Функциональная система современного персонального компьютера

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы значительно усилилось влияние мировых информационно-коммуникационных ресурсов и технологий на со­циальное и экономическое развитие народов и стран. Мир вошел в стадию перехода к новому типу общества – информационному. Информационное (постиндустриальное) общество – это новая социально-технологическая организация жизни людей, заменяю­щая действующую индустриальную систему, которая в свое время вытеснила аграрную систему.

Проявления постиндустриального общества с каждым годом становятся всё заметнее:

- множатся направления деятельности людей, связанные с обра­боткой данных, информацией и электронным управлением предприятиями, организациями и даже государствами;

- ключевую роль во всех сферах человеческого общения играет информация и быстрота её использования;

- жизнь людей всё больше сводится к информационному взаимо­действию на расстоянии;

- распространяются новые виды дистанционных информацион­ных услуг: гуманитарных (образование, здравоохранение, соци­альные службы); профессиональных (программирование, ана­лиз и планирование производства и финансирования);

- происходит реорганизация экономики и переход к новым высо­котехнологичным специальным производствам, в которых за­действованы огромные объемы информации.

Экономика главным образом основывается не только на есте­ственных ресурсах и материальном производстве, но и на полно­правном владении информацией, применении научно-технических знаний и предоставлении информационных услуг.

Мировые тенденции свидетельствуют о том, что информация уже вошла в один ценовой ряд с традиционными сырьевыми и энергетическими ресурсами. Из года в год растет объём рынка ин­формационных услуг и программного обеспечения.

Действительно, влияние новых цифровых технологий воздействует на все на­правления деятельности общества и отдельных людей. Построен­ные по этим технологиям электронные вычислительные машины прошли длительный исторический и эволюционный путь своего развития. Они превратились в быстрые, надежные и эффективные электронные вычислительные устройства коллективной и персо­нальной обработки информации. Персональный компьютер стал самым массовым инструментом частных лиц и сотрудников офи­сов, учреждений и организаций различных форм собственности.

Термины «электронная вычислительная машина», «цифровая вычислительная машина», «компьютер» стали международными и приняты в русском языке.

Для правильного выбора и эффективной эксплуатации такого сложного инструмента, как персональная ЭВМ (ПЭВМ), пользова­тель должен обладать необходимыми и достаточными знаниями не только по использованию программных средств, но и по архитекту­ре внутренних, внешних, периферийных устройств ЭВМ, их аппа­ратной реализации и физических процессах ее функционирова­ния.

С микроминиатюризацией составных частей ПЭВМ, постоянно обеспечивающей увеличение производительности процессоров, объёмов памяти, надежности и снижение энергопотребления аппа­ратных средств, непрерывно решаются важные задачи не только по модернизации вычислительных систем, но и по созданию раз­личных видов новых поколений аппаратуры для других развиваю­щихся областей применения: радиосвязь, телекоммуникационная техника, системы управления и т.д.

Таким образом, актуальность темы настоящей работы является более чем очевидной, при этом основная цель последней – изучение функциональной схемы современного персонального компьютера, акцентировав внимание на рассмотрении его основных аппаратных средств, то есть на его устройстве.

1 ОСНОВНЫЕ ТИПЫ И КОНФИГУРАЦИИ ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ

Компьютер, как и человек, представляет собой систему, в кото­рой уживаются «тело» и «душа».

«Тело» компьютера – это его «железная», аппаратная часть (hardware). Аппаратные средства современных персональных ком­пьютеров представляют собой совокупность электронных, электро­механических, электромагнитных и электронно-оптических уст­ройств. Каждое устройство может выполнять определенный набор действий (функций). Какое именно действие из набора возможных выполняется в данный момент, определяется комбинацией входных управляющих электрических сигналов. Такая комбинация называ­ется командой.

«Душа» – это оживляющие эту «груду железа» прикладные и системные программы (software).

Персональный компьютер (далее – ПК) с технической точки зрения можно определить как единую систему, представляющую собой набор сменных компонентов, соединенных между собой стандартными интерфейсами. Компонентом здесь выступает отдельный узел (устройство), выполняющий определенную функцию в составе системы.

Интерфейсом называют стандарт присоединения компонентов к системе. В качестве такового служат разъемы, наборы микро­схем, генерирующих стандартные сигналы, стандартный программ­ный код.

В компьютерной индустрии существует набор однотипных компонентов с разными функциональными возможностями (и, со­ответственно, с разной стоимостью), включаемых в систему по еди­ному интерфейсу. Полное описание набора и характеристик уст­ройств, составляющих данный компьютер, называется конфигура­цией ПК.

Существует «минимальная» конфигурация ПК, то есть минималь­ный набор устройств, без которых работа с ПК становится бес­смысленной. Это – системный блок, монитор, клавиатура, мышь. Обычно под набором комплектующих, объединенных понятием «типовой персональный компьютер», понимают следующий их со­став:

- корпус с блоком питания;

- системная (материнская) плата;

- процессор;

- оперативная память;

- видеоконтроллер;

- монитор;

- жёсткий диск;

- клавиатура;

- мышь;

- дисковод CD-ROM;

- дисковод гибких дисков;

- звуковая карта.

На компьютерном рынке сложилось следующее разделение конфигураций персональных компьютеров.

Рабочая станция (Work Station) представляет собой мощный компьютер, основанный обычно на двухпроцессорной платформе, оснащенный максимальным объемом быстрой оперативной памяти, массивом жестких дисков и часто включенный в локальную сеть предприятия. В зависимости от решаемых задач рабочие станции бывают графическими, для научных расчетов или иного назначе­ния. Графическую рабочую станцию комплектуют 3D-видеокартой профессионального класса, устройствами оцифровки и захвата сиг­налов телевизионного формата, высокоточными сканерами и дру­гим необходимым оборудованием.

