Устройство персонального компьютера (История появления ПЭВМ, изобретения предпосылки)

Содержание:

Введение

На протяжении всех этапов своей деятельности человечества занималось накоплением и обработкой накопленных знаний.

Самыми первыми зафиксированными свидетельствами накопления знаний явились наскальные записи в виде рисунков. В основном это графические изображения процессов охоты и производства орудий труда. При этом человек не смог бы уйти далеко, не имея потенциала в развитии форм и средств накопления и передачи знаний.

Следующим этапом развития человечества стало изобретение письменности. Этот этап обеспечил гигантский скачек в развитии человечества. Общество того времени получило возможность качественно развить такие составляющие как красноречие, память, логику. Этот этап ознаменовался созданием календаря, явился предпосылкой к развитию множества наук, в том числе математики, основополагающей науки, предшественницы остальных точных областей знаний человечества.

По прошествии многовековой истории человечество обзавелось новым способом хранения информации – книгопечатанием. Этот этап сделал более доступными для населения стран их культурные ценности.

Далее появляются телеграф, телефон и радио, позволяющие быстро передавать и накапливать знания в больших объемах. Этап ознаменован появлением такого понятия как средства информационных коммуникаций.

Все предыдущие этапы информационного развития человечества породили необходимость в качественном развитии средств накопления, хранения, обработки и передачи информации.

На данном этапе современного информационного общества компьютерные технологии являются одним из основных инструментов «жизнедеятельности» современного человека. Трудно представить, на сколько медленно и были бы вообще возможными ведение бизнеса, научные исследования и, банально, современные развлечения, если бы у общества не было компьютерных технологий.

Одной из наиболее важных составляющих любой современной компьютерной системы является персональный компьютер, используемый в производстве, сфере услуг, или домашнем хозяйстве, о котором и пойдет далее речь.

Глава I.

История появления ПЭВМ, изобретения предпосылки

Вычислительная техника – важнейший компонент процесса вычисления и обработки данных.

Подразделяю такие средства вычислительной техники как аналоговые и электромеханические.

1.1 Аналоговые средства вычислительной техники.

Первыми приспособлениями для вычислений были счетные палочки, по сей день использующиеся, например, в начальных классах общеобразовательных заведений. Постепенно из простейших приспособлений для счета рождались все более и более сложные устройства для счета.

Первыми техническими средствами, позволяющими в некоторой степени автоматизировать процесс вычисления стали арифмометры, умеющие выполнять четыре арифметических действия: умножение, деление, сложение и вычитание. Это изобретение датируется 1623 годом, придумано Шиккардом Вильгельмом. Арифмометр получил практическое применение в руках друга Шиккарда, философа и астронома Иоганна Кеплера. Было усовершенствовано Паскалем «Паскалина 1642г.» и Лейбницом «Арифмометр Лейбница». Готфрид Вильгельм Лейбниц, кстати, описал двоичную систему счисления, тем самым заложив один из ключевых принципов построения всех современных компьютеров. В 1845 году Израиль Штаффель - польский механик, конструктор вычислительных машин, изобрел счетную машину, которая кроме основных арифметических действий могла извлекать квадратные корни. Эти арифмометры использовались вплоть до 70 годов ХХ столетия.

Перфокарты (перфорационная карта, перфорированная карта, от лат. perforo — пробиваю и лат. charta — лист из папируса; бумага) — носитель информации из материала, представляет информацию наличием, или отсутствием отверстий в определённых позициях карты. Являются также важной предпосылкой к появлению ЭВМ. Изобретены в 1804 году французским изобретателем Жозефом Мари Жаккаром. Одно и тоже приспособление, с применением разных перфокарт могло производить товары с разными характеристиками – что явилось одной из предпосылок программирования. В 1832 году Семен Корсаков применил перфорированные карты в конструкции разработанных им «интеллектуальных машин», механических устройств для информационного поиска, являющихся прообразами современных баз данных. Перфокарты в ХХ столетии получили вездесущее распространение в инженерных, производственных и научных областях. В России использовались вплоть до начала 90-х годов конца ХХ века.

1.2 Электромеханические средства вычислительной техники

Появление первых электромеханических цифровых приборов ознаменовалось появлением серии машин Z немецкого инженера Кондрата Цузе. И первой удавшейся ЭВМ Цузе стала Z3, завершенная в 1941 году. Она была построена на телефонных реле. Эта ЭВМ стала первым работающим компьютером управляемым программой, в ней был представлен ряд новшеств, таких как арифметика с плавающей запятой, замена сложной десятичной системы счисления на двоичную.

Английским первым электромеханическим компьютером стал Colossus Mk I, хоть на нем нельзя было реализовать любую вычислительную функцию. В компьютере использовалось большое количество электровакуумных ламп, информация вводилась с перфоленты, машину можно было настроить на выполнение различных операций булевой логики. В серийное производство пошли Colossus Mk II. Однако, по причине секретности, об этой ЭВМ мало упоминаний в трудах по истории компьютеров.

В 1939 году IBM Берри и Атанасов из университета штата Айова разработали первый в мире электронный цифровой компьютер Atanasoff-Berry Computer (ABC), конструкция которого насчитывала более трехсот электровакуумных ламп и в которой в качестве устройства памяти использовался вращающийся барабан.

В 1945 году Джоном Мокли и Джоном Адамом Преспером была создана ЭВМ «ЭНИАК». Эта машина была в 1000 раз быстрее всех аналогов того времени. Этот компьютер полностью удовлетворял требованию полноты Тьюринга , но программа для этой машины определялась состоянием соединений кабелей и переключателей, в чем заключалось главное отличие от машин с хранимой программой. ЭВМ была способна выполнить несколько тысяч операций в секунду в течении нескольких часов, до очередного сбоя из-за сгорания одной из ламп.

1.3 Поколение электронно-вычислительных машин.

Согласно методике оценки развития вычислительной техники имеется пять поколений ЭВМ:

Первое поколение - ламповые компьютеры. Это программируемые компьютеры, построенные на основе электромеханических реле. Выделяются большими размерами и достаточно низкой надежностью в счет частого перегорания элементов. История производства 1942 – 1962 года. Некоторые представители которых описаны в разделе электромеханических средств вычислительной техники данной работы.

