Устройство персонального компьютера

Содержание:

Введение

В состав любой вычислительной машины включены устройства, которые должны выполнять функции мыслящего человека. К подобным устройствам относят:

• устройства ввода,
• устройства запоминания (память),
• устройство обработки (процессор),
• устройства вывода.

В зависимости от особенностей конструкции компьютера все эти устройства могут быть объединены в одном общем корпусе, либо выполнены в виде отдельных и громоздких устройств.

Современный рынок средств вычислительной техники содержит огромное количество самых разнообразных модификаций компьютеров. Несмотря на все это разнообразие, любая из конфигураций обязательно содержит в своем составе один и тот же набор устройств.

Сравнивая персональный компьютер и человека, многие называют аппаратное обеспечение компьютера его телом, а программное обеспечение – мозгом компьютера. Ведь только грамотно подобранное, установленное и настроенное программное обеспечение позволяет из груды железа сделать умную и незаменимую практически во всех сферах жизнедеятельности человека машину, которая может трудиться без отдыха, круглые сутки.

Объект исследования – персональный компьютер.

Предмет исследования – устройства персонального компьютера.

Цель исследования – рассмотрение устройства персонального компьютера.

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:

1. Рассмотреть аппаратные составляющие в устройстве персонального компьютера, в частности – корпус, блок питания, процессор, материнская плата, жесткий диск и оперативная память;

2. Рассмотреть программные составляющие персонального компьютера – операционную систему, прикладное и системное программное обеспечение.

Глава 1. Аппаратные составляющие персонального компьютера

1.1 Корпус и блок питания

Корпус – металлическая оболочка персонального компьютера, обеспечивающая защиту «железа» от внешнего воздействия (механических повреждений) и внутреннего (перегрев).

Современный рынок пестрит предложениями различной ценовой категории, размеров, предназначения, внутренней компоновки. Материалов изготовления. Однако существует общепринятые форм-факторные стандарты:

• Mini-ITX и Micro-ATX – непритязательные корпуса. Предназначенные для офисного использования. Они впишутся в интерьер, а возможности «железа» обеспечат выполнение поставленных задач. Реализуются со встроенным блоком питания малой мощности (до 350 Вт);
• ATX – наиболее популярная разновидность, которая обладает должным потенциалом солидности и производительности. Эргономика «внутренностей» актуальна для современных видеокарт, материнских плат и систем охлаждения нового поколения. Поставляется без встроенного БП, сохраняются возможности для пользовательской сборки;
• XL-ATX – выгодное решение для серверной реализации, максимальной производительности игрового и специализированного ПО. Размеры и внутренняя компоновка предусматривают связку нескольких графических подсистем.

Кабель-менеджмент – позволяет собрать обилие проводов в одном месте или рационально рассредоточить их по внутреннему пространству. Помимо эстетической составляющей, кабель-менеджмент создает пространство для воздушного потока системы охлаждения, минимизирует вероятность перегрева комплектующих. Обычно кабель менеджмент представляет собой дополнительную внутреннюю боковую стенку с отверстиями. В них продеваются провода от блока питания, жестких дисков и другие. Получается что провода остаются между боковой стенкой и внутренней дополнительной стенкой, чтобы не мешаться и не спутываться в основном отсеке для комплектующих. На первый взгляд это не так важно, но уверяю вас, попробуйте спрятать и организовать провода всего раз и вы сразу поменяете свое мнение.

Наличие дополнительных отверстий для установки кулера, шумоизолирующий слой внутренней поверхности или противоударная окантовка – полезные дополнения к вышеназванным преимуществам кабель-менеджмента.

От используемого сплава или металла зависит качество системы охлаждения, защита от механического и коррозийного воздействия. Корпуса премиального сегмента состоят из алюминия – он способствует рассеиванию тепла. Коробки для массового потребления выполняются из оцинкованной стали.

Значение имеет также толщина стенок, качество сборки. Если пожалеть денег и приобрести цельнометаллический корпус от неизвестного изготовителя, то вы ощутите на себе всего его минусы: низкопробную штамповку, люфты, вибрации и щели между неплотно подогнанными составными частями.

Толщина стенок обычно составляет 0.5-1 мм, такие показатели обеспечат должный уровень защиты от внешнего воздействия, внутренних шумов.

Наличие большого количества встроенных кулеров не гарантирует эффективность системы теплоотвода. Переплетение воздушных потоков и нерациональное использование мощностей часто становятся причиной перегрева отдельных комплектующих.

Минимальное количество кулеров – два. Один занимается вдувом холодного воздуха (располагается около жесткого диска), второй – выдувает горячий воздух (рядом с процессорным вентилятором). Такая компоновка объясняется законом физики – горячий воздух находится вверху, а холодный – внизу.

В качественном корпусе предусмотрена возможность установки дополнительных вентиляторов. Оптимальной системой охлаждения считается:

• несколько устройств, взаимодействующих с холодным воздухом (около корзинок жесткого диска);
• пара кулеров на выдув сверху, один – на вдув снизу.

Такое расположение создает циркуляцию воздуха, которая препятствует повышению температурного режима внутри корпуса.

Офисные корпуса часто поставляются со встроенными БП, это экономит денежные средства, да и требуемая мощность у таких систем небольшая (до 450 Вт). Домашний компьютер потребляет до 500 Вт.

Коробки без блока питания предназначены для игровых или серверных решений. Производитель предоставляет покупателю свободу в выборе комплектующих. Для комфортной работы мощного ПК понадобится не менее 600 Вт.