Настольный компьютер (Desktop) предусматривает самый об­ширный спектр возможных конфигураций, как платформы, так и дополнительных устройств.

Принято классифицировать настольные компьютеры по пред­назначению или по производительности. По назначению компьюте­ры подразделяют на офисные, домашние, игровые, дизайнерские. По производительности различают компьютеры начального уровня (Easy PC), среднего уровня (Mainstream), высшего класса (High End).

Офисный компьютер ориентирован на работу с программами офисного класса, может подключаться к локальной сети и не отлича­ется высокой производительностью. Главное требование к нему – надежность.

Домашний компьютер обычно используют для развлечений и выполнения не слишком сложных учебных (рабочих) заданий. Мультимедийная направленность домашнего ПК выражается в ос­нащении его процессором и видеокартой среднего класса, приво­дом DVD, качественным монитором и комплектом хорошей аку­стики. Зачастую предусматривается подключение компьютера к те­левизору для просмотра фильмов в форматах MPEG-4 и DVD на экране ТВ. Непременным условием является подключение к Ин­тернету через модем или сетевую карту. Дополнительным оборудо­ванием для домашнего компьютера являются ТВ-тюнер, сканер, струйный фотопринтер, WEB-камера.

Игровой компьютер требует наличия мощной графической под­системы. Поэтому главным его элементом является графическая карта и адекватный потребностям процессор при достаточном объе­ме оперативной памяти. Игровой компьютер дополнительно ком­плектуют джойстиком, рулем (штурвалом), педалями, устройствами виртуальной реальности (шлемы, очки, перчатки).

Дизайнерский компьютер предназначен для выполнения слож­ных графических работ (кроме 3D-графики кинематографического уровня) и обработки видео в режиме реального времени. По сути, это рабочая станция начального уровня в достаточно компактном исполнении. Конкретная конфигурация дизайнерского ПК зависит от специфики решаемых задач. Для работы с 3D-графикой требует­ся мощная видеокарта, для работы с видео – самый производитель­ный процессор и так далее.

Ноутбук (Notebook) является переносным персональным ком­пьютером. Помимо компактных габаритов, ноутбук отличается от настольного компьютера возможностью работы от аккумуляторов. Автономное функционирование обусловило высокие требования к режиму энергопотребления компонентов. Обычно в ноутбуках ис­пользуют специальные модификации процессоров, графических чип­сетов, жестких дисков с низким энергопотреблением и автоматиче­ским регулированием производительности в зависимости от решае­мой задачи.

Обычно ноутбуки классифицируют по размеру, диагонали дис­плея и числу «шпинделей» (отдельных приводов: жесткий диск, дисковод CD-ROM, дисковод гибких дисков и др.). Например, вы­ражение «двухшпиндельный» ноутбук подразумевает наличие в компьютере жесткого диска и еще одного дисковода (чаще комби­нированного привода DVD/CD-RW).

Настольный ноутбук (DeskNote). Этот класс компьютеров воз­ник в 2002 г. Его отличие от ноутбуков заключается в отсутствии ак­кумуляторов (и, как следствие, невозможности автономной рабо­ты), использовании процессоров для обычных настольных ПК, а иногда и адаптеров ЗО-графики высокого класса.

Планшетный ПК (Tablet PC) характеризуется наличием отдель­ного сенсорного дисплея с возможностью рукописного ввода и спе­циального электронного пера. Некоторые модели комплектуются клавиатурой, трекболом, приводом CD-ROM, жестким диском.

Карманный ПК (Personal Digital Assistant, PDA, КПК) примыкает к товарной нише ПК. Невысокая производительность, ограничен­ный набор программ и неудобный интерфейс пользователя сужают сферу их применения. Однако многие КПК позволяют подключаться к настольному компьютеру для переноса данных (телефонного спра­вочника, записной книжки и др.), читать литературные произведе­ния в электронном виде, просматривать видео и т.д.

Персональные компьютеры являются наиболее широко исполь­зуемыми, их мощность постоянно увеличивается, область приме­нения расширяется. Однако их возможности ограничены, и для решения специфичных задач, требующих объемных вычислений, высочайшего быстродействия, применяют «не-персональные» ком­пьютеры: супер-ЭВМ, большие ЭВМ (мэйнфреймы), мини-ЭВМ.

2 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА И ЕГО АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА

Назначение компьютера – перерабатывать, хранить и выдавать информацию посредством выполнения команд пользователя.

Центральное устройство ПК, производящее все вычислительные операции и преобразующее информацию, называется микропроцессором (центральный микропроцессор, CPU) – программно управляемое устройство, предназначенное для об­работки информации под управлением программы, находящейся сейчас в оперативной памяти. Конструктивно представляет собой небольшую микросхему, находящуюся внутри системного блока и установленную на материнской плате, связанную с материнской платой интерфейсом процессорного разъема (Socket).

Разрядность процессора определяет размер машинного слова, обрабатываемого компьютером. Машинное слово – число бит, к кото­рым процессор имеет одновременный доступ. С увеличением размера слова увеличивается объем информации, обрабатываемой процессо­ром за один такт, что ведет к уменьшению количества тактов, необхо­димых для выполнения сложных операций. Чем больше размер слова, тем с большим объемом памяти может работать компьютер. Микро­процессор обрабатывает информацию трёх типов: данные, адреса и команды программ. Он оперирует с информацией, представленной в виде машинных кодов, длиной от 8 до 64 бит. Микропроцессор вы­полняет сотни различных операций со скоростью до нескольких со­тен миллиардов в секунду. Разработка новых типов микропроцессоров позволяет постоянно увеличивать эту цифру.

