Устройство персонального компьютера (Моноблоки)

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы – персональные компьютеры стоят практически в каждом и у каждого человека. Поэтому знания о его особенностях и характеристиках работы требуется как современному специалисту в области IT, так и обычному пользователю .

Предмет исследования устройство персонального компьютера.

Объект исследования – ЭВМ и периферийные устройства.

Цель работы – изучить устройство персонального компьютера.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Рассмотреть основные сведенья о персональном компьютере;

2. Описать внутреннее устройство персонального компьютера;

3. Рассмотреть особенности и характеристики некоторых основных устройств персонального компьютера;

4. Рассмотреть вопросы, касающиеся практического применения полученных знаний.

Данная тема широко освещена в работах зарубежных и российских авторов: . Таненбаум Э., Остин Т., Бос Х., Гук М., Абель П., Лав Р., Дж. Уэбстера,

Структура работы. Работа выполнена на 29 листах, содержит 22 рисунков.

Работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка использованной литературы.

1. УСТРОЙСТВО ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

Персональный компьютер, ПК (англ. personal computer, PC), ПЭВМ (персональная электронно-вычислительная машина) - настольная микро-ЭВМ, имеющая эксплуатационные характеристики бытового прибора и универсальные функциональные возможности.

Персональные компьютеры выпускаются в разных корпусах, выделяют следующие виды персональных компьютеров (Рисунок 1):

• Настольные, стационарные, персональные компьютера (ПК, PC), десктопы (desktop)
• Моноблоки
• Ноутбуки notebook, блокнотные ПК, (иногда и laptop)
• Нетбуки, netbook
• Планшетные ПК, tablet PC
• Неттопы, nettop
• Карманные компьютеры, КПК, PDA, электронные органайзеры или палмтопы.

Рисунок – Виды персональных компьютеров

Компьютер представляет собой совокупность аппаратного и программного обеспечения.

Аппаратное обеспечение – это все внутренние и внешние устройства компьютера (интегральные микросхемы, дисководы, монитор, мышь и др.).

Программное обеспечение – совокупность программ, необходимых для управления работой компьютера и выполнения с его помощью конкретных задач.

Конструктивно персональный компьютер состоит из основных блоков и дополнительных устройств (периферии) (Рисунок 2).

Рисунок - Основные устройства персонального компьютера и их назначение

Основные блоки - устройства, которые присутствуют во всех без исключения компьютерах:

1. системный блок;

2. монитор (дисплей);

3. клавиатура;

4. мышь.

Дополнительные устройства (периферия), наличие которых расширяет возможности компьютера, но не является обязательными для его работы, такие как принтер, модем, сканер, колонки, джойстик и т.д.

Центральной частью персонального компьютера является системный блок, к которому присоединена клавиатура, монитор и мышь. Системный блок и монитор независимо друг от друга подключаются к источнику питания – сети переменного тока.

Устройства, подключаемые к системному блоку разделяют на внутренние и внешние.

• Внутренние устройства, размещены в системном блоке:
  • источник питания,
  • материнская (системная) плата с процессором и оперативной памятью,
  • платы расширения (видеокарта, звуковая карта, сетевая карта),
  • различные устройства внешней долговременной памяти (жесткий диск, дисководы для дисков) и др..

Рисунок –Внутренне устройство персонального компьютера

• Внешние (периферийные) устройства подключаются снаружи к системному блоку, к ним относят:
  • некоторые устройства для длительного хранения информации
  • устройства ввода-вывода информации: монитор, клавиатура, принтер, звуковые колонки, сканер и др..

В работе подробно будут рассмотрены основные блоки персонального компьютера, которые относятся к внутренним устройствам.

Материнская плата

Материнская плата или системная плата - основная плата персонального компьютера. На ней размещаются микросхемы устройств, и обеспечивается их необходимое электрическое соединение между собой.