Наличие БП – прерогатива представителей бюджетного/среднего сегмента.

Главное назначение блоков питания – преобразование электрической энергии, поступающей из сети переменного тока, в энергию, пригодную для питания узлов компьютера. Блок питания преобразует сетевое переменное напряжение 220 В, 50 Гц (120 В, 60 Гц) в постоянные напряжения +5 и +12 В, а в некоторых системах и в 3,3 В. Как правило, для питания цифровых схем (системной платы, плат адаптеров и дисковых накопителей) используется на­пряжение 3,3 или +5 В, а для двигателей (дисководов и различных вентиляторов) – +12 В. Компьютер работает надежно только в том случае, если значения напряжения в этих цепях не выходят за установленные пределы.

Если заглянуть в паспорт типичного блока питания, то можно увидеть, что блок вырабатывает не только положительные напряжения +5 и +12 В, но и отрицательные: -5 и -12 В. Поскольку на практике выясняется, что для питания всех компонентов системы (электронных схем и двигателей) достаточно +5 и +12 В, возникает вопрос, для чего же используются отрицательные напряжения питания. Ответ прост: в большинстве современных компьютеров они не используются.

Хотя напряжения -5 и -12 В подаются на системную плату через разъемы питания, для ее работы нужен только 5-вольтовый источник питания. Питание -5 В поступает на контакт В5 шины ISA, а на самой системной плате оно не используется. Это напряжение предназначалось для питания аналоговых схем в старых контроллерах накопителей на гибких дисках, поэтому оно и подведено к шине. В современных контроллерах напряжение -5 В не используется; оно сохраняется лишь как часть стандарта шины ISA.

На сегодняшний основным форматом является форм — фактор ATX. В прошлом были формы типа AT, но сейчас они канули в лету. Так же есть блоки небольшого размера, типа как для ноутов, или для маленьких корпусов — SFX

Для компьютерного блока питания выделяют следующие основные характеристики:

1. Мощность блока питания. Главным критерием выбора БП является его мощность. И для того, чтобы вычислить приблизительную мощность блока, который нужен для ПК, необходимо приблизительно посчитать потребляемую мощность компонентов будущего ПК. Это можно сделать как с помощью различных онлайн-калькуляторов, так и простым суммированием данных из характеристик к устройствам, указанных производителем.

Вот примеры энергопотребления некоторых комплектующих:

• Центральный процессор: 65-100 Вт;
• Видеокарта уровня Radeon RX 470 или GeForce GTX 1060: 120 Вт;
• Материнская плата: 40 Вт;
• Жесткий диск: 24 Вт;
• SSD: 2 Вт;
• DVD-RW: 27 Вт.

2. Коэффициент полезного действия, сертификация. Блок питания преобразовывает сетевое напряжение, на что он тоже тратит энергию. Чем лучше он это делает, тем выше его КПД, а чем выше КПД, тем экономичнее будет ПК. Например, при КПД 85% БП будет потреблять 575 Вт, а выдавать 500 Вт. Чем выше КПД блока питания, тем меньше будет рассеивать тепла, соответственно, меньше греться и меньше шуметь. Для БП с высоким КПД существует специальная независимая сертификация 80 PLUS.

Модели, у которых есть сертификат 80 PLUS, потенциально должны быть качественнее тех, у которых его нет, поскольку низкокачественные БП просто не смогут пройти эту сертификацию.

3. Коррекция фактора мощности (Power Factor Correction, сокращенно PFC) – это ещё один параметр, влияющий на работу БП. PFC позволяет более эффективно преобразовывать энергию, автоматически корректируя мощность, снижая чувствительность к скачкам и провалам напряжения.

PFC бывает двух видов: активная и пассивная, но в большинстве современных БП используется активная PFC. К её преимуществам относится и то, что на выходе уменьшаются высокочастотные помехи.

4. Охлаждение. Тут в первую очередь нужно обратить внимание на размер вентилятора. Хорошим вариантом будут модели с вентилятором 120 мм и больше. Чем больше вентилятор, тем меньше ему требуется оборотов для прогона того же количества воздуха. Также на воздухопоток и шум влияют решетка вентилятора и вентиляционные отверстия: чем они тоньше, тем меньше преград будет для потока воздуха.

5. Форм-фактор. Блоки питания бывают следующих форм-факторов:

• ATX – самый распространённый форм-фактор, предназначен для стандартных корпусов типа ATX. Обычно игровые и производительные ПК собираются именно с таким типом БП.
• SFX – миниатюрная версия, предназначенная для компактных корпусов m-ATX.
• TFX – тонкий и вытянутый БП для компактных и тонких систем.
• EPS – аналогичен ATX по всем габаритам кроме глубины, которая может быть больше. Этот форм-фактор предназначен, в первую очередь, для систем с более требовательными к питанию процессорами.

6. Коннекторы. У хорошего блока питания должны быть коннекторы 20+4pin для материнской платы и 4+4pin для процессора. И даже, если на данный момент процессору требуется только 4pin, дополнительный коннектор может пригодиться при апгрейде.Также стоит не забывать, что для игровых видеокарт необходимо дополнительное питание с помощью одного или нескольких коннекторов 6pin или 8pin.

Несмотря на то, что отсутствие части коннекторов можно компенсировать переходниками, есть коннекторы, с которыми так сделать не получится. Это, например, дополнительное питание для мощного процессора.

