Устройство персонального компьютера (Основные понятия персонального компьютера)

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования.

Персональный компьютер (ПК) все чаще используется во всех сферах деятельности. Техническая база ПК постоянно совершенствуется, программное обеспечение становится все более мощным. Поэтому важно определить критерии, в соответствии с которыми производится выбор модели ПК.

Войдя в жизнь человеческого общества, компьютеры взяли на себя огромный спектр задач – от простых алгебраических вычислений до организации обменных процессов, международных телеконференций, моделирования сложных физических, химических, технологических процессов, мультимедиа и виртуальных развлечений.

При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их структуру и архитектуру. Структура компьютера – совокупность компьютерных элементов и связей между ними.

Компьютерная архитектура – логическая организация компьютера, состав и назначение его функциональных средств, принципы кодирования и т. д., то есть все, что однозначно определяет процесс обработки информации на этом компьютере.

Влияние элементной базы на принципы построения компьютера сводится, в основном, к тому, что свойства электронных элементов заставляют представлять информацию, с которой оперирует компьютер, исключительно в двоично-кодированной форме – в виде последовательности из 0 и 1. Столь же существенное влияние на принципы построения компьютера оказывает специфика средств, используемых для организации машинной памяти, а также для ввода информации в компьютер и вывода информации.

Цель данной работы – рассмотреть основные принципы работы устройств персонального компьютера.

Объект исследования – компьютерные системы.

Предмет исследования – устройство персонального компьютера.

Задачи исследования:

1. Определить понятие персонального компьютера и его архитектуры.
2. Изучить архитектуры построения персонального компьютера.
3. Изучить техническую архитектуру компьютерной системы.
4. Рассмотреть принципы работы основных компонентов персонального компьютера.

1 Понятие персонального компьютера и его архитектуры

1.1 Основные понятия персонального компьютера

Персональный компьютер – универсальная техническая система. Его конфигурация (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости [3]. Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. В таком комплекте компьютер обычно поставляется. Понятие базовой конфигурации может меняться. В настоящие время в базовой конфигурации рассматривают четыре устройства:

• Системный блок;
• Монитор;
• Клавиатуру;
• Мышь.

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока называю внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называются периферийными.

По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса. Корпуса персональных компьютеров выпускают в горизонтальном и вертикальном исполнении. Корпуса, имеющие вертикальное исполнение, различают по габаритам: полноразмерные, среднеразмерные, малоразмерные. Среди корпусов, имеющие горизонтальное исполнение, выделяют плоские и особо плоские.

Монитор – устройство визуального представления данных. Это не единственно возможное, но главное устройство вывода. Его основными параметрами являются: размер, шаг маски экрана, максимальная частота генерации изображения, класс защиты [6].

Размер монитора измеряется противоположными углами трубки кинескопа по диагонали. Единицы измерения – дюймы. Стандартные размеры: 14”, 15”, 17”, 19”, 20”, 21”. В настоящее время наиболее универсальными являются мониторы размером 15 и 17 дюймов, а для операций с графикой желательны мониторы размером 19-20 дюймов.

Клавиатура – клавишное устройство управления персональным компьютером. Служит для ввода алфавитно-цифровых (знаковых) данных, а также команд управления. Комбинация монитора и клавиатуры обеспечивает простейший интерфейс пользователя. С помощью клавиатуры управляют компьютерной системой, а с помощью монитора получают от неё отклик [7].

Состав клавиатуры. Стандартная клавиатура имеет более 100 клавиш, функционально распределительных по нескольким группам.

Группа алфавитно-цифровых клавиш предназначена для ввода знаковой информации и команд, набираемых по буквам. Каждая клавиша может работать в нескольких режимах (регистрах) и, соответственно, может использоваться для ввода нескольких символов. Переключение между нижним регистром (для ввода строчных символов) и верхним регистром (для ввода прописных символов) выполняют удержанием клавиши Shift (нефиксированное переключение). При необходимости жёсткого переключения используют клавишу Caps Lock (фиксированное переключение). Если клавиатура используется для ввода данных, абзац закрывают нажатием клавиши Enter. При этом автоматически начинается ввод текста с новой строки. Если клавиатуру используют для ввода команд, клавишей Enter завершается ввод команды и начинается её выполнение.