Второе поколение – транзисторные компьютеры. Транзисторы – полупроводниковые устройства, пришедшие на смену хрупким и энергоемким лампам. Компоновались на печатных платах, за счет чего значительно были уменьшены размеры и энергопотребление, а также была повышена надежность компьютеров. Сконструированы в 1955-1970 года.

Третье поколение – компьютеры на основе интегральных схем. Характеризуются наличием развитого системного программного обеспечения, обладают возможностями одновременного выполнения нескольких программ. В процессе развития семейства быстродействие изменяется от нескольких десятков тысяч операций в секунду до нескольких миллионов, ёмкость ОЗУ достигает нескольких тысяч слов. Примеры таких компьютеров: IBM—360, IBM—370, ЕС ЭВМ.

Четвертое поколение – ознаменовано воплощением в жизнь идеей замены интегральных схем на одну главную, в которой должны выполняться все арифметические, логические и операции управления. Такое устройство получило название «микропроцессор». Именно на этом этапе и появились персональные компьютеры (ПЭВМ), которые доминируют в большинстве сегментов компьютерного рынка.

Пятое поколение. В соответствии с идеологией развития компьютерных технологий ожидалось создание устройств на основе распределенных вычислений. Ожидалось, что пятое поколение компьютеров послужит базой для создания устройств способных к имитации мышления. В настоящий момент термин «пятое поколение» является неопределенным и применяется , например, при описании систем облачных вычислений.

Глава II.

ПК. Архитектура, основные характеристики

2.1 Персональный компьютер

(ПК) – персональная электронно-вычислительная машина (ПЭВМ) имеет эксплуатационные характеристики бытового прибора и универсальные функциональные возможности. Применяется как средство автоматизации в социальных и производственных сферах деятельности в различных областях народного хозяйства, при этом предназначены для пользователей, не обладающих специальными знаниями в области вычислительной техники и программирования.

ПК с момента появления постепенно заняли передовое положение на рынке как наиболее универсальные устройства, для которых написано невообразимое количество системного и прикладного программного обеспечения, создано большое количество телекоммуникационных технологий. Немаловажным фактором распространения персональных компьютеров «в каждый дом» явилось развитие средств оперативной доставки информации – сеть интернет. ПК стал самой массовой настольной вычислительной системой широкого спектра использования. В счет открытой архитектуры ПК может быть укомплектован широчайшим набором устройств в зависимости от желаний потребителя.

В базовую конфигурацию любого персонального компьютера входит набор из системного блока, устройства вывода информации (монитор, или экран телевизора) и устройства ввода информации (мышь, клавиатура).

2.2 Системный блок.

В состав системного блока персонального компьютера входят такие устройства как материнская плата и подключаемые к ней источник питания, процессор, оперативная память, платы расширений (видео карта, звуковая карта, сетевая карта и т.д.), различные накопители (жесткий диск, дисковод 3,5, CD/DVD привод), система охлаждения.

От типа корпуса системного блока зависит, какого форм-фактора могут быть установлены устройства и их количество, а также количество возможных монтажных мест под эти устройства. В зависимости от вида корпуса монтажные места делят на вертикальные и горизонтальные.

Наибольшее распространение получили корпуса системных блоков формы напоминающей «башню», отсюда название этого типа корпусов «tower». Они Обычно представлены тремя разновидностями: mini-tower, midi-tower и big-tower. Все типы корпусов системных блоков отличаются количеством монтажных мест под устройства и мощностью элементов питания, которые могут быть установлены.

Самый распространенный тип корпусов системных блоков – mini-tower обычно имеет по два монтажных места для CD/DVD приводов, один отсек для привода дискет 3,5’ и комплектуется блоком питания мощностью 200-400 Втт.

Midi-tower имеет расширенное количество монтажных мест. В него устанавливается более мощный блок питания. Зачастую это излишне, отсюда выбор в сторону первого типа корпусов tower.

Третий тип – big-tower используется в качестве корпусов для серверных станций и имеет самые широкие возможности расширения.

На передней панели корпуса любого системного блока располагаются кнопки управления питанием, светодиодные и цифровые индикаторы режимов работы, встроенный динамик «beeper». На задней панели предусмотрены отверстия для подключения устройств ввода/вывода информации и других периферийных устройств.

Корпуса могут отличаться материалом, дизайном и габаритами. Для комфортной работы предпочтительны корпуса с низким уровнем шума.

2.3 Материнская плата.

Материнская плата – главный узел современного компьютера. Этот узел определяет производительные и функциональные возможности ЭВМ.

На ней размещаются:

• Процессор;
• модули оперативной памяти;
• модули постоянной памяти (жесткие диски: HDD, SSD и подобное);
• сверх быстрое запоминающее устройство , называемое также кеш-памятью;
• модуль BIOS;
• CMOS-память, необходимая для хранения данных об аппаратных составляющих и аккумулятором для нее;
• разъемы расширений;
• разъемы интерфейсных кабелей;
• разъемы питания;
• преобразователь напряжения;
• разъемы для подключения клавиатуры, мышки, монитора и т.д;
• для подключения индикаторов питания, кнопок управления питания и динамика (beeper) предусмотрены специальные разъемы вилки.

В большинстве материнских плат в наличии лишь основные функциональные узлы, остальные элементы подключаются с использованием плат расширений. Например, видеокарта, в случае, когда материнская плата не имеет встроенной (интегрированной).

2.4 Микропроцессор.

CPU (Central Processor Unit) – «мозг» любой электронно-вычислительной мащины. CPU представляет из себя сверх большую интегральную схему. Ее возможности определяются размером кристалла и количеством транзисторов. Т.к. в последнем десятилетии был достигнут технологический предел миниатюризации производства процессоров, их начали производить в так называемом многоядерном исполнении. Обычно в них предусмотрено от 2 до 8 ядер находящихся в одном корпусе. При этом, физические ядра для обеспечения многопоточности выполнения задач на делят на логические. Такое деление проводится с применением технологии SMT (Simultaneous Multithreading), у компании Intel эта технология носит название Hyper-threading и удваивает количество процессоров вдвое.