Системная плата имеет разъемы для электрического соединения с другими платами компьютера. Она связывает компоненты системного блока и обеспечивает их взаимодействие. На материнской плате размещаются (Рисунок 4):

• процессор - основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций;
• микропроцессорный комплект (чипсет) - набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы;
• шины - обеспечивают обмен информацией между элементами системной платы;
• оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен;
• ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), микросхемы предназначенные для длительного хранения данных, в том числе и когда компьютер выключен;
• разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты).

Рисунок – Элементы материнской платы

Конструктивно системная плата персонального компьютера выполняется в виде многослойной текстолитовой печатной платы. Количество слоев может достигать 12, между каждым слоем располагаются печатные проводники, выполненные из металлической фольги, которые соединяют контактные выводы микросхем, резисторов, конденсаторов и разъемов между собой.

Процессор

Процессор (Рисунок 5) является «сердцем» компьютера, с помощью которого происходить управление работой компьютера и обработка большей части информации, а также происходит выполнение математических и логических операций.

Рисунок - Процессор

На рынке процессоров последние годы лидируют два крупных, производителя: Intel и AMD.

Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему – тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных сантиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора .

Основными характеристикам процессора является:

• Тактовая частота процессора
• Разрядность процессора
• Размерность технологического процесса
• Сокет или разъем
• Кэш-память процессора
• Энергопотребление и тепловыделение
• Рабочая температура процессора
• Множитель и системная шина
• Встроенное графическое ядро
• Количество ядер (потоков)

Достаточно продолжительное время разработчики делали упор на повышение тактовой частоты, но со временем, "мода" поменялась и большинство разработок уходят на создание более совершенной архитектуры, увеличения кэш-памяти и развития многоядерности процессора.

Видеокарта (видеоадаптер)

Совместно с монитором видеокарта образует видеоподсистему персонального компьютера. Видеокарта не всегда была компонентом ПК. На заре развития персональной вычислительной техники в общей области оперативной памяти существовала небольшая выделенная экранная область памяти, в которую процессор заносил данные, изображении. С переходом от черно-белых мониторов к цветным и с увеличением разрешения экрана области видеопамяти стало недостаточно для хранения графических данных, а процессор перестал справляться с построением и обновлением изображения. Тогда и произошло выделение всех операций, связанных с управлением экраном, в отдельный блок, получивший название видеоадаптер.

Физически видеоадаптер выполнен в виде отдельной дочерней платы, которая вставляется в один из слотов материнской платы и называется видеокартой (Рисунок 6).

Рисунок - Видеокарта

Современные графические процессоры содержат множество функциональных блоков, от количества и характеристик которых зависит скорость работы компьютера с видео. Рассмотрим основные характеристики видеокарт:

• Тактовая частота видеочипа - влияет на производительность видеочипа, чем она выше, тем больший объем работы чип может выполнить в единицу времени, обработать большее количество вершин и пикселей.
• Скорость заполнения (филлрейт) - показывает, с какой скоростью видеочип способен отрисовывать пиксели.
• Пиксельные процессоры - это одни из главных блоков видеочипа, которые выполняют специальные программы, известные также как пиксельные шейдеры.
• Вершинные процессоры - эти блоки выполняют программы шейдеров, но уже вершинных.
• Универсальные процессоры - Унифицированные шейдерные блоки объединяют два типа перечисленных выше блоков, они могут исполнять как вершинные, так и пиксельные программы
• Блоки текстурирования (TMU) - ими осуществляется выборка и фильтрация текстурных данных, необходимых для построения сцены.
• Блоки операций растеризации (ROP) - осуществляют операции записи рассчитанных видеокартой пикселей в буферы и операции их смешивания (блендинга).
• Объем видеопамяти - собственная память используется видеочипами для хранения необходимых данных: текстур, вершин, буферов и т.п.
• Ширина шины памяти - важнейшая характеристика, влияющей на пропускную способность памяти (ПСП).
• Частота видеопамяти – также влияет на пропускную способность памяти как и тактовая частота.
• Типы памяти - видеопамять самых современных типов видеокарт это: GDDR3 и GDDR4, работает с удвоенной передачей данных и обеспечивает максимальную частоту и пропускную способность.