7. Модульность. Плюсом для БП будет модульная система подключения проводов. В таком случае лишние из них можно отключить, улучшив воздухообмен внутри системного блока. Но особо гнаться за модульностью необязательно, поскольку подобные блоки питания стоят дороже. А порядок в системном блоке можно навести и другими способами, например, просто аккуратно проложив все провода и закрепив их стяжками.

1.2 Процессор и материнская плата

Процессор (центральный процессор) - это очень сложная микросхема обрабатывающая машинный код, отвечающая за выполнение различных операций и управление компьютерной периферии.

Для краткого обозначения центрально процессора принята аббревиатура – ЦП, а также очень распространено CPU - Central Processing Unit, что переводится как центральное обрабатывающее устройство.

Такое устройство как процессор интегрируется практически в любой электронной техники, что говорить о таких устройствах как телевизор и видеоплейер, даже в игрушках, а смартфоны сами по себе уже являются компьютерами, хоть и отличающимися по конструкции.

Так и в персональном компьютере, да и всей компьютерной системе центральный процессор не является единственным. Видеоплата является ярким представителем устройства имеющего свой собственный микрочип процессора GPU (Graphics Processing Unit) – графический процессор.

Сам процессор состоит из десятка миллионов транзисторов, а может уже и больше, при помощи которых собраны отдельный логические схемы, находящиеся в специальном кремниевом корпусе. Именно из-за кристалла кремния очень часто его называют «Камень».

В основе внутренних схем процессора лежит арифметико-логическое устройство, внутренняя память (регистры), и кеш-память (сверх память), которые в свою очередь образуют ядро процессора, а также схемы для управления всеми операциями и схемы управления с внешними устройствами – шинами.

Входная информация представленная данными и командами в процессор попадает через внешние шины. Обработка данных происходит в соответствие с командами в арифметико-логическом устройстве, а результат выводится при помощи устройств вывода. Чем больше разрядность всех схем процессора, тем большее количество информации возможно ему обработать за единицу времени. Делая вывод можно понять, что от разрядности центрального процессора на прямую зависит производительности компьютерной системы в целом.

Хорошим примером станет один из первых микропроцессоров для IBM PC 80286, которые были 16 разрядными. Следующая же модель процессора стала уже 32 разрядной, а 64 разрядные процессоры для ПК появились в 2014 году. Данная разрядность и по сей день остаётся основной разрядностью и используется в производстве в современных процессорах.

Важную роль играет кроме разрядности процессора так называемая тактовая частота, на которую сам процессор и рассчитан. Единицей измерения тактовой частоты является мегагерц (МГц).

В процессоре немного ячеек для обработки данных, называемые регистрами, в них он обычно почти ничего не хранит, а для ускорения, как работы процессора, так и вместе с ним компьютерной системы была интегрирована технология кеширования.

Кешем можно назвать небольшой набор ячеек памяти, в свою очередь выполняющих роль буфера. Когда происходит считывание из общей памяти, копия появляется в кеш-памяти центрального процессора. Нужно это для того, чтобы при потребности в тех же данных доступ к ним был прямо под рукой, то есть в буфере, что увеличивает быстродействие.

Кеш-память в нынешних процессорах имеет пирамидальный вид:

1. Кеш-память 1-го уровня – самая наименьшая по объёму, но в тоже время самая быстрая по скорости, входит в состав кристалла процессора. Производится по тем же технологиям, что и регистры процессора, очень дорогая, но это стоит её скорости и надёжности. Хоть и измеряется сотнями килобайт, что очень мало, но играет огромную роль в быстродействие.
2. Кеш-память 2-го уровня – так же, как и 1-го уровня расположена на кристалле процессора и работает с частотой его ядра. В современных процессорах измеряется от сотен килобайт до нескольких мегабайт.
3. Кеш-память 3-го уровня медленнее предыдущих уровней этого вида памяти, но является быстродейственней оперативной памяти, что немаловажно, а измеряется десятками мегабайт.

Размеры кеш-память 1-го и 2-го уровней влияют как на производительность, так и на стоимость процессора. Третий уровень кеш-памяти — это своеобразный бонус в работе компьютера, но не один из производителей микропроцессоров им пренебрегать не спешит. Кеш-память 4-го уровня существует и оправдывает себя лиши в многопроцессорных системах, именно поэтому на обыкновенно компьютере его найти не удастся.

Важнейшим узлом компьютера является системная плата (system board), иногда называемая материнской (motherboard), основной или главной платой (main board); все эти термины взаимозаменяемы. Практически все внутренние компоненты персонального компьютера вставляются в материнскую плату, и именно ее характеристики определяют возможности компьютера, не говоря уже об его общей производительности. В этой главе мы рассмотрим основные типы материнских плат, их компоненты и интерфейсные разъемы. Существует несколько наиболее распространенных формфакторов, учитываемых при разработке системных плат. Формфактор (form factor) определяет физические параметры платы и тип корпуса, в котором она может быть установлена. Формфакторы системных плат могут быть стандартными (т.е. взаимозаменяемыми) и нестандартными. Нестандартные формфакторы, к сожалению, являются препятствием для модернизации компьютера, поэтому от их использования лучше отказаться.

Современные системные платы невозможно представить без микросхем системной логики. Набор микросхем определяет функциональность системной платы. Другими словами, две любые платы с одинаковым набором микросхем системной логики функционально идентичны, если производитель преднамеренно не добавил некоторые функции, отсутствующие в чипсете, либо не отключил некоторые из имеющихся в нем.

