Устройство персонального компьютера (Архитектура и структура персонального компьютера)

Содержание:

Введение

Компьютер в жизни человека занимает далеко не последнее место. В наше время компьютеры есть в большинстве домов. Поэтому нужно знать его, уметь им пользоваться. Используют компьютеры по-разному, для образования, для развлечений, для просмотра фильмов и клипов, причем для выполнения всех этих целей может быть использован один компьютер.

Также используют их и людю абсолютно разных профессий, таких как учителя, инженеры, врачи, дизайнеры, программисты и многие другие. Некоторые из профессий неотъемлемо связаны с компьютерами. Благодаря компьютеру стало возможным создавать практически полностью автоматизированные производства, реализовывать многие проекты, ускорить и сделать более продуктивным процесс обучения и еще многое другое. Однако не каждый человек, который работает на компьютере, представляет себе полностью точный состав ПК.

Развитие и автоматизация производства и увеличение объема информации привели к необходимости создания компьютера как своего рода инструмента для обработки и хранения этой информации.

Поэтому в своей работе я хочу изучить особенности ПЭВМ. Изучить устройство персонального компьютера и его основных компонентов. К каждому компоненту подойти более подробно, изучив, все его особенности.

Актуальность темы исследования заключается в том, что компьютеры с момента своего появления прошли путь от механического устройства до электронного, претерпев при этом огромное количество изменений и новшеств. Сегодня является невозможным представить себе эффективную организацию учебного и рабочего процесса. Компьютеры используется практически во всех сферах деятельности человека. В настоящее время круг задач, требующих для своего решения применения мощных ЭВМ, весьма расширился.

Объект исследования – персональный компьютер.

Предмет исследования – устройство современного персонального компьютера.

Цель работы – изучить особенности устройства современного персонального компьютера.

Задачи исследования:

1. Изучить и проанализировать литературу по теме «Устройство персонального компьютера»
2. Структурировать знания по данной тематике, выделив основные составляющие ПК
3. Выделить основные исторические моменты, которые привели к созданию ПК
4. Изучить понятия «архитектура компьютера» и «структура компьютера»
5. Обобщить полученные в ходе работы знания
6. История создания компьютера

Итак, что же означает понятие «персональный компьютер»?

Согласно ГОСТ 15971-90, Персональный компьютер, ПК или ПЭВМ (персональная электронно-вычислительная машина) – настольная микро-ЭВМ, имеющая эксплуатационные характеристики бытового прибора и универсальные функциональные возможности. [1]

Т.к. компьютер используется людьми для различных целей, его можно назвать универсальным устройством. Л. Л. Босова в учебнике «Информатика» пишет, что компьютер — это «универсальная машина для работы с информацией». [3] И. Г. Семакин добавляет к этому определению слово «техническая». [9]

Термин «персональный компьютер» был введен в 1964 году и относился только к устройству Programma 101 (Olivetti). [5] Но затем был перенесен и на другие компьютеры. В СССР все вычислительные машины, предназначенные для персонального использования, носили название ПЭВМ или персональные электронные вычислительные машины. Сегодня персональным компьютером называют любую ЭВМ, имеющую IBM-совместимую архитектуру [1].

А. Я. Фридланд в толковом словаре «Информатика и компьютерные технологии» дает другое определение. ПК – это компьютер, предназначенный для индивидуального использования. Основные критерии отнесения компьютера к классу ПК: малые размеры, низкая цена, функциональная универсальность, простота модернизации. [11]

В повседневных и рутинных операциях компьютер без проблем заменит человека, но без помощи человека, как пользователя ПК, компьютер работать не сможет. В каких-либо вычислениях, действиях работу компьютера надо контролировать. Для удобного общения между пользователем и ПК служит удобный пользовательский интерфейс.

Принцип работы компьютера заключается в обработке данных. Компьютер может решать серии проблем и принимать тысячи логических решений, тратя на это доли секунд.

К положительным качествам компьютера можно отнести быстродействие, многозадачность, универсальность использования, относительную компактность.

С развитием цивилизации у людей возникала потребность в счете и автоматизации этого процесса. Люди осуществляли торговые сделки, проводили землемерные работы, используя при этом огромные числа и проводя сложные вычисления. Изобретенные издревле счетные палочки, абаки в ходе развития науки и техники эволюционировали в первые калькуляторы, а затем и в персональные компьютеры.

Первой попыткой механизированной устройством стала изобретенная в 1642 году Блезом Паскалем арифметическая суммирующая машина. Она представляла собой ящик с многочисленными связанными одна с другой шестерёнками. Числа, которые нужно сложить, вводились в машину при помощи шестеренок. [6]

В период с 1882 по 1838 гг. математик Чарлз Бэббидж предпринял попытку создать первое программируемое вычислительное устройство. Механизм аналитической разностной машины приводился в действие специальными рукоятками. Она производила вычисления на больших числах с высокой точностью. [6]

В 1890 году было создано первое автоматическое вычислительное устройство, именуемое как Табулятор Холлерита.

Первым вычислительным устройством, использующим двоичную систему счисления стала вычислительная машина Z1, разработанная в 1937 году Конрадом Цузе. [11]

Меньше чем через десятилетие фирма IBM выпустила первый программируемый компьютер Mark I.