Звуковая карта

Звуковая карта (Рисунок 7) явилась одним из наиболее поздних усовершенствований персонального компьютера. Она подключается к одному из слотов материнской платы в виде дочерней карты и выполняет вычислительные операции, связанные с обработкой звука, речи, музыки.

Рисунок – Звуковая карта

Звук воспроизводится через внешние звуковые колонки, подключаемые к выходу звуковой карты. Звуковая карта имеет ряд основных характеристик:

• тип размещения – по данной характеристике звуковые карты бывают двух видов: внутренняя — устанавливается непосредственно в системный блок; внешняя – звуковая карта подключается к компьютеру через интерфейсный кабель и полностью защищена от помех.
• интерфейс подключения – способ подключения к компьютеру, бывает нескольких видов PCI, PCI-E, USB, FireWire (IEEE 1394), CMCIA (PC Card), . ExpressCard.
• перечень параметров цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразователей (ЦАП, АЦП) – сюда относят следующие характеристики звуковой карты: разрядность — чем больше число разрядов, тем качественнее сигнал на выходе звуковой карты; динамический диапазон – колеблется от 87 до 123 дБ; отношение сигнал/шум — показывает уровень шума и определяет качество звука на выходе звуковой карты.
• количество поддерживаемых стандартов обработки звука
• число специальных входов и выходов - аналоговые (RCA, TRC), цифровые (MIDI), оптические (S/PDIF) входы и выходы. Чем больше разъемов и стандартов поддерживает звуковая карта, тем шире возможности при работе со звуком.

Память компьютера

В процессе работы компьютера, программы, исходные данные, а также промежуточные и конечные результаты должны быть где-то сохранены и к ним должен быть организован доступ. Чтобы такой процесс был возможен, компьютер имеет в своем составе различные запоминающие устройства, которые называются памятью. [1]

Информация, хранящаяся в памяти компьютера, представлена различными символами (цифрами, буквами, знаками), закодированными с помощью цифр 0 и 1, звуков, изображений.

Вся память компьютера делится на (Рисунок 8):

• внутреннюю
• внешнюю.

Рисунок – Виды памяти компьютера

Внутренняя память компьютера работает быстро, но ее количество ограничено.

Работа внешней памяти требует гораздо больше времени, но она позволяет хранить практически неограниченное количество информации.

Внешняя память может быть организована на различных физических носителях (Рисунок 9): [2]

• на гибких дисках,
• на жестких дисках,
• на магнитных лентах,
• на лазерных дисках,
• на винчестерах
• на флеш накопителях,
• в RAID-массивах.

Рисунок - Сравнительная характеристика устройств внешней памяти

Внутренняя память состоит из нескольких частей:

• оперативной памяти,
• постоянной памяти,
• кэш-памяти.

Такое разнообразие внутренней памяти обусловлено тем, что программы, используемые процессором, могут быть условно разделены на две группы:

• временного (текущего) использования
• постоянного использования.

Программы и временные данные хранятся в ОЗУ и кеше только до тех пор, пока питание компьютера включено. После его отключения выделенная часть внутренней памяти для них полностью очищается. Другая часть внутренней памяти, называемая константой, является энергонезависимой, то есть программы и данные, записанные в нее, всегда сохраняются независимо от того, включен ли компьютер или выключен.

Рассмотрим некоторые виды памяти компьютера (жесткий диск и оперативную память) более подробно.

Жесткий диск

Накопитель на жёстких магнитных дисках, или НЖМД (hard disk drive, HDD), жёсткий диск, винчестер — запоминающее устройство (устройство хранения информации) представляет собой устройство хранения с произвольным доступом, основанное на принципе магнитной записи. Это основное хранилище данных на большинстве компьютеров.

С появлением первых жестких дисков для компьютеров на рынке было огромное количество производителей жестких дисков. В связи с быстрым ростом мощности, требующей современных технологий и снижением прибыли, большинство производителей либо покупались конкурентами, либо переходили на другие виды продукции.

Устройство жесткого диска[7] - винчестер содержит набор пластин, чаще всего металлические диски, покрытые магнитным материалом – платтером, и соединены вместе с помощью шпинделя.