Базовыми элементами CPU являются транзисторные переключатели, на основе которых строятся регистры. Регистры представляют собой набор устройств, имеющих два устойчивых состояния и предназначенных для хранения данных, а также быстрого доступа к ним. Количество и разрядность регистров определяют архитектуру микропроцессора. Выполняемые микропроцессором команды, как правило, предусматривают, выполнение арифметических и логических, передачу управления (условную и безусловную) и перемещение данных между регистрами, оперативной памятью и портами ввода/вывода.

С внешними устройствами микропроцессор сообщается благодаря своим шинам адреса, данных и управления, выведенным на специализированные контакты корпуса микросхемы. Эталоном являются микропроцессоры фирмы Intel. Кроме указанной компании производителями микропроцессоров являются и другие фирмы. Выпускаемые ими микропроцессоры иногда называют клонами (AMD и IBM).

В современных процессорах компании Intel (наиболее распространены процессоры семейства Core) адресная шина которых 64-разрядная. Это означает, что она имеет 64 параллельные линии. Если на линиях есть напряжение, то на них выставляется единица, в противном случае – ноль, образуя, таким образом, 64-битный двоичный адрес, указывающий на определенную ячейку оперативной памяти. Процессор подключается к этой ячейке для копирования данных в свой регистр из области, где хранятся данные. Обработку данных процессор ведет с помощью команд, поступающих на него из той области оперативной памяти, где хранятся программы. Команды представлены байтами (8 разрядами) данных, хотя существуют команды, которые могут быть представлены большим числом байтов. Например, в процессоре Intel Core i5 шина 64-разрядная (существуют также 128-разрядные и 256-разрядные шины). Процессором обрабатываются данные, расположенные в регистрах оперативной памяти и на своих внешних портах. Существует три вида таких данных - обычные данные, адреса и команды. Процессоры Intel Core насчитывают более нескольких тысяч команд и относятся к процессорам с расширенной системой команд (CISC-процессоры). В CISC-процессорах команды представлены длинными байтовыми записями, в отличие от ранних процессоров с сокращенной системой команд - RISC-процессоров, в которой команды требует меньше памяти для запоминания, а их число многократно меньше. По этой причине CISC-процессоры имеют много меньшую производительность, измеренную в тактах, в сравнении с RISC-процессорами. Однако реально в процессе работы RISC-процессора на него могут поступать сложные команды, которые отсутствуют в его системе, в этих случаях их приходится эмулировать последовательностью простейших команд, что заметно снижает производительность RISC-процессоров. В настоящее время находят применения гибридные процессоры, сочетающие достоинства CISC- и RISC-процессоров.

Основные параметры процессоров – напряжение, разрядность, тактовая частота, размер кеша:

Напряжение. Ранние модели процессоров питались 5 Вольт, современные процессоры потребляют не более 3 Вольт. Уменьшение необходимого для их питания напряжения позволило значительно уменьшить размеры кристаллов и снизить тепловыделение.

Разрядность (битность). Определяет размер обработки данных за один такт, которыми процессор обменивается с оперативной памятью. Если размер данных за такт равен 1 байту, то процессор называют восьмиразрядным (8 bit), если размер 2 байта процессор шестнадцатиразрядный (16 bit), если размер равен 4 байтам, то процессор тридцатидвухразрядный (32 bit), если размер равен 8 байтам, то процессор шестидесяти четырех разрядный (64 bit).

Первыми процессорами х86 были 16-разрядными. Но с выпуском процессора 80386 архитектура стала иметь разрядность равную 32. На смену 32-битной архитектуре была предложена 64-битная архитектура в 2002 году фирмой AMD в процессорах линейки К8 (тогда процессоры маркировались как x86-64 и в последствии заменена на AMD64). Не отставая от конкурента, компанией «Интел» было предложено новое обозначение – EM64T (Extended Memory 64-bit Technology). Хотя различий в архитектуре не было никаких: разрядность внутренних регистров 64-битных процессоров удвоилась (с 32 до 64 бит), а 32-битные команды x86-кода получили 64-битные аналоги. Так же, благодаря расширению разрядности шины адресов объем адресуемой процессором памяти значительно увеличился. Основная польза этих преобразований, это поддержка оперативной памяти больше 4 Гб. Каждая ячейка оперативной памяти имеет адрес в 32-х битной операционной системе он записывается как двоичный код длиной в 32 символа. Получаем – 2^32=4294967296 байт, что равняется примерно 4 ГБайтам. Иначе говоря, в 32-битной системе, ячейки памяти расположенные за границей в 4Gb не получат адреса и не будут использованы. В 64-х битной архитектуре размер адресной памяти равен 2^64= 18446744073709551616, т.е. примерно 16 ГБайтам.

Однако, Windows 7 Professional, Windows 7 Enterprise, Windows 7 Ultimate могут поддерживать до 192 GB оперативной памяти, а операционные системы для серверов Windows Server 2008 до 2 TB.

2.5 BIOS

Базовая система ввода/вывода является составной частью аппаратных средств и программным модулем операционной системы одновременно. BIOS встроен в материнскую плату и содержит программы управления клавиатурой, видеокартой, дисками, портами и другими устройствами, до загрузки операционной системы, после чего передает управление последней. BIOS также содержит программу тестирования оборудования компьютера и программу начального загрузчика. Большинство современных видеоадаптеров, а также многие SCSI-контроллеры имеют собственные модули BIOS, которые дополняет систему. В современных ПК BIOS реализован в виде одной микросхемы постоянного запоминающего устройства, установленной на системной плате компьютера. Для хранения в материнских платах применяются электрически перепрограммируемые запоминающие устройства (ППЗУ). BIOS содержит энергозависимую память типа CMOS RAM, в которой хранится информация о текущей дате, показания таймера (часов), конфигурации компьютера (количестве оперативной памяти, типах накопителей и т.д.). В BIOS имеется программа установок, которая может изменять содержимое CMOS-памяти, то есть задавать параметры конфигурации системы и, обычно, запускается нажатием клавиши Delete, или F8 в процессе загрузки компьютера. При загрузке и выполнения контроля оборудования BIOS подает на динамик «beeper» компьютера звуки, по которым можно диагностировать его состояние. Если все в порядке, то подается длинный гудок; если неисправна видеокарта - один длинный и два коротких гудка; если неисправна память - повторяющиеся короткие гудки. Если неисправен процессор, то никаких гудков не будет, поскольку программа выполняется процессором. Система сигнализации неисправностей у разных производителей материнских плат может отличаться.