Первые ЭВМ:

ЭНИАК (1946) - первый электронный цифровой вычислитель общего назначения, который можно было перепрограммировать для решения широкого спектра задач.

Манчестерская малая экспериментальная машина (1948) - первый электронный компьютер, построенный по принципу совместного хранения данных и программ в памяти.

EDSAC (1949) - первый в мире действующий и практически используемый компьютер с хранимой в памяти программой.

Первые ПК:

«Кухонный компьютер» (1969) - первый домашний компьютер.

Kenbak-1 (1971) – «микрокомпьютер».

Apple I (1976) – первый ПК, продававшийся в полностью собранном виде.

Apple II (1977) – первый ПК в пластиковом корпусе со встроенной клавиатурой, цветной графикой, звуком.

TRS-80 Color Computer (1980) – первый ПК с многопользовательской и многозадачной операционной системой.

IBM PC 5150 (1981) - персональный компьютер на архитектуре Intel x86.

IBM PC/XT (1983) – ПК с жестким диском.

Apple Macintosh (1984) - первый персональный компьютер с манипулятором типа «мышь» и полностью графическим интерфейсом.

Компьютеры, представленные выше являются родоначальниками современного персонального компьютера.

1. Архитектура и структура персонального компьютера

Среди функций компьютера можно выделить две основные:

• работа с информацией (обработка, хранение);
• обмен информацией с внешними объектами.

Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций компьютера:

• обеспечивают эффективные режимы его работы,
• диалог с пользователем,
• высокую надежность и т.д.

Эти функции компьютера реализуются с помощью аппаратного и программного компонента компьютера.

Аппаратное обеспечение, или hardware – это «тело» компьютера, т.е. физическая его часть. Это системный блок со всеми комплектующими. Процессором и материнской платой, оперативной памятью, жестким диском. А также периферийными устройствам и т.д.

Программное обеспечение, или software – это «интеллект» компьютера, т.е. информация и программы для обработки информации и управления процессами.

При рассмотрении персонального компьютера как устройства необходимо различать понятия его архитектуры и структуры.

Под архитектурой компьютера принято считать концептуальную структуру вычислительной машины, определяющую проведение обработки информации и включающую методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения. [11] Другими словами, это общее описание компьютера на бытовом уровне, которое включает в себя описание входящих в него компонентов, принципы их взаимодействия, включая функции и характеристики, а также описание пользовательских возможностей.

Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации. Т.е. это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.

Джон фон Нейман, выдающийся физик-математик, в середине 20-го века предложил несколько основных принципов конструирования персональных компьютеров. Концепция, разработанная фон Нейманом предполагает, соблюдение следующих принципов:

• Принцип однородности памяти. Все команды, программы и данные, хранятся в одной и той же памяти.
• Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Для доступа к ячейкам памяти используются номера ячеек, которые принято называть адресами.
• Принцип программного управления. Все вычисления представлены в виде команд, которые содержат определенную операцию.
• Принцип двоичного кодирования. Вся информация (данные, команды, программы) представлена в памяти компьютера в двоичном виде, т.е. в виде последовательности 0 и 1. [4]

Джон фон Нейман предположил, что компьютер должен состоять из следующих модулей (Рисунок 1).

В настоящее время компьютеры проектируются на принципе открытой архитектуры. Это архитектура, допускающая сборку, усовершенствование и ремонт компьютера по его составным элементам — модулям. Принцип открытой архитектуры используется в конструкции персональных компьютеров, при производстве IBM-совместимых (или Intel-совместимых) ПК.

Рисунок 1 Архитектура фон Неймана.

Открытые спецификации архитектуры компьютера или периферийного устройства позволяют сторонним производителям разрабатывать дополнительные устройства к системам с открытой архитектурой.

Рассмотрим ключевые компоненты современных персональных компьютеров.

• 1. Материнская плата

Материнская плата – это сложная многослойная печатная плата (Рисунок 2), на которой монтируется чипсет и прочие компоненты компьютерной системы. Она является основой построения системы компьютера. Вместе с подключенным к ней устройствами, системная плата встраивается в корпус (системный блок) персонального компьютера. [11]

Рисунок 2 Материнская плата (без подключенных устройств)

Первая материнская плата была разработана фирмой IBM в 1981 году. Эта плата не могла без корректировки поддерживать многие устройства расширения, такие как жесткий диск.

Материнская (системная) плата состоит их следующих основных частей, которые, как правило, являются несъемными:

Разъем центрального процессора (ЦПУ). Разъем, предназначенный для установки в него центрального процессора. Процессор устанавливается в разъем вместо припаивания, и это значительно упрощает замену процессора в случае ремонта или модернизации ПК.

Разъемы оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), или оперативной памяти. В эти разъемы подключаются модули динамической памяти, содержащие полупроводниковые интегральные схемы.

Микросхемы чипсета (северный мост и южный мост).

Северный мост – это специальный прямоугольный чип, расположенный в верхней части материнской платы под процессором, который отвечает за взаимодействие центрального процессора с оперативной памятью и видеоадаптером. Северный мост соединяется с системной платой через согласующий интерфейс и южный мост.