Сами диски (толщина около 2 мм) выполнены из алюминия, латуни, керамики или стекла. (Рисунок 10)

Для записи используются обе поверхности диска. Используются пластины 4-9. Вал вращается с высокой постоянной скоростью (3600-7200 об / мин)

Вращение дисков и радикальное перемещение головок осуществляется с помощью 2 электродвигателей.

Рисунок – Устройство жесткого диска

Данные записываются или считываются с использованием головок чтения / записи по одному на каждой поверхности диска. Количество головок равно количеству рабочих поверхностей всех дисков.

Запись информации на диске осуществляется в строго определенных местах - концентрических дорожках (дорожках). Треки делятся на сектора. В одном секторе 512 байт информации.

Обмен данными осуществляется последовательно целым числом (кластером). Кластер - цепочки последовательных секторов (1,2,3,4, ...)

Треки жесткого диска с одинаковым серийным номером на разных дисках жесткого диска называются цилиндром.[8]

Читающие головки записи движутся вдоль поверхности пластины. Чем ближе к поверхности диска находится голова, не касаясь ее, тем выше допустимая плотность записи.

Логическое устройство винчестера

Новый жесткий диск первоначально не готов к работе. Прежде чем приступить к работе требуется задать его структуру. Структура или разметка диска будет создана при помощи форматирования (Рисунок 11).

Форматирование состоит из двух этапов[9]:

• физическое форматирование (низкого уровня)
• логическое форматирование (высокого уровня).

Рисунок – Логическое устройство жесткого диска

При физическом форматировании рабочая поверхность диска разделяется на отдельные области, называемые секторами, которые расположены вдоль концентрических окружностей - путей.

В процессе логического форматирования на диске выделяется системная область, состоящая из трех частей[10]:

• загрузочный сектор и таблица разделов (Boot reсord)
• таблицы распределения файлов (FAT, NTFS)
• корневой каталог (Root Directory).

Жесткий диск можно разделить на несколько логических дисков, и наоборот, два жестких диска могут быть объединены в один логический диск.

Оперативная память

Оперативная память (RAM–Random Access Memory) – это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. Внутреннюю память персонального компьютера разделяют на две части: [6]

• оперативную память (ОЗУ или RAM);
• постоянная память (ПЗУ или ROM).

Обе памяти расположены в одном адресном пространстве, и к ним можно обращаться одинаково. Оба блока памяти обеспечивают доступ к следующим участкам памяти :

• к отдельным байтам,
• 16-битным словам (с четными адресами),
• 32-битным двойным словам (имеющим адреса, кратные четырем)
• 64-битным четверным словам (имеющим адреса, кратные восьми).

Оперативная память используется для:

• временного хранения программ и данных.

Постоянная память используется для:

• хранения программ первоначального запуска,
• проведения самотестирования компьютера,
• хранения набора низкоуровневых операций ввода-вывода.

Объем оперативной памяти намного превышает объем постоянной памяти.

Различные компоненты компьютера взаимодействуют друг с другом не напрямую, а через различные интерфейсы, поэтому системная шина используется для обмена информацией между процессором и ОЗУ (Рисунок 12).

Рисунок – Схема взаимодействия оперативной памяти компьютера с процессором

ОЗУ служит буфером между ЦПУ и жестким диском. Жесткий диск является энергонезависимым и хранит всю информацию в компьютере, но его окупаемость - низкая скорость. Если бы процессор принимал данные непосредственно с жесткого диска компьютера, он работал бы как черепаха. Решением этой проблемы является использование дополнительного буфера между ними в виде ОЗУ. [3]

Оперативная память изменчива и требует постоянного источника питания для своей работы, но во много раз быстрее. Когда процессору требуются какие-то данные, эти данные считываются с жесткого диска и загружаются в ОЗУ, и все дальнейшие операции с ними происходят в ней. После завершения работы с оперативной памятью, если результаты необходимо сохранить, они отправляются обратно на жесткий диск для записи на него, а из оперативной памяти они удаляются, чтобы освободить место для других данных. Если не нужно сохранять результаты, ОЗУ компьютера просто очищается.