2.6 Оперативная память

ОЗУ - оперативно запоминающее устройство предназначено для хранения информации, к которой приходится часто обращаться, и обеспечивает режимы ее записи, считывания и хранения. По способу хранения информации оперативная память бывает статической и динамической. Для ее работы необходимо напряжение.

Оперативная память выполнена обычно на микросхемах динамического типа с произвольной выборкой (DRAM). Каждый бит такой памяти представляется наличием (или отсутствием) заряда на конденсаторе, образованном в структуре полупроводникового кристалла. Другой тип памяти - статический (SRAM) - в качестве элементарной ячейки использует так называемый статический триггер (схема которого состоит из нескольких транзисторов). Статический тип памяти обладает более высоким быстродействием и используется, например, для организации кэш-памяти. Для описания характеристик быстродействия оперативной памяти применяются так называемые циклы чтения/записи. Так, для SRAM чтение одного слова выполняется за 3 такта, запись за 4 такта. Динамическая память (DRAM) в современных ПК используется обычно в качестве оперативной памяти общего назначения, а так же как память для видеоадаптера. Микросхемы видеопамяти, используемые в видеоадаптерах, относятся к динамической оперативной памяти, работа которой имеет ряд особенностей, состоящих в том, что доступ к ней осуществляется достаточно крупными блоками, а перезапись производится без прерывания процедуры считывания из памяти. Эту задачу наиболее эффективно решает так называемая двухпортовая RAM, для которой возможно одновременное считывание и запись данных. Такая память представлена VRAM (Video RAM) и WRAM (Window RAM). Для ускорения доступа к памяти со стороны графического ускорителя (что особенно важно в 3D-акселераторах) используется либо MDRAM, использующая распараллеливание операций доступа данным между большим количеством банков памяти. Либо синхронная память SGRAM.

2.7 Постоянная память

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство, обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в ходе выполнения микропроцессором различных программ. Постоянная память имеет также название ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, что обеспечиваются только режимы считывания и хранения. Постоянная память энергонезависима, т. е. может сохранять информацию и при отключенном питании. Все микросхемы постоянной памяти по способу занесения в них информации делятся на масочные, программируемые изготовителем, однократно программируемые пользователем (Program-mable ROM) и многократно программируемые пользователем (Erasable PROM). Последние, в свою очередь, подразделяются на стираемые электрически и с помощью ультрафиолетового излучения. К элементам Erasable PROM с электрическим стиранием информации относятся, например, микросхемы флеш-памяти. От обычных EPROM они отличаются высокой скоростью доступа и быстрым стиранием записанной информации. Данный тип памяти сегодня широко используется для хранения BIOS и другой постоянной информации.

2.8 Кэш-память

Кэшированием данных называется размещение наиболее важных и часто используемых данных в области памяти с более быстрым доступом. Применение кэширования существенно повышает быстродействие ПК при чтении данных (в 10-1000 раз). Помимо кэширования операций чтения данных можно выполнять кэширование записи данных. Применение кэш-записи еще более увеличивает скорость работы ПК, но повышает риск потери данных в случае внезапного выхода системы из строя (например, при отключении электропитания).

2.9 Шина

Связь устройств с материнской платой осуществляется ее шинными интерфейсами. Пропускная способность первой шины, выполненной два десятка лет назад в архитектуре ISA, составляла около 5,5 Мбит/с. Расширением этого стандарта стал EISA (расширенный ISA) производительностью до 32 Мбит/с. С 2000 г. выпуск материнских плат для разъемов ISA и EISA прекращен из-за низкой производительности этих шин.

С выходом процессора Intel 80386 и 80486 для обмена данных между оперативной памятью и процессором внедрен новый стандарт VLB, позволяющий увеличить производительность шины до 130 Мбит/с.

С появлением процессора Intel Pentium внедрена шина стандарта PCI производительностью до 264 Мбит/с для 32-разрядных данных и 528 Мбит/с для 64-разрядных данных. Шина имеет разъемы для подключения внешних устройств и PCI-мосты в виде чипсета для связи с основной шиной ISA/EISA.

Внедрение шины PSI позволило впервые реализовать режим Plug And Play, состоящий в способности операционной системы автоматически реагировать на появление нового устройства и производить его установку на компьютере при помощи автоматических программных средств.

В современных компьютерах используются шины PCI express 3.0 с 16 линиями. Скорость этой шины обеспечивает скорость передачи данных до 32 Гбит/с.

2.9.1 Накопители данных

Для хранения программ и данных в персональных компьютерах используют различного рода накопители, общая емкость которых, как правило, в сотню раз превосходит емкость памяти других видов. По отношению к компьютеру накопители могут быть внешними и внутренними (встроенными). Внешние накопители имеют собственный корпус и источник питания, что экономит пространство внутри корпуса компьютера и уменьшает нагрузку на его блок питания. Внутренние накопители крепятся в специальных монтажных отсеках, что позволяет создавать компактные системы, которые совмещают в системном блоке все необходимые устройства. Сам накопитель можно рассматривать как совокупность носителя и привода. Различают накопители со сменными и несменными носителями. Используемые в настоящее время накопители имеют различные интерфейсы, среди которых преобладают IDE (ATAPI), SATA и SCSI. Встречаются решения на основе USB, PCMCIA, FireWire и других интерфейсов.