Микропроцессор может обрабатывать данные любой природы: текст, числа, графика, звук и др. Это возможно потому, что данные перед использованием на компьютере «оцифровываются». Физичес­ки это может выглядеть как чередование намагниченных и размаг­ниченных участков жесткого диска, отражающих и не отражающих луч участков компакт-диска, передаваемых сигналов напряжения высокого и низкого уровня и т.д.

Для описания работы цифровых устройств используется двоич­ная система счисления, Булева логика, законы алгебры логики.

Процессоры классифицируются по базовому типу, называюще­муся семейством. С целью преемственности программного обеспе­чения последующие модели и модификации процессоров, как пра­вило, содержат всю систему команд своих предшественников. Суще­ствует большое количество различных семейств процессоров, среди которых можно выделить семейство Intel и совместимых с ними AMD и Cyrix, на которых базируется значительная часть ПК. Фир­мой Intel был создан процессор Pentium и его модификации Pentium Pro, Pentium II, Pentium III, Pentium IV. Процессоры фирмы Motorola, применяемые в компьютерах фирмы Apple, относятся к другому семейству.

Основными характеристиками процессора являются:

- быстродействие – количество операций, производимых в 1 секунду, измеряется в бит/сек. Каждая последующая модель имеет более высокую производительность по сравнению с предыдущей. Современные процессоры обладают расширением ММХ (MultiMedia eXtention – расширение мультимедиа);

- тактовая частота – количество тактов, производимых процес­сором за 1 секунду. Операции, производимые процессором, не яв­ляются непрерывными, они разделены на такты. Эта характери­стика определяет скорость выполнения операций и непосредст­венно влияет на производительность процессора;

- разрядность – количество двоичных разрядов, которые про­цессор обрабатывает за один такт. Указывая разрядность процессо­ра 64, имеют в виду, что процессор имеет 64-разрядную шину дан­ных, то есть за один такт он обрабатывает 64 бита.

Микропроцессор выполняет в основном функции двух устройств:

- устройство управления, которое формирует и подает во все блоки ПК в нужные моменты времени определенные сигналы (управляющие импульсы), формирует адреса ячеек памяти, ис­пользуемых выполняемой операцией, и передает их в другие блоки компьютера;

- арифметико-логическое устройство, предназначенное для вы­полнения арифметических и логических операций над инфор­мацией.

Для хранения информации служит запоминающее устройство. Ос­новная память ПК состоит из оперативного запоминающего устрой­ства (ОЗУ) и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ).

Оперативная память (RAM – Random Access Memory – память с произвольным доступом) является очень важным элементов ком­пьютера. В ней хранятся программы и данные, с которыми непосред­ственно работает ПК.

Кон­структивно представляет собой набор микросхем, размещенных на одной небольшой плате (модуле, планке). Модуль (модули) опера­тивной памяти вставляется в соответствующий разъем материнской платы, позволяя таким образом связываться с другими устройства­ми ПК.

Для того чтобы какая-либо программа выполнилась, она должна быть загружена в оперативную память. Оперативная память являет­ся энергозависимой, то есть хранит информацию, пока компьютер вклю­чен (подано питание на модуль оперативной памяти). В оператив­ную память программа и данные для ее работы попадают из других устройств, загружаются из внешней памяти, энергонезависимых устройств памяти (жесткий диск, компакт-диск и т.д.). Таким обра­зом, загрузить программу означает прочесть ее из файла, находяще­гося на одном из устройств внешней памяти, и прочитанную копию разместить в оперативную память, после этого микропроцессор начнет ее выполнение.

Оперативная память хранит загруженную, выполняющуюся программу и данные, которые с её помощью обрабатываются. Если после обработки предполагается дальнейшее использование данных (это может быть и текстовой документ, и графическое изображение, и табличные данные, и звук), то копию этого документа из опера­тивной памяти можно записать на одном из устройств внешней па­мяти (например, на жестком диске), создав на жестком диске файл, хранящий документ.

Основными характеристиками оперативной памяти являются объём, время доступа и плотность записи информации.

Объём па­мяти определяется максимальным количеством информации, кото­рая может быть помещена в эту память, и выражается в мегабайтах, гигабайтах.

Время доступа к памяти (секунды) представляет собой минимальное время, достаточное для размещения в памяти едини­цы информации.

Плотность записи информации (бит/см2) пред­ставляет собой количество информации, записанной на единице поверхности носителя. Важнейшей характеристикой компьютера в целом является его производительность, т.е. возможность обрабаты­вать большие объемы информации. Производительность ПК во мно­гом определяется быстродействием процессора, а также объемом опе­ративной памяти и скоростью доступа к ней.

Оперативная память изготавливается в виде небольших печат­ных плат с рядами контактов, на которых размещаются интеграль­ные схемы памяти (модули памяти). Модули памяти различаются по размеру и количеству контактов (SIMM или DIMM), по быстро­действию и объему.

Важнейшей характеристикой модулей оперативной памяти яв­ляется быстродействие – частота, с которой считывается или запи­сывается информация в ячейки памяти.

Оперативная память состоит из огромного количества ячеек (де­сятки миллионов), в каждой из которых хранится определенная ин­формация. От объема оперативной памяти зависит, сможет ли ком­пьютер работать с той или иной программой. При недостаточном количестве памяти программы либо совсем не будут работать, либо будут работать медленно.

Для ускорения доступа к оперативной памяти используется кэш­память (cache – запас). Это сверхбыстрая оперативная память, пред­назначенная для временного хранения текущих данных и помещен-ная между оперативной памятью и процессором. Объем кэш-памяти до 1Мб. Специальные программно-аппаратные средства обеспечива­ют опережающее копирование данных из оперативной памяти в кэш и обратное копирование данных по окончании их обработки. Обра­ботка данных в кэш-памяти производится быстрее, что приводит к увеличению производительности ПК. Непосредственного доступа из программы в кэш-память нет.