Оперативная память выпускалась различных типов, которые использовалась или используется в персональных компьютерах. Разные поколения оперативной памяти не совместимы по разъему (Рисунок 13)

Рисунок – Разные поколения оперативной памяти

Различают следующие поколения оперативной памяти: [11]

• SIMM
• DIMM
• DDR
• DDR2
• DDR3.

Монитор

Монитор — устройство, предназначенное для воспроизведения видеосигнала и визуального отображения информации, полученной от компьютера.

Устройство имеет ряд характеристик[5]:

• диагональ экрана - размер матрицы монитора обычно указывают в дюймах. Современные производители предоставляют широкий спектр дисплеев с диагональю от 14 до 55 дюймов,
• соотношение сторон (Рисунок 14) – отношение горизонтали к вертикали, стандартным считалось соотношение сторон 3:4, но сейчас в основном, все современные мониторы обладают широкоформатным соотношением 16:9 и 16:10

Рисунок – Соотношение сторон монитора

• разрешение ЖК-матрицы - чем выше качество матрицы, тем больше будет пикселей, а это, в свою очередь, влияет на качество изображения. Сейчас распространено разрешение 1920 на 1080, что соответствует разрешению Full HD.
• углы обзора - углы обзора, по горизонтали и вертикали, напрямую влияют на качество картинки передаваемой экраном монитора,
• частота обновления - параметр указывает на количество формируемых кадров в секунду при построении картинки
• время отклика,
• набор интерфейсов для подключения к ПК
• технология изготовления ЖК-матрицы.

Устройства ввода вывода

Основными устройствами ввода вывода на современных компьютерах являются (Рисунок 15):

• Клавиатура - является основным устройством ввода данных. По методу подключения к системному блоку различают проводные и беспроводные клавиатуры.
• Мышь, трекбол, тачпад и т.д. – устройства работы с графическими объектами и манипулирования данными на экране.
• Устройства ввода графических данных - для ввода графической информации используют сканеры, графические планшеты (дигитайзеры) и цифровые фотокамеры. Исходный материал вводится в графическом виде, после чего обрабатывается специальными программными средствами

Рисунок – Устройства ввода информации

Устройства вывода данных

В качестве устройств вывода данных, дополнительных к монитору, используют печатающие устройства (принтеры), позволяющие получать копии документов на бумаге. По принципу действия различают следующие виды принтеров [4]:

• Матричные принтеры,
• Лазерные принтеры,
• Светодиодные принтеры
• струйные принтеры.

Выводы по главе 1

Персональный компьютер выпускается в различные корпусах и содержит в своем составе множество различных устройств, которые имеют свои характеристики и назначение.

2. ИЗМЕРЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ДОМАШНЕГО КОМПЬЮТЕРА

В качестве практического задания по изучению устройства персонального компьютера проведем тест производительности домашнего компьютера.

Тести производительности компьютера можно производить двумя способами:

1. С помощью встроенных в операционную систему программных средств.

2. С помощью специальных программ.

Проведем измерение производительности домашнего компьютера с помощь встроенных в операционную систему программных средств. Проверять производительность отдельных компонентов компьютера можно с помощью встроенных возможностей операционной системы Windows.

Для вывода на экран кликаем правой кнопкой мыши по значку «Мой компьютер» и выбираем свойства (Рисунок 16).

Рисунок – Свойства домашнего компьютера

Запускаем оценку производительности (Рисунок 17)

Рисунок – Запуск оценки производительности

Максимальная оценка, которую позволяют получить Windows 7, составляет 7.9. Задумываться о необходимости замены деталей стоит, если хотя бы один из показателей ниже 4. Результаты получившиеся после тестирования (Рисунок 18)

Рисунок – Результаты измерения производительности компьютера

Полученные оценки говорят следующее:

• Как правило, чем выше оценка, тем лучше производительность.
• Наименьшим возможным значением является 1,0.
• Наибольшим возможным значением является 7,9.
• Общая оценка выводится по самому низкому показателю.