Набор микросхем системной логики включает в себя интерфейс шины процессора (FrontSide Bus — FSB), контроллеры памяти, контроллеры шины, контроллеры ввода-вывода и т.п. Все схемы системной платы также содержатся в наборе микросхем. Если сравнивать процессор компьютера с двигателем автомобиля, то аналогом набора микросхем является, скорее всего, шасси. Оно представляет собой металлический каркас, служащий для установки двигателя и выполняющий роль промежуточного звена между двигателем и внешним миром. Шасси — это рама, подвеска, рулевой механизм, колеса и шины, коробка передач, карданный вал, дифференциал и тормоза. Шасси автомобиля представляют собой механизм, преобразующий энергию двигателя в поступательное движение транспортного средства. Набор микросхем, в свою очередь, является соединением процессора с различными компонентами компьютера. Процессор не может взаимодействовать с памятью, платами адаптера и различными устройствами без помощи набора микросхем. Если воспользоваться медицинской терминологией и сравнить процессор с головным мозгом, то набор микросхем системной логики по праву займет место позвоночника и центральной нервной системы.

Набор микросхем управляет интерфейсом, или соединениями процессора с различными компонентами компьютера. Поэтому он определяет в конечном счете тип и быстродействие используемого процессора, рабочую частоту шины, скорость, тип и объем памяти. В сущности, набор микросхем относится к числу наиболее важных компонентов системы, даже, наверное, более важных, чем процессор. Мне приходилось видеть системы с мощными процессорами, которые проигрывали в быстродействии системам, содержащим процессоры меньшей частоты, но более функциональные наборы микросхем. Во время соревнований опытный гонщик часто побеждает не за счет высокой скорости, а за счет умелого маневрирования. При компоновке системы я бы начинал с набора микросхем системной логики, так как именно от его выбора зависят эффективность процессора, модулей памяти, устройств ввода-вывода, а также разнообразные возможности расширения.

Основой системной платы являются различные шины, служащие для передачи сигналов компонентам системы. Шина (bus) представляет собой общий канал связи, используемый в компьютере и позволяющий соединить два и более системных компонента.

Существует определенная иерархия шин ПК, которая выражается в том, что каждая более медленная шина соединена с более быстрой. Современные компьютерные системы включают в себя три, четыре или более шин. Каждое системное устройство соединено с какой-либо шиной, причем определенные устройства (чаще всего это наборы микросхем) играют роль моста между шинами.

• Шина процессора. Эта высокоскоростная шина является ядром набора микросхем и системной платы. Она используется в основном процессором для передачи данных между кэш-памятью или основной памятью и северным мостом набора микросхем. В системах на базе процессоров Pentium эта шина работает на частоте 66, 100, 133, 200, 266, 400, 533, 800 или 1066 МГц и имеет ширину 64 разряда (8 байт).
• Шина AGP. Эта 32-разрядная шина работает на частоте 66 (AGP 1х), 133 (AGP 2х), 266 (AGP 4х) или 533 МГц (AGP 8x), обеспечивает пропускную способность до 2133 Мбайт/с и предназначается для подключения видеоадаптера. Она соединена с северным мостом или контроллером памяти (MCH) набора микросхем системной логики.
• Шина PCI-Express. Третье поколение шины PCI. Шина PCI-Expres — это шина с дифференциальными сигналами, которые может передавать северный или южный мост. Быстродействие PCI-Express выражается в количестве линий. Каждая двунаправленная линия обеспечивает скорость передачи данных 2,5 или 5 Гбит/с в обоих направлениях (эффективное значение — 250 или 500 Мбайт/с). Разъем с поддержкой одной линии обозначается как PCI-Express x1. Видеоадаптеры PCI-Express обычно устанавливаются в разъем x16, который обеспечивает скорость передачи данных 4 или 8 Гбайт/с в каждом направлении.
• Шина PCI-X. Это второе поколение шины PCI, которое обеспечивает более высокую скорость передачи данных, но при этом обратно совместимо с PCI. Данная шина преимущественно применяется в рабочих станциях и серверах. PCI-X поддерживает 64-разрядные разъемы, обратно совместимые с 64- и 32-разрядными адаптерами PCI. Шина PCI-X версии 1 работает с частотой 133 МГц, в то время как PCI-X 2.0 поддерживает частоту до 533 МГц. Обычно полоса пропускания PCI-X 2.0 разделяется между несколькими разъемами PCI-X и PCI. Хотя некоторые южные мосты поддерживают шину PCI-X, чаще всего для обеспечения ее поддержки требуется специальная микросхема.
• Шина PCI. Эта 32-разрядная шина работает на частоте 33 МГц; она используется, начиная с систем на базе процессоров 486. В настоящее время существует реализация этой шины с частотой 66 МГц. Она находится под управлением контроллера PCI — компонента северного моста или контроллера MCH набора микросхем системной логики. На системной плате устанавливаются разъемы, обычно четыре или более, в которые можно подключать сетевые, SCSI- и видеоадаптеры, а также другое оборудование, поддерживающее этот интерфейс. Шины PCI-X и PCI-Express представляют собой более производительные реализации шины PCI; материнские платы и системы, поддерживающие эту шину, появились на рынке в середине 2004 года.
• Шина ISA. Эта 16-разрядная шина, работающая на частоте 8 МГц, впервые стала использоваться в системах AT в 1984 году (в первоначальном варианте IBM PC она была 8-разрядной и работала на частоте 5 МГц). Эта шина имела широкое распространение, но из спецификации PC99 была исключена. Реализуется с помощью южного моста. Чаще всего к ней подключается микросхема Super I/O.