Южный мост – это контроллер –концентратор ввода-вывода. Обычно представлен в виде микросхемы, которая обеспечивает взаимодействие периферийных устройств с ЦПУ.

Особенности материнской платы и то, какие устройства могут подключаться к ней определяют северный и южный мосты.

Загрузочное ПЗУ (BIOS). Это набор микропрограмм, реализующих интерфейс прикладного программирования для работы с аппаратурой компьютера и подключёнными к нему устройствами.

Контроллеры шин и их слоты расширения. Компьютерные шины служат для передачи данных между функциональными блоками компьютера.

Контроллеры и интерфейсы периферийных устройств. Это слоты и разъемы, в которые подключаются устройства ввода/вывода данных (монитор, клавиатура, мышь, принтер и т.д.).

На схеме (Рисунок 3) изображена схема материнской (системной) платы IBM-совместимого компьютера.

Рисунок 3 Схема материнской платы

При выборе материнской платы на этапе сборки или модернизации ПК необходимо проверить совместимость, с остальными аппаратными компонентами и модулями будущего или существующего ПК. Материнская плата должна иметь тот же форм фактор, что и корпус, в который она будет установлена.

Рассматривать материнскую плату как отдельное от всех остальных частей компьютера устройство невозможно — это комплекс, работающий как один организм.

Основной тенденцией развития материнских плат является в основном быстрое развитие процессоров.

• 1. Процессор

Процессор (центральное процессорное устройство - ЦПУ) является главной микросхемой в современном компьютере, т.к. именно он координирует работу остальных частей системы и осуществляет обработку данных. Центральный процессор (Рисунок 4) состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ), устройства управления и набора регистров. Арифметико-логическое устройство обеспечивает выполнение вычислительных действий. Устройство управления обеспечивает порядок выполнения операций и прерывания. Регистры играют роль памяти. [11]

Рисунок 4 Совеременный процессор

Первые процессоры создавались с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников и вакуумных ламп. В середине 1950-х годов были внедрены транзисторы. Затем, спустя десятилетие, появились первые микросхемы, которые поначалу содержали простые транзисторные и резисторные сборки, позднее появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора — микропрограммное устройство, АЛУ, регистры, устройства работы с шинами данных и команд. [10]

Сегодня процессор представлен в виде интегральной схемы или электронного блока. Процессор иногда также называют микропроцессором.

Именно переход к микропроцессорам позволил создать персональные компьютеры, которые проникли почти в каждый дом.

Процессор, как и многие другие устройства, имеет ряд характеристик, которые определяют качество его работы. Ими являются:

• Тактовая частота (синхросигнал) – это число основных операций компьютера, производимых за одну секунду. Тактовая частота измеряется в герцах.
• Производительность – характеристика скорости выполнения определённых операций на компьютере.
• Энергопотребление. Наиболее производительные модели потребляют до 130 и более ватт. В большей части настольных компьютеров этот показатель чаще всего в пределах 100 ватт. Также на этот показатель влияет техпроцесс, по которому изготовлен процессор.
• Архитектура процессора. Существует несколько классификаций архитектур процессоров, например, по скорости выполнения команд, или по назначению.

Принцип открытой архитектуры ПК позволяет установить на компьютер более мощный и производительный центральный процессор. [7]

В последнее десятилетие получили свою популярность многоядерные процессоры. Такие процессоры содержат несколько ядер в одном корпусе. Они предназначены для работы одной копии операционной системы на нескольких ядрах. Сегодня массово доступны процессоры с двумя, тремя, четырьмя, шестью, восьмью ядрами. И процессоры с технологией многопоточности, при включении технологии каждое физическое ядро процессора определяется операционной системой как два логических ядра.

Наиболее популярными производителями процессоров являются Intel, AMD, Qualcomm.

• 1. Оперативная память

Оперативная память – одна из основных частей компьютера. Она предназначена для текущего хранения фрагментов операционной системы, пользовательских программ, их переменных и результатов работы и т.д. Часто оперативную память называют оперативным запоминающим устройством (ОЗУ). Количество задач, которое компьютер может выполнить одновременно, зависит от объема оперативной памяти. [11]

ОЗУ – энергозависимая часть системы компьютерной памяти, т.е. данные доступны и сохраняются тогда и только тогда, когда на модули оперативной памяти подается напряжение. Выключение питания приводит к потере информации.

Оперативная память различается по поколениям. Чем новее поколение, тем выше производительность оперативной памяти, и тем ниже её энергопотребление.

Рисунок 5 Модуль оперативной памяти

Обмен данными (Рисунок 6) между процессором и оперативной памятью производится:

непосредственно;

через регистры в АЛУ, либо через кэш.

Рисунок 6 Схема взаимодействия оперативной памяти с центральным процессором

Первые зачатки оперативной памяти зародились еще в 1834 году, когда математик Чарлз Бэббидж изобретал первую аналитическую машину. Одну из важных частей этой машины он называл «складом» (store), эта часть предназначалась для хранения промежуточных результатов вычислений. Информация в «складе» запоминалась в чисто механическом устройстве в виде поворотов валов и шестерней.

