устройство, чем просто разъем, имеющее свои микросхемы и управляемое программно. 

Примеры портов:

• COM (последовательный порт)

• LPT (параллельный порт)

• USB (последовательный с высокой производительностью)

• PS/2 (универсальный для подключения мыши и клавиатуры).

 

Периферийные устройства

Устройства ввода: клавиатура, мышь, сканер, микрофон, Web-камера, джойстик, световое перо, дигитайзер, трекбол и т.п.

Устройства вывода: монитор, принтер, плоттер, наушники, колонки.