1.3 Жесткие диски и оперативная память

Накопитель на жестком магнитном диске – это запоминающее устройство, которое является энергонезависимым и перезаписываемым и играет роль основного накопителя данных практически для всех современных компьютеров и ноутбуков. Конструкция накопителя такова, что магнитный носитель, размещенный внутри него – несъемный и представляет собой несколько магнитных пластин, размещенных на одной общей оси.

С каждой поверхностью магнитной пластины работает своя считывающая головка. В отличие от дискеты, в которой считывающая головка движется непосредственно по поверхности магнитного диска, в накопителе на жестком магнитном диске головка не соприкасается с магнитным диском, она находится на небольшом расстоянии в десятые доли микрона от него. За счет данной особенности размещения считывающей головки было достигнуто значительное быстродействие запоминающего устройства за счет увеличении скорости вращения магнитного диска.

Для записи и чтения информации, размещенной на жестком магнитном диске, используются магнитные головки, причем при воспроизведении операций чтения/записи данные головки являются неподвижными, перемещается магнитное покрытие поверхности диска относительно каждой головки. Когда магнитная головка работает на запись информации на диск, на поверхности диска остается «магнитный след», образующий кольцевую траекторию, которую называют дорожка (trek). Размещенные друг под другом на рабочих поверхностях на всех рабочих поверхностях магнитных дисков дорожки называют цилиндр (Рисунок 1).

Рисунок - 1 Геометрия жесткого диска

В жестком диске используется от 3 до 10, а то и более, магнитных диска, каждый из которых имеет по две рабочие поверхности. Некоторые производители жестких дисков оставляют две крайние поверхности у пакета магнитных дисков нерабочими. Это приводит к снижению объема жесткого диска, но вызвано необходимость хранения служебной информации, а также для размещения резервных секторов диска.

Жесткий диск обязательно должен быть герметичным, ведь столь маленькое расстояние между рабочей поверхностью диска и магнитным диском не должно содержать ни пылинки, с целью уберечь тонкий слой магнитного напыления от стирания. Магнитная головка не должна касаться магнитного слоя, и в то же время находиться на расстоянии от него в доли микрона. Поэтому для удовлетворения данных условий используется «воздушная подушка» - в магнитной головке существуют специальные отверстия, через которые в зазор между головкой и рабочей поверхностью подается сжатый воздух в направлении магнитного диска. За счет сжатого воздуха, играющего роль демпфера, магнитная головка не прижимается к рабочей поверхности. При этом подаваемый воздух предварительно тщательно очищается от пыли за счет использования специальных фильтров.

Каждая магнитная дорожка в процессе работы может быть перемещена и настроена на необходимую дорожку. При подготовке жесткого диска к работе пакет магнитных дисков внутри него обязательно форматируется для нанесения разметки магнитных дорожек, нанесения служебных зон секторов на дорожках. Для выполнения операция чтения/записи контроллеру жесткого диска передается адрес в следующем виде: номер цилиндра, номер рабочей поверхности цилиндра, номер сектора на выбранной дорожке. На основании переданного адреса магнитные головки перемещаются к нужному цилиндру и ожидают появления маркера начала дорожки, далее происходит ожидание появления необходимого сектора и только после этого начинается выполнение операции чтения или записи информации. При этом на необходимый цилиндр фактически устанавливаются все головки, но в момент выполнения одной операции чтения или записи работает только одна.

Из-за невысокого расстояния между секторами и высокой скорости вращения магнитных дисков система управления не всегда успевает выполнить переключение на чтение или запись информации к следующему сектору. В данном случае после обработки сектора необходимо дождаться, когда магнитный диск выполнит оборот и под головкой окажется необходимый сектор. Для избегания подобных ситуаций при форматировании диска используется чередование секторов: для этого последовательность нумерации секторов на дорожке задается таким образом, что следующий по порядку номер сектора принадлежит не следующему по физическому размещению сектору, а через “k” секторов (где k - фактор чередования).

Так как физически жесткие диски различных фирм-производителей могут быть по разному реализованы, возникает проблема совместимости диска с устройствами ввода/вывода компьютера. Данная проблема решается за счет стандартизации интерфейсов передачи данных между для подключения жесткого диска к ПК [6].

Любой жесткий диск состоит из герметичного блока (гермоблока) и платы с электронной системой управления жестким диском. Внутри гермоблока находятся все механические части жесткого диска: магнитные диски, шпиндель, на котором размещены магнитные дички, считывающие головки, а также небольшой плоский двигатель, который может размещаться под дисками или встроен непосредственно в шпиндель (рисунок 2).

Рисунок 2 – Физическое устройство жесткого диска

При вращении дисков внутри гермоблока создается обильный воздушный поток, при этом воздух фильтруется специальным фильтром, размещенным в одной из стенок гермоблока. За счет воздушного потока и возникает воздушная подушка между головкой жесткого диска и магнитной поверхность, защищая их от преждевременного износа и выхода из строя.