Ранее в качестве оперативной памяти использовались запоминающие устройства, основанные на различных физических принципах (электромагнитные реле, акустические линии задержки, ЭЛ-трубки и т.д.). Позднее использовались также электромагнитные барабаны, магнитные сердечники.

Сейчас применяются два основных вида ОЗУ:

• Статическое ОЗУ – это память в виде массивов триггеров. Этот вид памяти имеет наименьшее время доступа и меньшее энергопотребление, часто используется как кэш-память процессора.
• Динамическое ОЗУ – память в виде массивов конденсаторов.

Оперативная память большинства современных компьютеров представляет собой модули динамической памяти, содержащие полупроводниковые ИС ЗУ, организованные по принципу устройств с произвольным доступом. Память динамического типа дешевле, чем статического, и её плотность выше, что позволяет на той же площади кремниевого кристалла разместить больше ячеек памяти, но при этом её быстродействие ниже. Статическая память, наоборот, более быстрая память, но она и дороже. В связи с этим основную оперативную память строят на модулях динамической памяти, а память статического типа используется для построения кэш-памяти внутри микропроцессора.

• 1. Жесткий диск

Накопитель на жестких магнитных дисках, иначе жесткий диск – это устройство хранения информации произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи. Это главный накопитель памяти в современном компьютере. На жестком диске хранятся все файлы и данные. [11]

Информация в НЖМД записывается на алюминиевые или стеклянные жёсткие пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома — магнитные диски. В НЖМД используется одна или несколько пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении.

В отличие от ОЗУ данное устройство энергонезависимо. [4]

Первый жесткий диск появился в 1956 году и имел вес чуть меньше тонны. Он представлял собой большой ящик с вращающимися тонкими дисками, покрытыми чистым железом.

Первый 5,25-дюймовый жесткий диск был представлен в 1980 году и имел объем 5 Мб. Спустя 3 года был выпущен в продажу 3,5-дюймовый диск с объемом памяти 10 Мб. В 1990 году максимальная емкость достигла 320Мб, в 2000 году – 1 Гб. Сегодня в продаже имеются жесткие диски объемом 8 Тб и более.

Схема устройства жесткого диска представлена на Рисунке 7.

Рисунок 7 Устройство НЖМД

Основными характеристиками жесткого диска являются:

• Ёмкость – количество данных, которое может хранится на жестком диске. На данный момент ёмкость современных НЖМД составляет до 10 Терабайт.
• Размер – физический размер жесткого диска. Наиболее популярны размеры 3,5 и 2,5 дюйма.
• Потребление энергии.
• Сопротивляемость ударам и резким скачкам давления.
• Скорость передачи данных.
• Объем буфера (промежуточной памяти).
  1. Видеоадаптер

Видеоадаптер, или видеокарта - устройство, преобразующее графический образ, хранящийся как содержимое памяти компьютера (или самого адаптера), в форму, пригодную для дальнейшего вывода на экран монитора (Рисунок 8).

Рисунок 8 Современный видеоадаптер

Первые ПК не имели как такового видеоадаптера. Данное аппаратное решение – один из критериев отнесения компьютера к современным поколениям. Видеокарта отвечает за обработку компьютерной графики — одного из наиболее сложных типов данных, требующих высокой производительности микросхем. [5]

Первые видеоадаптер появился в 1981 году, но никакой графической информации кроме текста передать не мог. Этот адаптер поддерживал пять атрибутов текста: обычный, с повышенной яркостью, инверсия, с подчеркиванием, мигающий. Цвет текста определялся только возможностями монитора. Обычно это были белые буквы на черном фоне.

Спустя некоторое время появилась первая цветная видеокарта. Она поддерживала в текстовых режимах 256 атрибутов текста и 16 цветов символа и фона. В графическом режиме было доступно 4 палитры по 4 цвета каждая. Позднее появилась усовершенствованная версия этой карты с расширенной до 64 цветов палитрой.

В 1987 году было выпущено расширение VGA. Был добавлен графический режим 640*480. С 1991 года появилось новое расширение SVGA с добавлением более высоких режимов и дополнительного сервиса. Количество отображаемых цветов увеличилось до 65 536 (16 бит) и 65 777 216 (24 бита). Появились дополнительные текстовые режимы.

Дальнейшее развитие видеоадаптеров было обусловлено появлением пользовательского графического интерфейса операционных систем. Появились видеоадаптеры, которые производят выполнение некоторых графических функций на аппаратном уровне, снимая при этом нагрузку с процессора по окончательному выводу изображения на экран. [6]

Видеокарта обычно представлена в виде платы расширения, которая вставляется в разъем материнской платы (специальный или универсальный). Существуют также материнские платы со встроенными (интегрированными в системную плату) видеокартами.

Современные видеоадаптеры состоят из следующих элементов:

• Графический контроллер - занимается расчётами выводимого изображения, освобождая от этой обязанности центральный процессор, производит расчёты для обработки команд трёхмерной графики.
• Видеоконтроллер формирует изображения в видеопамяти.
• Видео-ПЗУ. В нем записаны экранные шрифты, таблицы и т.д.
• Видео-ОЗУ. В нем хранится изображение, выводимое на экран монитора.
• Цифро-аналоговый преобразователь. Преобразует изображение, которое формирует видеоконтроллер, в уровни интенсивности света.
• Коннектор. Разъемы DVI или HDMI.
• Система охлаждения. Защищает видеокарту от перегрева и сохраняет температурный режим.