После изучения общей производительности компьютера рассмотрим установленное аппаратное обеспечение внутри корпуса, для этого перейдем во вкладку Диспетчер устройств ()

Рисунок – Диспетчер устройств

Посмотрим параметры жесткого диска, установленного на компьютере можно в операционной системе в устройствах или с помощью специальных программ (Рисунок 20)[12]

Рисунок - Характеристики жесткого диска, установленного на компьютере

Также способом просмотра производительности компьютера является переход в диспетчер задач с помощью нажатия клавиш Ctrl + Alt + Delete или правый клик мыши по панели задач – там можно найти пункт, запускающий ту же утилиту.

Рисунок – Запуск диспетчера задач

По этой информации можно определить, как сильно загружены отдельные компоненты ПК (Рисунок 22). В первую очередь, это можно сделать по проценту загрузки, во вторую – по цвету линии (зелёный означает нормальную работу компонента, жёлтый – умеренную, красный – необходимость в замене компонента).

Рисунок – Загрузка процессора

Помимо изучения производительности компьютера средствами операционной системы, возможно второй способ с помощью стороннего программного обеспечения, например следующих программ:

• AIDA64
• SiSoftware Sandra Lite
• 3DMark
• PCMark 10

Выводы по главе 2

Рассмотрено аппаратное обеспечение домашнего компьютера и измерена его производительность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате изучение устройства персонального компьютера были получены следующие выводы:

1. Персональный компьютер - настольная микро-ЭВМ, имеющая эксплуатационные характеристики бытового прибора и универсальные функциональные возможности.

2. Персональные компьютеры выпускаются в разных корпусах.

3. Компьютер представляет собой совокупность аппаратного и программного обеспечения.

4. Основные блоки - устройства, которые присутствуют во всех без исключения компьютерах:

• системный блок;
• монитор (дисплей);
• клавиатура;
• мышь.

5. Устройства, подключаемые к системному блоку разделяют на внутренние и внешние.

• Внутренние устройства, размещены в системном блоке:
  • источник питания,
  • материнская (системная) плата с процессором и оперативной памятью,
  • платы расширения (видеокарта, звуковая карта, сетевая карта),
  • различные устройства внешней долговременной памяти (жесткий диск, дисководы для дисков) и др..
• Внешние (периферийные) устройства подключаются снаружи к системному блоку, к ним относят:
  • некоторые устройства для длительного хранения информации
  • устройства ввода-вывода информации: монитор, клавиатура, принтер, звуковые колонки, сканер и др..

6. Рассмотрено аппаратное обеспечение домашнего компьютера и измерена его производительность.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гук М. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия. СПб: Питер Ком, 2016. — 816 с.: ил.
2. Таненбаум Э., Остин Т. Архитектура компьютера/ СПб: Питер, 2016. — 816 с.: ил.
3. Таненбаум Э., Бос Х. Современные операционные системы СПб: Питер, 2017. — 1120 с.: ил.
4. Крейгон Х. Архитектура компьютеров и ее реализация М: Мир, 2014. — 520 с.: ил.
5. Абель П. Язык Ассемблера для IBM PC и программирования. 4.0 М: Высшая школа, 2016. — 820 с.: ил.
6. Лав Р. Ядро Linux. Описание процесса разработки /- М:Вильямс, 2014 – 496 с.: ил.
7. Уэбстера Дж. Датчики и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC: Пер. с англ. М.: Мир, 2012. — 592 с.: ил.
8. Аблязов Р. Программирование на ассемблере на платформе x86-64. М.: ДМК Пресс, 2016. — 302 с.: ил.
9. Поколения оперативной памяти- http://www.cyberforum.ru/memory/thread184545.html [Электронный ресурс] (Дата обращения 07.03.2019)
10. Основы микропроцессорной техники- http://www.intuit.ru/ [Электронный ресурс] (Дата обращения 07.03.2019)
11. Оперативная память. - http://www.intuit.ru/ [Электронный ресурс] (Дата обращения 07.03.2019)
12. Производительность компьютера. http://geek-nose.com/test-proizvoditelnosti-kompyutera/ [Электронный ресурс] (Дата обращения 07.03.2019).