Ближе к интерфейсным разъемам жесткого диска размещается поворотный позиционер, визуально схожий с небольшим башенным краном – на одной стороне его оси расположены несущие с магнитными головками, а на другой – хвостовик с обмоткой электромагнитного привода. При повороте коромысла, расположенного на позиционере, головки передвигаются от крайних дорожек диска к центральным дорожкам и наоборот. Угол между осями позиционера и шпинделя рассчитан таким образом, чтобы при повороте диска головка омела наименьшее отклонение от касательной дорожки.

В ранних моделях жестких дисков в качестве позиционера использовался шаговый двигатель. В связи с этим расстояние между дорожками напрямую зависело от величины шага двигателя. Современные модели в качестве позиционера используют линейный двигатель, не имеющий дискретности, в связи с чем установка головки на дорожку осуществляется с использованием сигналов, записанных на дисках. Это позволило увеличить точность работы привода, а соответственно и плотность записи на дисках.

Оперативная память компьютера — память, которая хранит временную информацию, необходимую для нормального функционирования запущенных процессов и программ. При завершении работы системы она обнуляется.

Физическая память реализована в архитектуре компьютера в виде микросхем. Она делится на физические страницы, а адресное пространство делится на логические страницы. К физической памяти относят жёсткие диски, съёмные модули памяти, внешние накопители.

Разновидностью оперативной памяти является видеопамять. Это память, которая используется в видеокартах компьютера для обработки графических процессов. Видеопамять снабжает графический процессор всей информацией, необходимой для визуализации изображения. Чем выше значение объёма видеопамяти, тем проще процессору обрабатывать графику компьютера, а, значит, кадры на экране будут меняться быстрее и качественнее.

Оперативная память временно сохраняет данные, и его производительность зависит от производительности компьютера. Чем больше объем оперативной памяти, тем плавно будет работать операционная система, а более быстрые программы будут загружаться. Для домашнего использования будет хватать до 4 гигабайт, в то время как игровые компьютеры и ресурсоемкие приложения потребуют от 8 до 32 гигабайт оперативной памяти. Скорость, измеренная в МГц, является еще одним соображением в отношении того, что напечатано, но, самое главное, ОЗУ должно быть совместимо с основной платой. Наиболее популярными типами оперативной памяти сейчас являются DDR3 и DDR4.

Глава 2. Программные составляющие персонального компьютера

2.1 Операционная система

Операционная система – программа, которая позволяет управлять оборудованием — компьютером, мобильным телефоном, часами и так далее. По сути, она является прослойкой между машинным языком и пользователем.

На текущий момент, самые распространенные семейства операционных систем – Windows и UNIX (особенно, Linux и BSD).

Примеры наиболее часто используемых систем.

• Windows
• Linux:
  • Ubuntu
  • CentOS
  • Debian
  • Red Hat
  • Mint
  • Arch Linux
• FreeBSD
• Mac OS X

Основные функции, которые выполняет операционная система: обязательные:

• Управление оперативной памятью.
• Обеспечение пользовательского интерфейса.
• Сохранение информации об ошибках системы.
• Управление данными на носителях (жесткие диски, SSD).
• Запуск программ и обеспечения среды для их корректной работы.
• Унифицированный доступ к периферии (мышь, клавиатура, камера и так далее).

Дополнительные:

• Многозадачность.
• Эффективное распределение ресурсов.
• Ограничение доступа процессам к ресурсам.
• Доступ к системе авторизованному пользователю.
• Предоставление среды для взаимодействия процессов между собой.
• Самозащита от случайных или злонамеренных действий пользователей.

2.2 Системное и прикладное программное обеспечение

Персональные компьютеры - это универсальные устройства для обработки информации. Они могут выполнять любые действия по обработке информации. Однако сам по себе компьютер не обладает знаниями ни в одной области своего применения, все эти знания сосредоточены в выполняемых на компьютере программах. Выражение "компьютер сделал" означает, что на компьютере была выполнена программа, которая позволила совершить соответствующее действие.

Современные словари дают такие определения термина программа.

1) План того, что должно быть сделано, выполнено

2) Закодированная (записанная в специальной форме) информация, вводимая в компьютер для управления его деятельностью.

Первое значение слова было известно задолго до появления компьютеров. Планы могут быть составлены людьми для людей. Для определения компьютерной программы более подходит второе определение.

Программа – это составленная на понятном компьютеру языке точная и подробная последовательность инструкций; или набор инструкций на машинном языке, который хранится в виде файла на магнитном диске и по вашей команде загружается в компьютер для выполнения [6].

Совокупность программ, используемых при работе на ПК и обеспечивающие функционирование аппаратный средств, разработку, отладку и выполнение задач пользователя называется программным обеспечением (ПО). Иными словами программное обеспечение служит интерфейсом между аппаратными средствами ПК и пользователями. Программное обеспечение (Software) по назначению можно разделить на:

• системное (СПО),
• инструментальное (ИПО),
• прикладное (ППО).

Рисунок 2.1 – Классификация программного обеспечения

К системному программному обеспечению относятся программы, управляющие работой аппаратных средств и обеспечивающие услугами пользователей и пользовательские прикладные комплексы:

• операционные системы,
• драйверы (управление вводом/выводом),
• программы-оболочки(NC),обеспечивающие удобства общения с ЭВМ,
• операционные оболочки (графический интерфейс, мультипрограммирование, средства обмена информацией между программами),
• утилиты,
• средства тестирования и диагностики ЭВМ,
• программы, управляющие локальной сетью.