Как и другие устройства, видеоадаптеры имеют свои важные характеристики:

• Ширина шины памяти – количество бит информации, передаваемой за такт.
• Объем видеопамяти – объем ОЗУ видеокарты (измеряется в Мб).
  1. Звуковая карта

Звуковая карта – интегрированный в материнскую плату аппаратный кодек или как плата расширения (Рисунок 9).

При создании первых компьютеров наличие звуковой карты не предусматривалось, т.к. ЭВМ не рассматривались как мультимедийные устройства. Единственным звуком, воспроизводимым компьютером, был звук встроенного динамика, который, как правило сообщал об ошибке или неисправности.

Рисунок 9 Звуковая карта

В 1986 году появились первые звуковые платы, которые подсоединялись к компьютеру и воспроизводили монофонический звук. В 1988 году появились устройства на основе принципа частотной модуляции. Затем появились MIDI-совместимые звуковые карты с 200 различными звуками. В конце 1990-х годов появились карты для шины PCI (шина периферийных устройств). В 1998 году компания Creative установила новый стандарт для IBM-совместимых компьютеров, выпустив звуковую карту с поддержкой EAX – технологии для создания звуковых эффектов окружающей среды.

• 1. Сетевая плата

Сетевая плата, или сетевая карта – это дополнительное устройство, позволяющее ПК взаимодействовать с другими компьютерами в сети. В настоящие время всё чаще встречаются сетевые адаптеры, интегрированные в материнскую плату (Рисунок 10). Также встречаются внешние сетевые платы, которые подсоединяются к компьютеру через LPT- и USB-порты, и внутренние, которые вставляются в слоты материнской платы (ISA, PCI). [11]

На стандартных сетевых платах могут быть использованы разъемы для витой пары. А также оптический разъем в более редких случаях. Остальные разъемы подключения такие как для тонкого коаксиального кабеля, для толстого коаксиального кабеля практически не используются. Причем пока работает один из разъемов, другие работать не могут.

Также на плате может присутствовать световой индикатор, сообщающий о наличии подключения к сети и передачи информации.

Рисунок 10 Интегрированная сетевая карта

Первые сетевые адаптеры имели низкую производительность, т.к. передача информации между компьютером и сетью происходила последовательно из-за наличия буферной памяти только на один кадр. Затем для повышения производительности стали применять метод многокадровой буферизации. Выпускаемые сегодня сетевые адаптеры имеют скорость обмена до 1 Гбит/сек и огромное количество высокоуровневых функций.

• 1. Блок питания

Блок питания преобразует переменное напряжение электросети в постоянное напряжение различной полярности и величины, необходимое для питания системной платы и внутренних устройств.

Основной характеристикой БП является мощность. Стандартная мощность блока питания современного компьютера составляет 300 Вт или 400 Вт.

Блок питания содержит вентилятор, создающий циркулирующие потоки воздуха для охлаждения системного блока. Электропитание из единого блока питания подводится ко всем схемам и устройствам системного блока.

• 1. Операционная система

Операционная система, сокр. ОС (англ. operating system, OS) — комплекс управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс между устройствами вычислительной системы и прикладными программами, а с другой стороны — предназначены для управления устройствами, управления вычислительными процессами, эффективного распределения вычислительных ресурсов между вычислительными процессами и организации надёжных вычислений. Это определение применимо к большинству современных операционных систем общего назначения.

В логической структуре типичной вычислительной системы операционная система занимает положение между устройствами с их микроархитектурой, машинным языком и, возможно, собственными (встроенными) микропрограммами — с одной стороны — и прикладными программами с другой.

Разработчикам программного обеспечения операционных систем позволяет абстрагироваться от деталей реализации и функционирования устройств, предоставляя минимально необходимый набор функций (см. интерфейс программирования приложений).

В большинстве вычислительных систем операционная система является основной, наиболее важной (а иногда и единственной) частью системного программного обеспечения. С 1990-х годов наиболее распространёнными операционными системами являются системы семейства Microsoft Windows и системы класса UNIX (особенно Linux и Mac OS).

Основные функции:

• Выполнение по запросу программ (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.).
• Загрузка программ в оперативную память и их выполнение.
• Стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода).
• Управление оперативной памятью (распределение между процессами, организация виртуальной памяти).
• Управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жёсткий диск, оптические диски и др.), организованным в той или иной файловой системе.
• Обеспечение пользовательского интерфейса.
• Сохранение информации об ошибках системы.

Дополнительные функции:

• Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность).
• Эффективное распределение ресурсов вычислительной системы между процессами.
• Разграничение доступа различных процессов к ресурсам.
• Организация надёжных вычислений (невозможности одного вычислительного процесса намеренно или по ошибке повлиять на вычисления в другом процессе), основана на разграничении доступа к ресурсам.
• Взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация.
• Защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от действий пользователей (злонамеренных или по незнанию) или приложений.
• Многопользовательский режим работы и разграничение прав доступа (см. аутентификация, авторизация).