CMOS-память (изготовленная по технологии CMOS – Comple- Mentary Metal – oxide semiconductor) предназначена для длительно­го хранения данных о конфигурации и настройке компьютера (дата, время, пароль), в том числе и когда питание компьютера выключено. Для этого используют специальные электронные схемы со средним быстродействием, но очень малым энергопотреблением, питаемые от специального аккумулятора, установленного на материнской пла­те. Это полупостоянная память.

Постоянная память (ROM – Read-Only Memory – память только для чтения) используется для хранения неизменяемой информации: загрузочных программ и операционной системы, программ тестирова­ния устройств компьютера и выполнения базовых функций по их об­служиванию. Большая часть этих программ связана с обслуживанием процессов ввода-вывода, поэтому содержимое ПЗУ часто называют BIOS (Base Input-Output System или базовая система ввода-вывода). ПЗУ в отличие от ОЗУ является энергонезависимым (информация при выключении компьютера сохраняется).

Каждая ячейка основной памяти имеет свой адрес. Основная па­мять имеет для ОЗУ и ПЗУ единое адресное пространство – совокуп­ность ячеек памяти, к которым можно обращаться с использованием машинного адреса.

Персональный компьютер (ПК) – это сложная система взаимосвя­занных аппаратных (технических) и программных средств, способ­ных принимать, хранить, перерабатывать и выдавать информацию по определенному алгоритму или программе.

Под аппаратными средствами понимается оборудование ПК, участвующее в автоматической обработке данных.

Для выполнения процесса обработки данных в состав компьютера входят различные устройства, выполняющие определенные функции. Эти устройства принято разделять на центральные (основные) и периферийные (устройства, осуществляющие связь с различными источниками и по­лучателями информации).

Рассмотрим принципы взаимодействия основных устройств.

Материнская (системная) плата – важнейший элемент ПК, к которому подключено все то, что составляет сам компьютер. Она служит для объединения и организации взаимодействия других компонентов. По сути, выбор конфигурации компьютера начинается именно с выбора системной платы. В нее устанавливается процес­сор, оперативная память, с ней связаны жесткий диск и CD-ROM, к ней через соответствующие различным интерфейсам разъемы и пор­ты подключаются различные дополнительные устройства. Таким об­разом, материнская плата, центральный процессор, оперативная па­мять составляют основу ПК, от их производительности зависит производительность компьютера в целом. Материнские платы раз­личаются по типу процессоров, которые могут быть на них установ­лены, и названиям фирм, их выпускающих. На материнской плате находятся специальные перемычки – джамнеры, позволяющие подстроить ее под тип процессора и других устройств, устанавли­ваемых на ней.

В компьютер можно добавлять дополнительные устройства, используя стандартные способы их подключения. Все узлы компь­ютера взаимосвязаны физически и логически. На материнской пла­те устанавливаются разъемы для установки дополнительных уст­ройств – слоты расширения.

Все дополнительные устройства взаимодействуют с процессо­ром и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных – системную шину. Виды слотов расширения различаются по типу шины. Данные могут передаваться между внешними устройствами и процессором, оперативной памятью и процессором, внешними устройствами и оперативной памятью или между устройствами вво­да-вывода. Шина характеризуется типом, разрядностью, частотой и количеством подключаемых внешних устройств. При работе с опе­ративной памятью шина проводит поиск нужного участка памяти и обменивается информацией с найденным участком. Эти задачи выполняют две части системной шины: адресная шина и шина дан­ных.

Системная (общая) шина – это канал передачи электрических сигналов для обмена информацией между основными и дополнитель­ными устройствами компьютера. Она обеспечивает три направления передачи информации:

- между микропроцессором и основной памятью;

- между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

- между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств в режиме прямого доступа.

Управление работой системной шины осуществляется микро­процессором. Важнейшими характеристиками системной шины яв­ляются:

- количество обслуживаемых ею устройств;

- пропускная способность (скорость передачи информации).

Пропускная способность зависит от тактовой частоты, на которой работает шина, и от разрядности шины. Разрядность – это макси­мальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновре­менно производится элементарная машинная операция, в том числе и операция передачи информации. Чем больше разрядность, тем при прочих равных условиях будет больше производительность. Напри­мер, 64-разрядная шина за один такт передает два 32-разрядных числа, а 32-разрядная шина – одно.

Связь всех функциональных устройств ПК определяется интерфей­сами. Интерфейс – это совокупность правил и средств, устанавлива­ющих единые принципы взаимодействия устройств ПК. Например, интерфейс периферийного устройства включает в себя: техническое устройство, наборы передаваемых сигналов и правила обмена инфор­мацией с центральным устройством.

Системный интерфейс персонального компьютера – система свя­зи и сопряжения узлов и блоков ПК между собой. Она представляет собой совокупность электрических линий связи (проводов), схем со­пряжения с устройствами компьютера, протоколов (правил) передачи и преобразования сигналов. В большинстве современных ПК в качестве системного интерфей­са используется системная шина.

Совокупность интерфейсов, реализованных в компьютере, обра­зует то, что называют архитектурой компьютера.

Для добавления в ПК нового дополнительного устройства необхо­дим контроллер – устройство, аппаратно согласовывающее работу системы и дополнительного устройства. Кроме того, необходим драй­вер этого устройства – программа, позволяющая программно связать это устройство с системой в целом.

Контроллер должен учитывать аппаратные особенности под­ключаемого устройства, а драйвер должен позволить операционной системе, используя стандартный набор командных запросов, управ­лять нестандартным устройством.