Жесткие диски (HDD). В 1973 г. фирмой IBM по новой технологии был разработан жесткий магнитный диск, который мог хранить до 16 Кб данных. Этот жесткий диск имел 30 цилиндров (дорожек), каждый из которых был разбит на 30 секторов, ему присвоили название 30/30. По аналогии с автоматическими винтовками, имеющими калибр 30/30, такие жесткие диски стали называться винчестерами. Головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками первоначально были заключены в герметически закрытый корпус. В современных винчестерах пакет дисков крепится на дисководе, система негерметична. Толщина воздушной подушки, создаваемой аэродинамикой вращающегося диска и формой головки, гораздо тоньше человеческого волоса. С развитием современных технологий все большее распространение получают диски на основе флешь памяти (SSD), характеризующиеся, на данном этапе меньшими объемами возможной хранимой информации и большей дороговизной, при этом несомненно большей скоростью доступа к данным. Небольшие твердотельные накопители могут встраиваться в один корпус с магнитными жёсткими дисками, образуя гибридные жёсткие диски (англ. SSHD, solid-state hybrid drive. Флеш-память в них может использоваться либо в качестве буфера (кэша) небольшого объёма (4–8 ГБ), либо (реже) быть доступной как отдельный накопитель (англ. dual-drive hybrid systems). Подобное объединение позволяет воспользоваться частью преимуществ флеш-памяти (быстрый произвольный доступ) при сохранении небольшой стоимости хранения больших объёмов данных. Главный недостаток NAND SSD — ограниченное количество циклов перезаписи. Обычная (MLC, Multi-level cell, многоуровневые ячейки памяти) флеш-память позволяет записывать данные примерно 3000–10 000 раз (это гарантированный ресурс); в самых дешёвых накопителях (USB, SD, uSD) может использоваться ещё более плотная память типа TLC (MLC-3) с ресурсом порядка тысячи циклов или менее. Самые дорогостоящие виды памяти (SLC, Single-level cell, одноуровневые ячейки памяти) — имеют порядка сотен тысяч циклов перезаписи. Для борьбы с неравномерным износом в высокопроизводительных (SATA и PCIe) SSD применяются схемы балансирования нагрузки: контроллер хранит информацию о том, сколько раз и какие блоки перезаписывались, и при необходимости производит запись в менее изношенные блоки. При выработке реального ресурса банков памяти накопитель может перейти в режим «только для чтения», что позволит скопировать данные. Данный недостаток отсутствует у RAM SSD, а также у нескольких перспективных технологий, которые могут заменить флеш-память, например FRAM, где ресурс может составлять десятки лет в режиме непрерывной перезаписи. При ряде вариантов использования, в том числе в бытовых компьютерах, при корректно работающих алгоритмах выравнивания износа, ресурса SSD накопителей обычно достаточно на многие годы, то есть срок службы превышает сроки морального устаревания.

2.9.2 Оптические компакт-диски (CD/DVD)

Являются основным видом носителя для тиражирования и распространения информации, в случаях, когда нет возможности использовать общедоступные каналы связи (сеть Иентернет). Являются самыми надежными и долговременными хранилищами данных. Они состоят из поликарбонатной основы, отражающего и защитных слоев. В качестве отражающей поверхности обычно используется напыленный алюминий. Цифровая информация представляется здесь чередованием впадин (неотражающих пятен) и отражающих свет островков. Диаметр такого диска обычно составляет 5,25 дюйма. Компакт-диск имеет одну физическую дорожку в форме непрерывной спирали, идущей от наружного диаметра диска к внутреннему. Считывание информации с компакт-диска происходит при помощи лазерного луча, который, попадая на отражающий свет островок, отклоняется на фотодетектор, интерпретирующий это состояние как двоичную единицу. Луч лазера, попадающий во впадину, рассеивается и поглощается, и, следовательно, фотодетектор луч не фиксирует (фиксирует двоичный ноль). Емкость компакт дисков составляет от 170 (мини-CD ROM) до 700 Мб (для CD). DVD (англ. Digital Versatile Disc — цифровой многоцелевой диск; также англ. Digital Video Disc — цифровой видеодиск) — оптический носитель информации, выполненный в форме диска, для хранения различной информации в цифровом виде. Имеет такой же размер, как и компакт-диск, но более плотную структуру рабочей поверхности, что позволяет ему, за счёт использования лазера с меньшей длиной волны и линзы с большей числовой апертурой, иметь больший объём хранимой информации. Современные материнские платы поддерживают загрузку компьютера с CD ROM, что удобно при установке новой операционной системы или при проверке компьютера на наличие вирусов.

В настоящее время корпорация Intel стремится к приведению в жизнь концепции новой архитектуры, предполагающей отказ от всех периферийных интерфейсов, разработанных другими компаниями. С материнских плат убраны PS/2, COM- и LPT-порты для мыши и клавиатуры, интерфейсы FDD и IDE. Остались лишь шины PCI. Взамен разъемов этих портов на платах появились порты USB. IDE заменен шиной SATA с узким 10-приводным шлейфом. Решено также отказаться от ненадежных и малоемких дискет и низкоскоростных гибких дисководов. Основным средством переноса файлов между компьютерами стали перезаписываемые носители CD/DVD (объемом до 700 МБ для CD и 4 ГБ DVD), а также переносные жесткие диски, включая новшества ZIV, Trumb, интерфейсы для CompactFlash-карт, в которые, кроме них, можно вставлять миниатюрные HDD и миниатюрные накопители FLASH-USB.

2.9.3 Сетевые карты

Устройства для подключения компьютера к компьютерной сети через физические среды, будь то кабель (обычно предполагается ethernet), или радиоканал (в этом случае говорим об Wi-Fi). Она, как и любая плата расширения, рассчитана на определенный тип системной (или локальной) шины компьютера.

2.9.4 Монитор

Обычно это экран (дисплей) на котором что-то отображается. Однако экран в кинотеатре нельзя назвать монитором, следовательно, монитор — это устройство с экраном основной функцией которого является отображение чего-либо. Мониторами мы привыкли называть экраны (дисплеи) для компьютеров. Все они делятся на две глобальные категории — ЭЛТ и ЖК. ЭЛТ – электронно лучевая трубка, мониторы этого типа изжили себя и обсуждать их не имеет смысла. ЖК-мониторы в основном различаются между собой по типам матриц. Самым распространенным и дешевым типом матрицы на сегодняшний день является TN+film (Twisted Nematic). К достоинствам этого типа относятся малое время отклика и низкая цена. К недостаткам можно причислить относительно малые углы обзоры, посредственная цветопередача, невысокая контрастность, отсутствие хорошего черного цвета. Если в процессе работы перегорит один из транзисторов, то на экране появится ярко горящий битый пиксель, в то время, как у матриц других типов битый пиксель будет черным. Матрицы типа IPS (In Plane Switching) и S-IPS (Super IPS) отличают широкие углы обзора, высокое качество цветопередачи, высокая контрастность и идеальный черный цвет. К недостаткам относятся большое время отклика и высокая энергоемкость. К тому же мониторы на основе такой матрицы отличаются достаточно высокой стоимостью. Помимо вышеперечисленных типов существуют MVA (Multidomain Vertical Aligment) и PVA (Patterned Vertical Alignment) матрицы. Так как по своим свойствам эти матрицы очень похожи, то часто их объединяют в единый тип MVA/PVA. Матрицы этого типа отличают широкие углы обзора, высокая контрастность и яркость, хорошая цветопередача и черный цвет. Время отклика у них меньше чем у матриц IPS , но больше чем у TN+film. Самым существенным преимуществом ЖК-мониторов перед ЭЛТ является то, что они не мерцают. Поэтому ЖК-мониторы намного безопаснее для глаз. Важный параметр — наличие на мониторе порта DVI (Digital Video Interface). Мониторы, оснащенные только аналоговым VGA-входом (D-Sub), содержат дополнительные схемы для преобразования данных в цифровой формат (АЦП — аналогово-цифровой преобразователь). В случае с DVI видеосигнал в монитор идёт напрямую, без преобразования, так что и картинка получается более четкой, чем при использовании VGA-входа.