Существуют две группы определений операционной системы: «набор программ, управляющих оборудованием» и «набор программ, управляющих другими программами». Обе они имеют свой точный технический смысл, который связан с вопросом, в каких случаях требуется операционная система.

Есть приложения вычислительной техники, для которых операционные системы излишни. Например, встроенные микрокомпьютеры, содержащиеся во многих бытовых приборах, автомобилях (иногда по десятку в каждом), простейших сотовых телефонах, постоянно исполняют лишь одну программу, запускающуюся по включении. Многие простые игровые приставки — также представляющие собой специализированные микрокомпьютеры — могут обходиться без операционной системы, запуская при включении программу, записанную на вставленном в устройство «картридже» или компакт-диске.

• Операционные системы нужны, если: вычислительная система используется для различных задач, причём программы, решающие эти задачи, нуждаются в сохранении данных и обмене ими. Из этого следует необходимость универсального механизма сохранения данных; в подавляющем большинстве случаев операционная система отвечает на неё реализацией файловой системы. Современные системы, кроме того, предоставляют возможность непосредственно «связать» вывод одной программы с вводом другой, минуя относительно медленные дисковые операции;
• различные программы нуждаются в выполнении одних и тех же рутинных действий. Например, простой ввод символа с клавиатуры и отображение его на экране может потребовать исполнения сотен машинных команд, а дисковая операция — тысяч. Чтобы не программировать их каждый раз заново, операционные системы предоставляют системные библиотеки часто используемых подпрограмм (функций);
• между программами и пользователями системы необходимо распределять полномочия, чтобы пользователи могли защищать свои данные от несанкционированного доступа, а возможная ошибка в программе не вызывала тотальных неприятностей;
• необходима возможность имитации «одновременного» исполнения нескольких программ на одном компьютере (даже содержащем лишь один процессор), осуществляемой с помощью приёма, известного как «разделение времени». При этом специальный компонент, называемый планировщиком, делит процессорное время на короткие отрезки и предоставляет их поочерёдно различным исполняющимся программам (процессам);
• оператор должен иметь возможность, так или иначе, управлять процессами выполнения отдельных программ. Для этого служат операционные среды — оболочка и наборы утилит — они могут являться частью операционной системы.

Таким образом, современные универсальные операционные системы можно охарактеризовать, прежде всего, как:

• использующие файловые системы (с универсальным механизмом доступа к данным),
• многопользовательские (с разделением полномочий),
• многозадачные (с разделением времени).

Многозадачность и распределение полномочий требуют определённой иерархии привилегий компонентов самой операционной системе. В составе операционной системы различают три группы компонентов:

• ядро, содержащее планировщик; драйверы устройств, непосредственно управляющие оборудованием; сетевая подсистема, файловая система;
• системные библиотеки;
• оболочка с утилитами.

Большинство программ, как системных (входящих в операционную систему), так и прикладных, исполняются в непривилегированном («пользовательском») режиме работы процессора и получают доступ к оборудованию (и, при необходимости, к другим ресурсам ядра, а также ресурсам иных программ) только посредством системных вызовов. Ядро исполняется в привилегированном режиме: именно в этом смысле говорят, что система (точнее, её ядро) управляет оборудованием.

В определении состава операционной системы значение имеет критерий операциональной целостности (замкнутости): система должна позволять полноценно использовать (включая модификацию) свои компоненты. Поэтому в полный состав операционной системы включают и набор инструментальных средств (от текстовых редакторов до компиляторов, отладчиков и компоновщиков).

1. Периферийные устройства

Любые устройства, подключаемые к компьютеру, но не отвечающие за непосредственное функционирование компьютера, называются периферийными. Все периферийные устройства можно разделить на три группы:

Устройства ввода информации – мышь, клавиатура, веб-камера, микрофон, тачпад, сканер и т.д.

Устройства вывода информации – монитор, принтер, акустическая система.

Устройства ввода/вывода, или устройства хранения – жесткий диск, флэш-накопитель. [8]

Рисунок 11 Периферийные устройства (монитор, принтер, наушники, флэш-накопитель, клавиатура, мышь, акустическая система, веб-камера)

Периферийные устройства также имеют интерфейсы подключения, поэтому при выборе стоит обращать внимание на совместимость с ПК. Любое периферийное устройство служит для расширения возможностей ПК. Это устройства, которые могут сделать использование ПК более комфортным и в некоторых случаях более продуктивным.

Рассмотрим подробнее некоторые из них.

• 1. Монитор

Монитор – устройство вывода изображения, предназначенное для визуального восприятия информации. Монитор состоит из экрана (матрицы), блока питания (внешнего или встроенного), платы управления. Иногда в монитор установлены динамики. Вывод информации происходит благодаря сигналам, поступающим от видеокарты (видеоадаптера).

Мониторы можно разделить на классы исходя из типа матрицы (экрана).

Это:

ЭЛТ, мониторы на основе электронно-лучевой трубки (Рисунок 12);

ЖК, жидкокристаллические мониторы (Рисунок 13);

OLED-мониторы, мониторы на основе органических диодов и др.