Инструментальное программное обеспечение обеспечивает создание новых программ, включая системные программы, и являются промежуточным классом между системными и прикладными программами. В его состав входят:

• компиляторы,
• интерпретаторы языков высокого уровня.
• библиотеки стандартных программ,
• прикладные утилиты,
• средства редактирования, отладки и тестирования программ.

Языком программирования называется совокупность, состоящая из алфавита, системы записи и набора правил, определяющих синтаксис правильной программы. Машинный язык - это язык, основанный на двоичных кодах, т.е. кодах которые состоят только из 0 и 1 (двоичная система счисления), так как компьютер может воспринимать любые команды только в виде сигналов, принимающих два различных значения: есть сигнал - 1, нет сигнала - 0. Файл - это основная, структурная единица информации, записанная на каком-либо постоянном запоминающем устройстве, например, дискете или винчестере, и имеет конкретное имя, по которому его можно отличить от множества ему подобных.

Программное обеспечение (ПО) или Software - это совокупность программ, используемых при работе на ПК и обеспечивающих функционирование, диагностику и тестирование аппаратных средств, а так же разработку, отладку и выполнение задач пользователя. Программное обеспечение служит интерфейсом между аппаратными ресурсами ПК и пользователями и позволяет решать задачи любой предметной области.

Системное программное обеспечение - это комплекс программ, управляющих работой аппаратных средств и обеспечивающий услугами пользователей и пользовательские прикладные комплексы [12].

Операционные системы - это комплекс программ, предназначенных для управления ресурсами ПК. Фактически операционная система управляет всеми процессами внутри компьютера; производит обмен между компьютером и подключенными к нему периферийными устройствами, обеспечивает возможность общения между прикладными программами и модулями аппаратуры; служит в качестве посредника между компьютером и пользователем.

Драйверы - это специальные программы управления вводом/выводом, позволяющие ОС работать с теми или иными внешними устройствами, обучая ее новому протоколу обмена данными и т.д. Драйверы бывают стандартными и загрузочными. Стандартные драйверы управляют работой стандартных устройств (монитор, клавиатура, диски, принтеры), записываются в ПЗУ ПК и образуют в совокупности «базовую систему ввода/вывода» – BIOS. Загружаемые драйверы (нестандартные) используются для управления дополнительными внешними устройствами ПК, для управления стандартными устройствами, используемыми в режиме, отличном от штатного; для управления верхней, высокой и расширяемой памятью; для формированием виртуальных дисков и работой с ними и т.д.

Утилиты - это вспомогательные программы, чаще всего используемые для организации резервирования; для предотвращения заражения ПК вирусом и ликвидации последствий заражения; для архивации информации; для приспособления других программ к работе с нестандартными языками, текстами, пользователями; для диагностики конфигурации и работоспособности ПК; для убыстрения доступа к информации на дисках (организация кэш-буфера); для оптимизации размещения данных на диске; для динамического сжатия дисков (увеличения объема диска); для защиты хранящихся на компьютере данных.

Программы-оболочки - это программы, обеспечивающие более удобный и наглядный способ общения с ПК, чем ОС. Программы-оболочки не заменяют ОС, а дополняют ее. Например, NC, VC, Norton Navigator.

Операционные оболочки - это программы, которые, как и программы-оболочки, являются надстройкой над ОС, обеспечивают удобство и наглядность общения с ПК, кроме того, расширяют возможности ОС в плане логического уровня интерфейса с пользователем: графический интерфейс, мультипрограммирование, создает интегрированную среду для работы с различными программными средами и информацией различных форматов. Например, WINDOWS 3.10, 3.11 для MS-DOS, Xwindows для Unix [4].

Средства тестирования и диагностики ЭВМ - это программы, составляющие средства технического обслуживания ЭВМ и предназначены для проверки работоспособности, наладки и технической эксплуатации и делятся на средства диагностики, программно-логического контроля, тестовые, программно-аппаратного контроля.

Системы программирования представляют собой интегрированные инструментальные средства, обеспечивающие все основные функции по разработке программ: создание и редактирование исходных модулей, компиляцию или интерпретацию. Создание загрузочных модулей их выполнение, отладку, тестирование, сохранение и документирование и т.д. В состав ОС обычно входят СП какого-либо языка программирования.

Инструментальное программное обеспечение обеспечивает создание новых программ, оригинальных пользовательских систем в любой проблемной области, включая системные программы.

Интерпретатор - это программы, которые выполняют исходный модуль программы в режиме «оператор за оператором», превращая, по ходу работы, каждый оператор языка высокого уровня в машинный код [5].

Прикладное программное обеспечение - это программы или пакеты прикладных программ (ППП), предназначенные для решения задач из различных областей человеческой деятельности, в том числе такие ППП, которые снижают трудоемкость и повышают эффективность работы проблемного пользователя; сюда же относятся все разработанное многочисленными пользователями ПО. Прикладное программное обеспечение можно подразделить на целевое (для решения конкретных задач пользователя, имеет ограниченную область применения) и универсальное (для автоматизации решение целого класса задач или для обработки отдельных видов информации).

ППП общего назначения - это ППП, ориентированные на широкий круг пользователей в различных проблемных областях, позволяющие автоматизировать наиболее часто используемые функции и работы. К пакетам такого типа относятся всевозможные процессоры, текстовые, деловой графики, электронные таблицы, системы управления базами данных (СУБД) и т.д.