Драйвер выступает в роли «переводчика» с языка операционной системы на язык конкретного устройства, контроллер выступает в роли аппаратного «мостика» между системой в целом и дополни­тельным устройством.

С помощью периферийных устройств осуществляется связь с различными источниками (поставщиками) и получателями (потребите­лями) информации.

К периферийным устройствам относятся устройства ввода-вывода и внешняя память.

К аппаратным средствам ввода информации в ПК относятся:

- клавиатура – устройство ввода текста, чисел и управляющей информации в основную память ПК;

- устройства ввода алфавитно-цифровой, графической и речевой информации (например, манипулятор «мышь», сканер и др.).

К аппаратным средствам вывода информации из ПК относятся:

- принтер, графопостроитель – устройства для регистрации (пе­чати) информации на бумажном носителе;

- видеомонитор (дисплей) – устройство для отображения визу­альной информации (текстов, чисел, графических изображений и т.д.);

- синтезаторы речи – устройство для вывода звуковой инфор­мации.

Все устройства ПК объединены внутрисистемным интерфейсом и взаимодействуют по адресному принципу: все подчиненные устрой­ства и их составные части имеют конкретные адреса, по которым к ним обращаются устройства управления работой компьютера. Для связи процессора с периферийными устройствами используются спе­циальные устройства сопряжения и обмена, называемые адаптерами (каналами). Через эти каналы осуществляется передача информации между отдельными частями ПК. Существует общий канал, через кото­рый взаимодействуют все входящие в состав ПК устройства, называе­мый системной шиной.

Центральной частью компьютера является системный блок с присоединенными к нему клавиатурой, монитором и мышью. Систем­ный блок и монитор независимо друг от друга подключаются к ис­точнику питания – сети переменного тока.

На корпусе системного блока в доступном для пользователя месте (как правило, на лицевой стороне) расположены по меньшей мере две кнопки или клавиши (включения и перезагрузки компьютера), а так­же световые сигнальные индикаторы. На задней панели системного блока располагаются разъемы для подключения электропитания и для связи с другими устройствами. Разъемы конструктивно выполнены таким образом, что их невозможно перепутать при подключении со­единительных кабелей.

В системном блоке располагаются все основные устройства компьютера:

- микропроцессор – «мозг» компьютера, который выполняет поступающие на его вход команды: проводит вычисления и управ­ляет работой остальных устройств ПК;

- оперативная память, предназначенная для временного хране­ния программ и данных;

- контроллеры, предназначенные для независимого от процес­сора управления отдельными процессами в работе ПК;

- накопитель на гибких магнитных дисках, используемый для чтения и записи на дискеты;

- накопитель на жестком магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на жесткий магнитный диск (винчестер);

- дисководы для компакт-дисков, обеспечивающие возмож­ность чтения данных с компакт-дисков и проигрывания аудиоком- пакт-дисков, а также запись информации на компакт-диск;

- блок питания, преобразующий электропитание сети в посто­янный ток, подаваемый на электронные схемы компьютера;

- счетчик времени, который функционирует независимо от то­го, включен компьютер или нет;

- другие устройства.

Порты – это устройства для подключения к системной шине различных внешних устройств. Различают несколько типов портов: внутренний (таймерный), клавиатурный, коммуникационный, игро­вой (джойстик). Каждому порту выделяется группа адресов, по кото­рым в порт записываются или из порта считываются данные, служеб­ная информация для программирования параметров порта и теку­щее состояние порта.

Через таймерный порт можно программировать частоту следо­вания меток времени, используемых в электронных часах компью­тера. Сигналы порта подсчитываются операционной системой, для хранения накопленного числа используется область памяти с опре­деленным адресом.

Клавиатурный порт обеспечивает ввод кодов нажатых кла­виш. Данные от порта накапливаются и обрабатываются в специ­альном кольцевом буфере клавиатуры в определенной области па­мяти.

Коммуникационные порты обеспечивают подключение таких внешних устройств, как мышь, принтер, сканер, внешний модем и некоторых других. Эти порты подразделяются на последовательные (СОМ1 и COM2) и параллельные (LPT).

Последовательные порты обеспечивают двусторонний побай­товый обмен последовательными кодами. Порты размещаются в контроллере, который устанавливается либо на системной плате, либо на мультикарте, и выведен на заднюю панель системного бло­ка. Порты можно запрограммировать на требуемую скорость пере­дачи данных. Используются обычно для подключения мыши и мо­дема.

Параллельные порты могут реализовать либо однонаправлен­ную побайтовую (8 электрических импульсов) передачу параллель­ных кодов, либо двунаправленную. Параллельный порт имеет более высокую скорость передачи информации, чем последовательные порты, и используется для подключения принтера.

Коммуникационные порты используются также для межкомпь­ютерной связи в режиме Link.

Широкое распространение получил порт USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина). Он обеспечивает вы­сокоскоростное подключение к компьютеру сразу нескольких пери­ферийных устройств (сканера, цифровых камер и т.п.).

Также высокоскоростное подключение до 7 устройств (винче­стеров, сканеров, CD-ROM дисководов и т.п.) к компьютеру реали­зует интерфейс малых вычислительных систем (Small Computer System Interface). SCSI-адаптеры размещаются в слотах расширения системной платы.

Подключение джойстиков, предназначенных для управления играми, реализуется в специальный игровой порт (Game-порт), ко­торый размещается на звуковой карте.

Устройства внешней памяти или внешние запоминающие устройства (ВЗУ) предназначены для долговременного и энергонезависимого хранения информации. Они различаются по виду носителя информа­ции, типу конструкции, принципу записи и считывания информации и т.д. Основу любого ВЗУ составляет носитель информации – матери­альный объект, способный хранить информацию.