Рисунок 12 ЭЛТ-монитор

Рисунок 13 ЖК-монитор

К современным видеокартам возможно подключать более одного монитора или использовать телевизор вместо монитора

Основные параметры монитора:

Размер экрана – длина по диагонали.

Соотношение сторон экрана. Наиболее популярные в наше время 16:9, 19:9 и набирающие популярность 21:9.

Разрешение – количество пикселей по горизонтали и вертикали.

Плотность пикселей.

Частота обновления экрана – количество сменяемых кадров за единицу времени.

Значения контрастности.

Уголы обзора.

• 1. Принтер

Принтер (printer) – устройство для печати на бумаге черно – белого или цветного текста либо изображения. В ПЭВМ используются матричные, лепестковые, струйные и лазерные принтеры.

Первые доступные принтеры поступили в продажу в середине 1980 годов.

По количеству выдаваемых цветов принтеры можно разделить на монохромные принтеры (черно-белые) и цветные.

Матричные принтеры наиболее распространены. Печатаемые знаки синтезируются в матричных принтерах при помощи игольчатой матрицы (головки), двигающейся вдоль каждой печатаемой строки по специальной направляющей и ударяю­щей по красящей ленте. Чаще всего применяются принтеры с 9-и 24-игольчатыми головками. Эти принтеры позволяют получить вполне приемлемое для большинства приложений качество печати, в том числе за счет многократных проходов при печати одной строки с небольшими смещениями.

Вместе с тем это снижает и без того невысокую скорость печати. Недостатком матричных принтеров следует считать и довольно значительный уровень производимого при печати шума.

Важной характеристикой матричного принтера, также указываемой в его паспорте, являются количество и виды встроенных шрифтов и возможность печати кириллицы. Вместе с тем большинство современ­ных программных систем обработки текстов (Word, Word. for Windows, Word Perfect, Lexicon и др.) включают специальные "загружаемые" шрифты (soft fonts).

Качество печати, обеспечиваемое матричными принтерами, практически не уступает качеству, обеспечиваемому пишущей машинкой, однако оно совершенно недостаточно при работе с графикой, а также для изготовления оригинал-макетов, которые можно было бы использовать в полиграфии.

Лазерные принтеры обладают многообразными возможностями печати, обеспечивают ее высокое качество при значитель­ной скорости.

Лазерные принтеры имеют собственный расширяемый блок памяти. Они позволяют масштабировать шрифты, широко использовать "загружаемые" шрифты. "Паспортная" скорость печати у различных моделей лазерных принтеров, как правило, колеблется от 4 до 16 страниц в минуту. Вместе с тем эта скорость зависит от объема собственной памяти принтера и может заметно сократиться при ее недостатке для конкретной печатаемой информации.

Лазерные принтеры используют исключительно листовую бумагу (форматов А4, A3 и др.), в связи с чем существенное значение приобретает емкость подающего бумагу лотка, так как от нее зависит скорость работы принтера: бумагу необходи­мо периодически подкладывать в лоток вручную. Недостатком лазерных принтеров являются довольно жесткие требования к качеству бумаги - она должна быть достаточно плотной (обычно не менее 80 г) и не должна быть рыхлой, недопустима печать на бумаге с пластиковым покрытием и т.д.

Особенно эффективны лазерные принтеры при изготовлении оригинал-макетов книг и брошюр, рекламных проспектов, деловых писем и иных материалов, требующих высокого качества. Они позволяют с большой скоростью печатать графики, рисунки.

В последние годы появилась целая гамма лазерных принтеров, обеспечивающих не только черно-белую, но и многокрасоч­ную цветную печать.

Даже самые простые модели лазерных принтеров в пять - десять раз дороже средних моделей матричных принтеров, а цена цветных лазерных принтеров более чем стократно пре­восходит цену матричных. Весьма дороги и сменные картриджи, содержащие красящий порошок. Все это делает лазерные принтеры малопригодными для изготовления значительных тиражей, поскольку печать одного листа обходится существен­но дороже ксерокопии.

В последние годы все более широкое распространение среди пользователей ПЭВМ получают струйные принтеры. Этот тип принтера занимает промежуточное положение между матричными и лазерными принтерами. Струйные принтеры, являясь, как и матричные, построчно печатающими, обеспечивают качество печати, приближающееся к качеству лазерных принтеров. Они просты в эксплуатации и работают практически бесшумно. При работе под управлением соответствующих программных средств струйные принтеры позволяют печатать вполне удовлетворительные по качеству графические мате­риалы. Вместе с тем скорость печати, обеспечиваемая струйными принтерами, ненамного превосходит скорость печати матричными принтерами, а их стоимость - в два-три раза выше. Струйные принтеры вполне успешно применяются во всех случаях, когда скорость печати и качество не являются критическими факторами. Красящая жидкость ("чернила") для струйных принтеров помещается в специальных компактных картриджах. Она производится нескольких цветов, так что простой заменой картриджа можно обеспечить печать многоцветных изображений.