Проблемно-ориентированные ППП - это ППП, имеющие достаточно узкое применение, использующие особые методы представления и обработки информации, учитывающие специфику поддерживаемых задач пользователя. Например, CorelDraw, Pbrush, MathCAD, OptiNet, StatGraf, PageMaker и т.д.

Интегрированные ППП — это ППП, объединяющие в себе функции сразу несколько выше перечисленных ППП, как правило, общего назначения. Простейшим типом таких ППП является совокупность функционально-ориентированных, объединенных единым информационным интерфейсом, например, Ms Office, Ms Woks, Lotus [11].

ППП расширяющие функции ОС - это пакеты, определяющие достаточно широкий спектр ПС. Они обеспечивают сопряжения ЭВМ с унифицированными приборными интерфейсами, научными приборами и установками, обеспечивают подключение к ЭВМ дополнительных унифицированных ВУ, обеспечивают поддержку работы в локальных сетях и обеспечивают обмен текстовыми файлами часто используемых форматов, подготовленных на ЭВМ различного типа, обеспечивают расширение функций внешний устройств персонального компьютера [14].

Заключение

Современные персональные компьютеры являются наиболее широко используемыми компьютерами, из характеристики постоянно совершенствуются и развиваются. Данные компьютеры имеют возможность объединения в локальные сети, что может позволить большому количеству пользователей легко обмениваться информацией и получать доступ к различным базам данных.

Несмотря на это стоит отметить, что возможности данных компьютеров далеко не безграничны. А рассмотрение исторических аспектов их формирования и развития связан с двумя важными аспектами. Это автоматизация вычислений путем использования персональных компьютеров и сравнение архитектур и элементной базы компьютеров.

Составляющие персонального компьютера можно разделить на две группы – это аппаратное и программное обеспечение.

К аппаратному обеспечению относят центральный процессор, материнскую плату, оперативную память, жесткие диски, блок питания и корпус.

Программное обеспечение в своем составе включает операционную систему, как основной инструмент взаимодействия пользователя с компьютером, а также набор системного и прикладного программного обеспечения, посредством которого выполняются самые разнообразные задачи.

Список использованных источников

1. Бройдо В.А. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. Питер, 2016 г. ISBN 5-94723-634-6.
2. Гладких В.П. Идеи и решения фундаментальных проблем науки и техники. БХВ-Петербург, 2010 г. ISBN 978-5-94157-663-0.
3. Джарратано Д., Райли Г. Экспертные системы. Принципы разработки и программирование. Вильямс, 2007 г. ISBN 978-5-8459-1156-8, 0-534-38447-1.
4. Ильина О.Е Вычислительные системы, сети и телекоммуникации, изд. - Питер, 2011.
5. Кенин А.В. Практическое руководство системного администратора. БХВ-Петербург, 2013 г. ISBN 978-5-9775-0874-2
6. Киселев С.В. Аппаратные средства персонального компьютера. Академия, 2014 г. ISBN 978-5-7695-8348-3
7. Колесниченко О.Е. Аппаратные средства PC. Наиболее полное руководство. БХВ-Петербург, 2015 г. ISBN 5-94157-257-3.
8. Корнеев В.Н. Вычислительные системы. Гелиос АРВ, 2004 г. ISBN 5-85438-117-6.
9. Крейгон Х. Архитектура компьютеров и ее реализация. Мир, 2008 г. ISBN 5-03-003379-3
10. Курмаз М.Е. Аппаратные средства PC. Ответы и советы. Новое знание, 2014 г. ISBN 985-475-054-Х
11. Люгер Д. Ф. Искусственный интеллект. Стратегии и методы решения сложных проблем. Вильямс, 2005 г. ISBN 5-8459-0437-4, 0-201-64866-0.
12. Мамзелев И.А. Вычислительные системы в технике связи Издательство: Радио и связь, 2007.
13. Мелехин В.И., Павловский Е.Н. Вычислительные системы и сети. Академия, 2013 г. ISBN 978-5-7695-9663-6
14. Паттерсон Д., Хеннесси. Дж. Архитектура компьютера и проектирование компьютерных систем. изд. - Питер. 2012.
15. Петрунин Ю. Ю., Рязанов М. А., Савельев А. В. Философия искусственного интеллекта в концепциях нейронаук. (Научная монография). - М.: МАКС Пресс, 2010.
16. Пятибратов А.П., Гудыно Л.П., Кириченко А.А. Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы, М., 2015.
17. Ручкин В.Н., Фулин В.А. Универсальный искусственный интеллект и экспертные системы. BHV, 2009 г. ISBN: 978-5-9775-0460-7.
18. Соломенчук В., Соломенчук П., Железо ПК 2012, Издательство: БХВ-Петербург, 2012.
19. Таненбаум Э. Архитектура компьютера, изд. - Питер, 2014.
20. Таненбаум Э., Уэзеролл Д., Компьютерные сети, изд. - Питер, 2012.
21. Ту Дж., Гонсалес Р. Принципы распознавания образов, - М.: 1978
22. Финн В.И. Искусственный интеллект. Методология, применения, философия. Красанд, 2011 г. ISBN 978-5-396-00374-3.
23. Чекмарев Ю.В. Вычислительные системы, сети и
24. Шафрин Ю.Н. IBM PC. Бином. Лаборатория знаний, 2012 г. ISBN 5-94774-012-5.
25. Шевченко В.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. Кнорус, 2014 г. ISBN: 978-5-406-00521-7.