Жесткие магнитные диски (HDD) или винчестеры (устройства хранения информации произвольного доступа, основанные на принципе магнитной записи) являются обязательным компонентом персонального компьютера.

Операцион­ная система, постоянно используемые программы загружаются с жесткого диска, на нем хранится большинство документов. Жесткий диск представляет собой герметичную коробочку, внут­ри которой спрятано несколько дисков, покрытых магнитным слоем. Над ними очень быстро движутся несколько головок чтения-записи.

Практически все современные жесткие диски выпускаются по технологии, использующей магниторезистивный эффект. Благода­ря этому ёмкость дисков растет быстрыми темпами за счет повыше­ния плотности записи информации.

Рисунок 1 – Схема устройства жёсткого диска (HDD)

Основные параметры жесткого диска следующие.

Ёмкость – винчестер имеет объем от 40 Гб до 200 Гб и более.

Скорость чтения данных. Средний показатель – около 8 Мбайт/с.

Среднее время доступа. Измеряется в миллисекундах и обо­значает то время, которое необходимо диску для доступа к любому выбранному вами участку. Средний показатель – 9 мс.

Скорость вращения диска. Показатель, напрямую связанный со скоростью доступа и скоростью чтения данных. Скорость враще­ния жесткого диска в основном влияет на сокращение среднего вре­мени доступа. Повышение общей производительности особенно за­метно при выборке большого числа файлов.

Размер кэш-памяти – быстрой буферной памяти небольшого объема, в которую компьютер помещает наиболее часто используе­мые данные. У винчестера есть своя кэш-память размером до 8 Мбайт.

Лазерные дисководы используют оптический принцип чтения информации. На лазерных дисках CD (CD – Compact Disk, компакт диск) и DVD (DVD – Digital Video Disk, цифровой ви­деодиск) информация записана на одну спиралевидную дорожку (как на грампластинке), содержащую чередующиеся участки с различной отражающей способностью. Лазерный луч падает на поверхность вра­щающегося диска, а интенсивность отраженного луча зависит от отра­жающей способности участка дорожки и приобретает значения 0 или 1.

На диски CD-R и DVD-R информация может быть записана только один раз. На дисках CD-RW и DVD-RW информация может быть записана/перезаписана многократно.

Для работы с дисками (чтение и запись информации) используются специальные устройства, которые называются дисководами.

Сейчас уже получили широкое распространение пишущие лазер­ные дисководы, которые позволяют не только читать информацию с диска, но и записывать ее на лазерный диск.

Флэш-память. Носители на её основе называются твёрдотельными, поскольку не имеют движущихся частей. Многие производители вычислительной техники видят память будущего исключительно твёрдотелой.

3 УСТРОЙСТВА ВВОДА ИНФОРМАЦИИ

Основным устройством ввода информации в ПК является клавиа­тура. При нажатии на любую клавишу срабатывает миниатюрный переключатель, сигнал от которого отслеживается специальным ми­кропроцессором, посылающим соответствующие сообщения в ком­пьютер, где они обрабатываются операционной системой.

Для управления работой современных программ используются различные манипуляторы. Манипуляторы осуществляют непосред­ственный ввод информации, указывая курсором на экране монитора команду или место ввода данных. Манипуляторы, как правило, под­ключаются к коммуникационному порту.

Джойстик представляет собой ручку управления и наиболее часто используется в компьютерных играх. Джойстики управляют переме­щениями курсора по экрану.

Мышь – наиболее распространенный вид манипулятора. Движе­ние мыши отражается на экране монитора перемещением ее указателя.

Трекбол (шаровой манипулятор) – это шар, расположенный на поверхности клавиатуры вместе с кнопками. Перемещение указателя по экрану обеспечивается вращением шара.

Сенсорные устройства ввода. Принцип ввода данных в сенсорных устройствах аналогичен принципу ввода в манипуляторах-коорди- наторах.

Сенсорный манипулятор – класс координатных устройств – пред­ставляет собой коврик без мыши. В данном случае управление курсо­ром производится простым движением пальца по коврику. Сенсорный экран – представляет собой поверхность, которая покрыта специаль­ным слоем. Это устройство дает возможность выбирать действие или команду, дотрагиваясь до экрана пальцем. Такими устройствами ввода пользуются в банковских компьютерах, аэропортах, а также в военной сфере и промышленности.

Световое перо имеет светочувствительный элемент на своем кон­чике. Соприкосновение пера с экраном замыкает фотоэлектрическую цепь и определяет место ввода или коррекции данных. Световое перо используется в различных системах проектирования и дизайна.

Графический планшет, дигитайзер пользуется для ввода в компьютер чертежей или рисунков. Условия создания изображения приближены к реальным, достаточно специальным пером или пальцем сделать ри­сунок на специальной поверхности. Результаты работы дигитайзера воспроизводятся на экране монитора и в случае необходимости могут быть распечатаны на бумаге. Дигитайзерами пользуются архитекторы, дизайнеры.

Устройства сканирования. В этих устройствах изображение преоб­разуется в цифровую форму для дальнейшей обработки компьютером или воспроизведения на экране монитора.

Сканеры подключаются к компьютеру с помощью SCSI адапте­ров, к параллельному или USB портам.

Сканеры находят широкое применение в издательской деятельно­сти, системах проектирования, анимации, а также при создании ил­люстративных материалов для презентаций, докладов, рекламы.

К устройствам распознавания символов относятся, например, терминалы больших универмагов, они оснащены разнообразными устройствами считывания штрихкодов, специальных символов и ме­ток для определения условий приобретения товара. Считанная инфор­мация преобразуется, выводится на экран или бумажный чек и по ли­ниям связи передается на главный, более мощный компьютер.