• 1. Клавиатура

Клавиатура – устройство ввода информации, которое позволяет пользователю вводить информацию в компьютер путем нажатия клавиш. Клавиатура подключается к компьютеру через порты PS/2 или USB. [8]

По своему назначению клавиши делятся на несколько групп:

Алфавитно-цифровые;

Клавиши-модификаторы, предназначенные для изменения действий других клавиш (Ctrl, Alt, Shift Alt Gr, Caps Lock);

Функциональные клавиши – клавиши от F1 до F12.

Клавиши управления курсором;

Клавиши цифровой панели;

Мертвые клавиши - клавиши на компьютерных клавиатурах, позволяющие изменить вид следующего вводимого символа.

Специализированные клавиши – клавиши управления звуком, аудиопроигрывателем, сетевыми возможностями ПК, и др.

Популярная раскладка QWERTY (Рисунок 14), используемая на современных клавиатурах была разработана в 1870-е годы Кристофером Шоулзом и использовалась на пишущих машинках.

Рисунок 14 Популярная раскладка клавиатуры QWERTY.

• 1. Мышь

Компьютерная мышь – устройство ввода, которое служит для управления курсором и отдачи различных команд компьютеру. Перемещая мышь по поверхности стола или специального коврика, мы управляем курсором на экране монитора. Стандартная мышь содержит правую и левую программные клавиши, а также колесо прокрутки (Рисунок 15).

Компьютерная мышь получила распространение с появлением графического интерфейса операционных систем на персональных компьютерах. Среди альтернатив компьютерной мыши можно встретить такие устройства как тачпад, сенсорный экран, трекбол и др.

Рисунок 15 Компьютерная мышь

В настоящее время существуют не только проводные мыши, которые подключаются к компьютеру через USB и PS/2, но и беспроводные, которые используют технологию радиосвязи или Bluetooth.

Заключение

В современном мире компьютер занял определенную нишу в жизни человека. Кто-то использует компьютер, чтобы дистанционного получать образование, кто-то связал с ПК свою работу, некоторым компьютер нужен только для игр и общения в сети Интернет. Но все эти компьютеры имеют общую архитектуру и принципы функционирования, следовательно, и историю развития. Эволюционный процесс, который привел к современным компьютерам, был и продолжает оставаться чрезвычайно быстрым и динамичным.

С момента создания первого компьютера было произведено большое число открытий, которые внесли немаловажные изменения в строение ПК. Компьютер прошел пусть от механической машины, выполнявшей только одно действие до высокотехнологичного мультизадачного и универсального устройства с массой возможностей.

В настоящее время невозможно представить мир без компьютеров. Компьютер – универсальный прибор, который служит нам для обработки и хранения информации, хотя, по сути, он является просто ящиком с набором микросхем.

С развитием технологий и в ходе промышленной революции, человечество сделало огромный шаг вперед во всех сферах жизни и научных изысканиях. Все это, в конечном итоге, привело к появлению техники, способной эффективно заменить некоторые возможности человеческого разума.

Число персональных компьютеров как в мире, так и, в частности, в России стремительно растет; рынок ПК – самый перспективный и доходный среди остальных рынков вычислительной техники, а ведь когда-то компьютер считался роскошью.

Сегодня, когда человечество вступает на путь информационного общества, уметь работать с компьютером важно и необходимо. В школах уже более десяти лет проводятся уроки информатики, где детей учат работать с персональным компьютером.

В данном реферате рассмотрено устройство современного персонального компьютера. Выделены основные этапы развития компьютера. Рассмотрены основные компоненты и модули персонального компьютера и периферийные устройства.

Список использованной литературы

1. Борисова, М.В. Основы информатики и вычислительной техники. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2006. – 544 с.
2. Босова, Л. Информатика. Учебник / Л. Босова. – М. : БИНОМ, 2005. – 208 c.
3. Горнец, Н.Н., Рощин, А.Г.. ЭВМ и периферийные устройства. Компьютеры и вычислительные системы. – М.: Академия, 2012. – 240 с.
4. ГОСТ 15971-90 Системы обработки информации. Термины и определения
5. Максимов, Н.В., Попов, И.И., Партыка, Т.Л.. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем. – М.: Форум, 2012. – 512 с.
6. Максимов, Н.В., Попов, И.И., Партыка, Т.Л... Современные информационные технологии. – М.: Форум, 2012. – 512 с.
7. Могилев, А.В., Пак, Н.И., Хеннер, Е.К.. Информатика. – М.: Академия, 2012. – 848 с.
8. Партыка, Т.Л., Попов, И.И.. Периферийные устройства вычислительной техники. – М.: Форум, 2012. – 432 с.
9. Семакин, И. Г. Информатика и информационно-коммуникационные технологии / И. Г. Семакин. – М.: БИНОМ, 2005. – 176 c.
10. Сырецкий, Г.А.. Информатика. Фундаментальный курс. Том 1. Основы информационной и вычислительной техники. – СПб.: БХВ-Петербург, 2005. – 832 с.
11. Фридланд, А. Я. Информатика и компьютерные технологии. Основные термины / А. Я. Фридланд. – М. : Астрель, 2003. – 272 c.
12. Томашевский, Д. Руководство пользователя = Microsoft Windows 8. Руководство пользователя. — Вильямс, 2013. — 352 с.