2.9.5 Периферийные устройства

Периферийными называют устройства персонального компьютера, которые не относятся к числу базовых. Они подключаются к внешним интерфейсам ПК. Использование периферийных устройств позволяет существенно расширить возможности компьютера.

По назначению периферийные устройства можно разделить на устройства ввода данных, устройства вывода данных, устройства хранения данных.

2.9.6 Устройства ввода.

Клавиатура является основным устройством ввода данных в компьютер и представляет собой совокупность механических датчиков, воспринимающих давление на клавиши и замыкающих отдельную электрическую цепь. Наиболее распространены два типа клавиатур: с механическими и мембранными переключателями. Внутри корпуса любой клавиатуры, помимо датчиков клавиш, расположены электронные схемы дешифрации и микроконтроллер клавиатуры. Подключение клавиатуры к системной плате осуществляется посредством разъемов. В большинстве современных ПК используется клавиатура, которая содержит 101 или 104 клавиши. Наиболее распространенным стандартом расположения символьных клавиш является раскладка QWERTY, которая при необходимости может быть перепрограммирована на другую раскладку. На клавиатуре имеется около 60 клавиш с буквами, цифрами, знаками пунктуации и другими символами, встречающимися в печатных текстах, и еще около 40 клавиш, предназначенных для управления компьютером и исполнения программ. Продублированы клавиши управления курсором, а также клавиши Ctrl и Alt. Тенденцией развития клавиатур домашних ПК является повышение их эргономических качеств. После выявления профессиональных заболеваний кистей рук («туннельный» синдром лучезапястного сустава) у интенсивно работающих на клавиатуре групп пользователей, таких как секретари, наборщики и др., производители компьютеров стали уделять вопросам усовершенствования клавиатуры существенно большее внимание. Современная эргономичная клавиатура, как правило, характеризуется изогнутой формой, которая позволяет поддерживать локти в разведенном положении. В некоторых клавиатурах полотно можно разделять на две половины и разносить их на удобное расстояние. Другой тенденцией является оснащение клавиатуры динамиками, манипуляторами типа трекбол, устройствами для считывания пластиковых карт и т. п. Наиболее практичным представляется беспроводная клавиатура, передающая информацию в ПК при помощи радиочастотных каналов (ИК, Bluetooth).

Компьютерная мышь была изобретена в 1964 г. Она имела всего одну кнопку и использовалась в компьютерах Macintosh. Большинство производителей обеспечивают совместимость по системе команд либо с Microsoft Mouse (две управляющие клавиши), либо с Mouse Systems Mouse (три управляющие клавиши), а чаще всего с ними обеими. Главное достоинство мыши состоит в том, что ее использование позволяет значительно повысить скорость работы пользователя на ПК за счет возможностей быстрого доступа к экранным графическим объектам и удобного использования разнообразных контекстных меню. Это достоинство столь значительно, что, несмотря на возможность дублирования ее функций при помощи клавиатуры, мышь безоговорочно считается базовым элементом аппаратуры ПК. К числу регулируемых параметров мыши относятся: чувствительность (выражает величину перемещения указателя на экране при заданном линейном перемещении мыши), функции левой и правой кнопок, а также чувствительность к двойному нажатию (максимальный интервал времени, при котором два щелчка кнопкой мыши расцениваются как один двойной щелчок).

Клавиатура и мышь в настоящее время имеют два способа подключения, через порт PS/2, либо USB.

Кроме клавиатуры и мыши к этим устройствам относятся устройства ввода команд, текстовых и графических данных.

К числу устройств ввода относятся джойстики и аналогичные ему джойпады, геймпады, штурвальные устройства, а также трекбол и пенмаус. Джойстик - стержень-ручка, отклонение которой от вертикального положения приводит к перемещению курсора на экране монитора в заданном направлении. Такое устройство часто применяется в компьютерных играх. В некоторых моделях в джойстик вмонтирован датчик давления. В этом случае, чем сильнее пользователь нажимает на ручку, тем быстрее движется курсор на экране дисплея.Трекбол - небольшая коробка с шариком, встроенным в верхнюю часть корпуса. Пользователь ручкой вращает шарик, управляя тем самым перемещением экранного курсора. В отличие от мыши, трекбол не требует свободного пространства около компьютера, его можно встроить в корпус машины.Пенмаус - аналог шариковой ручки, на конце которой установлено устройство регистрации величины перемещения.

К устройствам ввода графических данных относятся сканеры, дигитайзеры, цифровые камеры.