Устройства распознавания речи: с помощью микрофона речь челове­ка вводится в компьютер и преобразуется в цифровой код. Большин­ство систем распознавания речи могут быть настроены на особенности человеческого голоса. Это реализуется путем сравнения сказанного слова с образцами, записанными в памяти компьютера. Некоторые системы могут определять одинаковые слова, сказанные разными людьми. Системы распознавания речи находят широкое применение в сфере образования.

4 УСТРОЙСТВА ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ

К средствам визуального отображения относятся мониторы и видеокарты.

Монитор подключается к видеокарте, которая установлена в слот расширения системной платы в системном блоке.

Мониторы имеют различный размер экрана. Размер диагонали экрана измеряется в дюймах (1 дюйм = 2,54 см) и составляет 15,17, 19, 21 и более дюймов.

Монитор ра­ботает под управлением специального аппаратного устройства – видеоадаптера, который преобразует информацию, предназначен­ную для вывода на экран, из внутреннего машинного представле­ния в представление монитора. Изображение во внутреннем ма­шинном представлении (в виде нулей и единиц) хранится в опера­тивной памяти, называемой видеопамятью, размещенной на видеокарте. Изображение в представлении монитора формируется путем считывания содержимого видеопамяти компьютера и ото­бражения его на экран. Главным параметром видеокарты является объем видеопамяти.

Стабильность изображения на экране напрямую зависит от час­тоты считывания изображения. В современных мониторах обновле­ние изображения обычно происходит с частотой 75 Гц и более, что обеспечивает комфортность восприятия изображения пользователем (не так сильно устают глаза при работе с изображением, пользователь не замечает мерцание изображения).

В обязанности современной видеокарты входит быстрая и каче­ственная обработка двумерной графики и поддержка объемного, трехмерного изображения (3D, З-Dimensions). Кроме того, у многих видеокарт есть и дополнительные функции – прием изображения с внешнего источника – видеокамеры, видеомагнитофона или теле­визионной антенны (эти операции выполняют соответственно ви­деовход и TV-тюнер), вывод изображения на внешние устройства – телевизор или видеомагнитофон (этим занимается видеовыход). Ви­деокарта оснащена достаточно мощным специализированным гра­фическим процессором и собственной оперативной памятью (ви­деопамятью), объем которой постепенно догоняет стандартный объ­ем оперативной памяти самого компьютера.

Бурное развитие графического пользовательского интерфейса операционных систем, прикладных и игровых программ явилось стимулом к появлению нового поколения видеоадаптеров, которые принято называть «графическими ускорителями», что означает, что многие графические функции выполняются в самом видеоадаптере на аппаратном уровне, благодаря чему высвобождаются ресурсы процессора для выполнения других задач.

Для вывода данных из ПК на бумажный носитель информации используются специальные печатающие устройства – принтеры.

Современные принтеры позволяют выводить на печать текстовую информацию, а также рисунки и графики.

Для уменьшения загруженности компьютера, под управлением которого они работают, принтеры имеют собственный узкоспециализиро­ванный процессор и оперативную память (буфер), в которую поме­шается полностью или частично информация, выводимая на пе­чать.

По способу получения изображения на бумаге, способу нанесения красящего материала принтеры бывают: матричные, струйные, лазер­ные, термические, литерные.

Матричные принтеры относятся к ударным печатающим устрой­ствам. Изображение формируется с помощью иголок, ударяющих по бумаге через красящую ленту.

Струйные принтеры относятся к безударным устройствам, так как головка печатающего устройства не касается бумаги. Для получения изображения используют чернила. Головка принтера представляет со­бой чернильницу, в которой из дырочек-сопел выбрасываются тонкие струи чернил. В отличие от матричных струйные принтеры работают почти бесшумно и обеспечивают лучшее качество печати, особенно цветной.

Лазерные принтеры для формирования изображения используют лазерный луч. С помощью систем линз тонкий луч лазера формирует скрытое электронное изображение на светочувствительном барабане. К заряженным участкам электронного изображения притягиваются частички порошка-красителя, который затем переносится на бумагу. Закрепление изображения на бумаге осуществляется разогревом тоне­ра до температуры плавления. Лазерные принтеры обеспечивают наи­лучшее качество и высокую скорость печати, но являются наиболее дорогими.

Рассмотрим назначение и принципы действия некоторых дополнительных устройств.

Модем – это устройство для обмена информацией между компью­терами с использованием телефонной сети. Свойства модема опреде­ляются большим числом специфических характеристик, отраженных в его маркировке. Основными характеристиками модемов являются:

- скорость передачи данных;

- конструктивное исполнение (внешнее и внутреннее);

- принцип обмена информацией (односторонний или в обоих на­правлениях).

Сетевая карта – устройство для высокоскоростного межкомпь­ютерного обмена цифровой информацией на небольшие расстоя­ния, включается в системную плату компьютера. Она связана с ана­логичным устройством другого компьютера высокочастотной лини­ей. При отсутствии в компьютере загрузочного диска сетевая карта обеспечивает загрузку операционной системы с другого компьютера.

Факс-модем – это устройство, сочетающее возможности модема и средства для обмена факсимильными изображениями с другими факс-модемами и обычными телефаксными аппаратами.

Саундбластер или звуковая карта позволяет осуществлять запись и воспроизведение звукового сигнала.

К звуковой плате подключается микрофон, акустические колонки и DVD-дисковод. Существует множество моделей звуковых карт, об­ладающих различными возможностями.

На звуковой карте устанавливаются аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи, аналоговый микшер, усилитель, уст­ройства коммутации сигналов и дополнительный порт для подклю­чения цифрового канала накопителя CD. Звуковые карты отлича­ются частотой дискретизации сигнала, разрядностью цифрового ка­нала и наличием/отсутствием аналогового стереоканала.