Сканеры - это устройство для ввода в компьютер изображений, нанесенных на прозрачной или непрозрачной плоской поверхности. Они позволяют вводить в компьютер изображения текстов, рисунков, слайдов, фотографий, чертежей и других графических данных. В большинстве устройств для преобразования изображений в цифровую форму применяются матрица или линейка светочувствительных элементов. По способу перемещения считывающей головки носителя изображении друг относительно друга сканеры подразделяются на планшетные, ручные, рулонные и проекционные. Отличительной особенностью планшетных сканеров является то, что их сканирующая головка перемещается относительно бумаги с помощью шагового двигателя, а изображение при помощи системы призм и зеркал проецируется на специальную линейку ПЗС (прибор с зарядной связью). Разрешающая способность планшетных сканеров, которая измеряется в dpi (dot per inch - точек на дюйм), как правило, определяется числом чувствительных элементов в линейке. Если ширина сканируемой области меньше ширины линейки, то используется только часть фотоэлементов. Офисные сканеры имеют разрешающую способность 600-1200 dpi, профессиональные - 1200-1300 dpi. Работа ручных сканеров основана на том же принципе с той разницей, что перемещение линейки ПЗС производится вручную. Разрешение ручных сканеров невелико и составляет 150-300 dpi. Работа рулонных сканеров напоминает работу факса. Сканирование документов осуществляется при протягивании их через такое устройство. У проекционных сканеров, которые напоминают проекционный аппарат, перемещается только сканирующее устройство. Разновидностью проекционных сканеров являются слайд-сканеры, предназначенные для сканирования фотопленок. Для высококачественной полиграфии используются барабанные сканеры, в которых в качестве светочувствительного элемента используется фотоэлектронный умножитель. Сканеры форм предназначены для ввода данных со стандартных форм, заполненных от руки или механически. Находят использование про проведении переписи населения, обработки результатов голосования на выборах, распознавания результатов проведения единого государственного экзамена в школе и т.д.

Штрих-сканеры - разновидность ручных сканеров. Обычно используются в предприятиях розничной торговли для быстрого считывания штрих-кода товара. Операционная система Windows и прикладные программы взаимодействуют со сканером через программный интерфейс TWAIN.

Дигитайзеры (графические планшеты) - устройства для преобразования изображений (рисунков, чертежей, карт) в цифровую форму. Представляют собой плоскую панель - планшет и специальный инструмент перо, с помощью которого выполняется изображение и производится его фиксация. Устройства удобны для ввода изображений, создаваемых привычными средствами при помощи карандаша, пера, кисти и др.

Цифровые камеры - устройства, воспринимающие изображение с помощью прямоугольной ПЗС-матрицы. Применяются для цифровой фотосъемки. Обеспечиваю разрешающую способность 800x1200 точек и выше. В последнее время находят применение Web-камеры, которые используются для производства и передачи изображений при проведении Интернет-конференций.

2.9.7 Устройства вывода данных

Кроме монитора к устройствам вывода относятся принтеры и плоттеры.

Все принтеры по способу вывода можно разделить на последовательные, строчные и страничные. Можно также классифицировать принтеры на устройства ударного и безударного действия. По технологии печати различают матричные, струйные, лазерные и LED-принтеры, принтеры с термопереносом восковой мастики, с термосублимацией. С изменением фазы красителя.

Матричные принтеры - простые матричные печатные устройства ударного действия, которые при помощи игл, расположенных в один или два вертикальных ряда, ударом переносят краситель с ленты не бумагу, формируя оттиск последовательно символ за символом. Для этих принтеров обычно возможно использование как форматной, так и рулонной бумаги. Головка принтера может быть оснащена 9, 18 или 24 иголками. Существуют модели принтеров с широкой (формат А3) и узкой (формат А4) кареткой. В сравнении с другими видами принтеров матричные имеют низкую производительность, ограниченные возможности, высокий уровень шума. По этим причинам в настоящее время такие принтеры практически вышли из употребления. Струйные принтеры относятся к безударным печатающим устройствам, у которых носитель данных не касается бумаги. Существуют струйные чернильные принтеры непрерывного и дискретного действия. Последние могут использовать термическую «пузырьковую» технологию либо пьезоэффект. Печатающая головка движется относительно неподвижной бумаги. Сопла на печатающей головке разбрызгивают чернила, формируя изображение на бумаге подобно работе игл матричных принтеров. Количество сопл у разных моделей принтеров варьируется в диапазоне от 12 до 256. Максимальная разрешающая способность таких принтеров составляет до 1440 dpi. Современные струйные принтеры отличаются высоким качеством цветной и черно-белой печати, благодаря чему (а также простоте, надежности и низкой цене) получили массовое распределение. Выпуском струйных принтеров занимаются компании Canon, Epson, Hewlett-Packard, Lexmark, Olivetti, Samsung. Лазерные и LED-принтеры используют электрографический принцип получения изображения с помощью частиц сухого порошка - тонера, наносимого на бумагу. Наиболее важными элементами лазерного принтера являются фотопроводящий цилиндр (печатающий барабан), полупроводниковый лазер прецизионная оптико-механическая система, перемещающая луч. Можно выделить печатающие принтеры малого быстродействия (скорость вывода 4-6 страниц в минуту), принтеры среднего быстродействия (8-12 страниц в минуту) и принтеры коллективного использования, так называемые сетевые принтеры (более 12 страниц в минуту), которые имеют большой ресурс печати и могут подключаться непосредственно к сети. Для лазерных принтеров, работающих с бумагой формата А4, стандартом является разрешающая способность 600-1200 dpi. Принтеры, способные работать с бумагой А3, как правило, имеют разрешающую способность 1200 dpi и выше, а также невысокую скорость вывода - 3-4 страницы в минуту. К наиболее важным функциональным возможностям принтеров относятся поддержка технологии повышения разрешающей способности, наличие масштабируемых шрифтов (PostScript, TrueType), объем оперативной памяти и т.п. Современные лазерные принтеры имеют качество печати 1200 dpi и больше, быстрые микропроцессоры (тактовая частота до 66 МГц), до 4 Мб оперативной памяти с возможностью расширения до 68 Мб обычными модулями SIMM для скоростного выполнения печати. Картриджи принтеров обеспечивают печать до 3000 отпечатков, низкие эксплутационные расходы за счет невысокой цены на картридж, а также режимов экономии тонера и электроэнергии. Месячный ресурс печати - 12000 страниц и более. Кроме лазерных принтеров существуют LED-принтеры, которые получили свое название благодаря замене в них полупроводникового лазера «гребенкой» мельчайших светодиодов. Такому принтеру не требуется сложная оптическая система вращающихся зеркал и линз, что позволяет заметно снизить цену машины. На производстве LED-принтеров специализируется компания OKI. Принтеры с терм. переносом восковой мастики используют термопластичное красящее вещество. Нанесенное на тонкую подложку, оно попадает на бумагу в том месте, где нагревательными элементами (аналогами сопел и игл) печатающей головки обеспечивается необходимая температура. Основными составными частями печатающей головки термопринтера несколько крошечных нагревательных элементов, которые расположены примерно так же, как расположены иглы в обычном матричном ударном принтере: друг над другом в два ряда. Поскольку между печатающей головкой и бумагой механический контакт отсутствует, термопринтеры относятся к классу безударных устройств. Принтеры с термо-сублимацией красителя используют технологию, близкую к технологии термо-переноса, с той разницей, что элементы печатающей головки нагреваются до более высокой температуры. При сублимации переход вещества из твердого состояния в газообразное происходит, минуя стадию жесткости: порция красителя сублимирует с подложки и осаждается на бумаге или ином носителе. Комбинацией цветов красителей достигается практически любая цветовая палитра. Эта технология используется только для цветной печати. К их основным преимуществам относятся практически фотографическое качество получаемого изображения и широкая гамма оттенков цветов. Принтеры с изменением фазы красителя имеют восковые стержни для каждого первичного цвета красителя, которые постепенно расплавляются специальным нагревательным элементом и попадают в отдельные резервуары. Далее расплавленные красители специальным насосом попадают в печатающую головку, работающую на основе пьезоэффекта. Капли воскообразного красителя имеют хорошее сцепление с бумагой и застывают практически мгновенно. В отличие от струйной печати при этом не происходит просачивания, растекания и смешивания красителей. Именно поэтому принтеры, использующие технологию с изменением фазы красителя, позволяют использовать любую бумагу. Качество цветов получается безупречным. Допустима двусторонняя печать. Плоттеры (графопостроители) - устройства, позволяющие представлять выводимые из компьютера данные на бумаге преимущественно в виде рисунков и графиков. В качестве плоттера может использоваться принтер. Плоттеры можно разделить на три группы:

• плоттеры, использующие фрикционный прижим для перемещения бумаги в направлении одной оси и движения пера по другой;
• барабанные (или рулонные плоттеры), работающие примерно так же, как и фрикционные, но использующие для перемещения непрерывной перфорированной ленты бумаги специальный трактер;
• планшетные плоттеры, в которых бумага неподвижна, а перо перемещается по обеим осям.

Наиболее часто с персональными компьютерами используются первый и третий типы плоттеров, которые рассчитаны на форматы бумаги А3 или А4. Барабанные плоттеры обычно применяются для вывода длинных непрерывных графиков, диаграмм и больших чертежей, что характерно для задач, связанных с использованием САПР. Различные модели плоттеров могут иметь одно или несколько перьев различного цвета (обычно 4-8). Используют перья трех типов: фитильные (заправляемые чернилами), шариковые (аналог шариковой ручки) и с трубчатым пишущим узлом. Для заправки последнего типа перьев применяется специальная тушь. Связь компьютера с плоттером осуществляется через последовательный, параллельный или SCSI-интерфейс. Некоторые модели графопостроителей оснащаются встроенным буфером (1 Мб и более).

Стандартом для планшетных плоттеров являются машины фирмы Hewlett Packard. В плоттерах могут использоваться как специальные технологии, так и технологии, используемые в принтерах, - лазерная, струйная, LED- и термотехнология. В настоящее время струйные устройства получают большее распространение. Например, плоттеры Hewlett Packard семейства DesignJet формата А0 и А1 работают в 4-5 раз быстрее, нежели их перьевые аналоги. Используя два струйных чернильных картриджа, струйный плоттер работает с разрешением не хуже 300 dpi и имеет два режима - чистовой и эскизный. Применяемый в эскизном (черновом) режиме программный аппарат позволяет почти вдвое сократить расход чернил.

Заключение

Довольно трудно ответить на вопрос, зачем человеку нужен компьютер, ведь он уже успел войти во все сферы деятельности. Изначально необходимый, для проведения сложных научных вычислений и программирования машинного оборудования компьютер стал использоваться во всякой, не связанной с физическими нагрузками, деятельностью. Сейчас почти каждую работу можно проделать, используя вычислительную мощность компьютера. На нем можно как вести бухгалтерию, разрабатывать сложные проекты, так и просто написать книгу, или музыку. Студент, приобретая диск, или воспользовавшись сетью, Интернет может получить доступ к целому набору литературы, не прибегая к потребности похода в библиотеку и долгому поиску, как библиотеки, так и литературы. Также компьютеры в наше время часто используют для банальных развлечений – просмотра телепередач, прослушивания музыки, общения. Интернет сделал все это не дорогим и общедоступным, в следствии чего ПК еще более прочно закрепился в современном обществе.

Технологии идут вперед и архитектура компьютеров со временем меняется. Появляется множество устройств, которые еще совсем недавно не имели никакого отношения к персональным компьютерам. К таким устройствам можно отнести цифровые фотоаппараты, современные мобильные телефоны, наручные гаджеты и т.д. Все эти устройства легко подключаются к ПК посредством USB. Остается неизменными лишь базовые принципы построения компьютеров, поддерживающие открытость архитектуры и позволяющие программному обеспечению быть кроссплатформенным, а оборудованию быть модернизированным, в случаях, когда подобное необходимо.

Также за счет развития технологий персональный компьютер получил иные воплощения. Вместо классического набора из системного блока, монитора и устройств ввода информации в разных корпусах, начали выпускаться такие устройства как ноутбуки (обладающие меньшим потенциалом к модернизации за счёт невозможности замены некоторых компонентов) и мобильные телефоны, обладающие идентичным классическим ПЭВМ функциями, да к тому же еще и достаточно мобильными, хоть и модернизация последних предполагает их полную замену на другое подобное устройство.

Литература

Коднянко В. А. Основы информатики: Учеб. Пособие. 2004.

Симоновича С. В. Информатика. Базовый курс. 2-е издание . 2005.

Роометс С. Перфокарты и их применение. 1965.

Каган Б. М. Электронные вычислительные машины и системы. 1991.

журнал ComputerBild. Твердотельные накопители 2010.

Евдокимов И. С., Евстигнеев Г. П., Криушин В. Н. Счётные машины.1955.

Морозов Ю.М. История и методология вычислительной техники. 2012.

Старков В.В. Компьютерное железо: архитектура, устройство и конфигурирование. 2004.

Чистяков В.Д. Анатомия ПК. 2007

Савельев А.Я. Основы информатики. 2001

http://hardwareguide.ru/

www.formula4you.narod.ru