Видеобластер или видеокарта используется в ПК для вывода статич­ных и подвижных изображений на экран монитора. Она позволяет об­рабатывать изображение, поступающее с видеокамеры, видеомагнито­фона или телевизора. К видеокарте может быть подключен микрофон и акустические системы.

Графопостроитель (плоттер) – это чертёжная машина, позволя­ющая с высокой точностью и скоростью вычерчивать сложные графи­ческие изображения: чертежи, схемы, карты, графики и т.д. Плоттеры бывают барабанного (работают с рулоном бумаги) и планшетного типа (лист бумаги закреплен на рабочей плоскости).

Выше приведены краткие описания только части периферийных устройств ПК. На практике их значительно больше и постоянно по­являются новые. Часть из них находит широкое применение на прак­тике, часть используется для решения специфических проблем или в специальных областях человеческой деятельности. (Например, ди­гитайзер, цифровая фотокамера, электронное перо и др.).

Мультимедиа компьютер – это компьютер с мощным процессором, большой оперативной памятью и жестким диском, имеющий звуко­вую карту с микрофоном и колонками, DVD-дисковод (или Blu гау- проигрыватель), и к которому можно подключить сканер, графиче­ский планшет и принтер. Мультимедиа компьютер позволяет работать с мультимедиа технологиями.

Термин мультимедиа (от английского слова multimedia), можно пе­ревести как многие среды (от multi – много и media – среда).

Мультимедиа технология позволяет интегрировать различные виды представления и обработки информации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Раскрытие вопросов настоящей работы позволяет сформулировать следующие основные выводы.

Персональные компьютеры (что следует из названия) ориентированы на индивидуальную работу, рассчитаны широкий круг пользователей от профессиональных программистов до менеджеров, секретарей фирм, для которых персональный компьютер (ПК) стал таким же естественным помощником в бизнесе как факс и телефон.

Причины успеха ПК объясняются следующими основными факторами:

- индивидуальное использование;

- простота и доступность;

- программное обеспечение, обеспечивающее поддержку всех сфер человеческой деятельности, ориентированное на конкретную область и конкретного специалиста;

- скорость обработки информации, создающая эффект реального времени у пользователя;

- надёжность и простота подключения дополнительного оборудования.

Минимальный комплект ПК составляют: системный блок; монитор (дисплей); клавиатура; манипулятор «мышь».

Системный блок ПК содержит основные устройства компьютера: процессор и сопроцессор, оперативную память, системную шину. Идея ПК состоит в том, что для обеспечения гибкости и наращиваемости структуры все основные устройства компьютера подключены к общей информационной шине (системной шине). Совершенствование аппаратных средств ПК оказывает непосредственное воздействие на формирование новых подходов к созданию эле­ментной базы для смежных отраслей техники и замены «жесткой» (не программируемой) логики на программные принципы построе­ния отдельных устройств и целых комплексов. Изучение аппаратных основ построения ЭВМ дает начальный уровень знаний, достаточный не только для осознанной работы на любом компьютере, но и для освоения информационно-коммуникационных технологий и других областей техники.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аппаратное обеспечение ЭВМ: Учебник / В.Д. Сидоров, Н.В. Струмпэ. – М.: Издательский центр «Академия», 2014. – 336 с.

2. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: Учебник / Н.В. Максимов, Т.Л. Партыка, И.И. Попов. – М.: ФОРУМ; ИНФРА-М, 2013. – 512 с.

3. Гребенюк Г.И. Технические средства информатизации: Учебник. – М.: Издательский центр «Академия», 2041. – 352 с.

4. Информатика и информационные технологии: Учебное пособие / Под ред. Ю.Д. Романовой. – М.: Эксмо, 2008. – 592 с.

5. Информатика и ИКТ: Учебник / М.С. Цветкова, Л.С. Великович. – М.: Издательский центр «Академия», 2014. – 352 с.

6. Информатика. Теория и практика: Учебное пособие / В.А. Острейковский, И.В. Полякова. – М.: Издательство Оникс, 2008 – 608 с.

7. Иопа Н.И. Информатика (для технических направлений): Учебное пособие. – М.: КНОРУС, 2012. – 472 с.

8. Келим Ю.М. Вычислительная техника: Учебник. – М.: Издательский центр «Академия», 2014. – 365 с.

9. Меняев М.Ф. Информатика и основы программирования: Учебное пособие. – М.: Омега-Л, 2007. – 458 с.

10. Организация ЭВМ / К. Хамахер, З. Вранешич, С. Заки. – СПб.: Питер; Киев: Издательская группа BHV, 2003. – 848 с.

11. Основы информатики и вычислительной техники: Курс лекций / Под ред. А.С. Гринберга. – Минск: Академия управления при Президенте Республики Беларусь, 2014. – 355 с.

12. Основы информатики: Учебник / В.Ф. Ляхович, В.А. Молодцов, Н.Б. Рыжикова. – М.: КНОРУС, 2016. – 348 с.

13. Пятибратов А.П., Гудыно Л.П., Кириченко А.А. Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы: Учебное пособие. – М.: Издательский центр ЕАОИ, 2017. – 296 с.

14. Симонович С.В., Евсеев Г.А. Домашний компьютер: необходимый самоучитель. – СПб.: Питер, 2014. – 480 с.

15. Стариченко Б.Е. Теоретические основы информатики: Учебник. – М.: Горячая линия – Телеком, 2016. – 400 с.

16. Степанов А.Н. Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей: Учебное пособие. – СПб.: Питер, 2007. – 509 с.

17. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. – СПб.: Питер, 2007. – 844 с.

18. Экслер А.Б. Современная библия пользователя персонального компьютера. – М.: НТ Пресс, 2013. – 672 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Рисунок А.1 – Общая структура персонального компьютера и её связи с периферийными устройствами