Мышь – устройство управления манипуляторного типа. Представляет собой плоскую коробочку с двумя-тремя кнопками (или с двумя кнопками и одним вращающимся регулятором). Перемещение мыши по плоской поверхности синхронизировано с перемещением графического объекта (указателя мыши) на экране монитора [10].

Компьютером управляют перемещением мыши по плоскости и кратковременными нажатиями правой и левой кнопок. (Эти нажатия называются щелчками.) В отличие от клавиатуры мышь не может напрямую использоваться для ввода знаковой информации – её принцип управления является событийным. Перемещение мыши и щелчки её кнопок являются событиями с точки зрения её программы-драйвера. Анализируя эти события, драйвер устанавливает, когда произошло событие, и в каком месте экрана в этот момент находился указатель. Эти данные передаются в прикладную программу, с которой работает пользователь в данный момент. По ним программа может определить команду, которую имел в виду пользователь, и приступить к её выполнению.

Комбинация монитора и мыши обеспечивает наиболее современный тип интерфейса пользователя, который называется графическим. Пользователь наблюдает на экране графические объекты и элементы управления. С помощью мыши он изменяет свойства объектов, а с помощью монитора получает от него отклик в графическом виде.

Стандартная мышь имеет две кнопки, хотя существуют нестандартные мыши с тремя кнопками или с двумя кнопками и одним вращающимся регулятором. Функции нестандартных органов управления определяются тем программным обеспечением, которое поставляется вместе с устройством.

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 расценивают как один двойной щелчок).

Под архитектурой персонального компьютера понимают систему основных функциональных средств машины, принципов организации вычислительного процесса и переработки информации в персональном компьютере [1].

К компонентам архитектуры персонального компьютера относятся главный (центральный) и вспомогательные процессоры, запоминающее устройство, устройство ввода-вывода информации (включая внешние), внутреннее математическое обеспечение персонального компьютера [5].

Вычислительная технология в своем развитии по пути увеличения скорости компьютера, построенного на интегральных схемах, приближается к физическим пределам. Время переключения электронных схем достигает долей наносекунды, а скорость движения информации и скорость ее передачи ограничена 30 бит/нс (скорость света). Таким образом, использование технологии уменьшения времени переключения электронных схем не улучшает производительность компьютеров. В этих условиях требования практики по дальнейшему повышению быстродействия компьютеров могут быть удовлетворены только путем частичного или полного отказа от фон-неймановской модели архитектуры компьютера. Одним из таких способов является расширение принципа параллелизма самих устройств обработки информации и создание мультикомпьютерных и мультипроцессорных (многопроцессорных) компьютерных систем. Такие системы допускают распараллеливание во времени выполнения программ или параллельное выполнение нескольких программ.

Мультикомпьютерная система содержит несколько компьютеров, каждая из которых имеет свою оперативную память и работает под своей операционной системой, а также средство для обмена информацией между машинами. Реализация обмена информацией происходит в одной учетной записи посредством взаимодействия машинных операционных систем друг с другом [10].

В многопроцессорных системах процессоры имеют статус рядовых частей вычислительной системы, которые подобно другим частям, таким, как модули памяти, каналы передачи информации, периферийные устройства, включаются в состав системы в необходимом количестве.

1.2 Принципы построения современных компьютерных систем

Аппаратные средства, компьютерные комплектующие, «железо», (англ. hardware) – электронные и механические части вычислительного устройства, входящие в состав системы или сети, исключая программное обеспечение и данные (информацию, которую вычислительная система хранит и обрабатывает) [11].

Аппаратные средства построены на основных архитектурно-функциональных принципах, которые были разработаны и опубликованы в 1946 г. выдающимся математиком и физиком Джоном фон Нейманом и его коллегами Г.Голдстайном и А.Берксом [14].

Принцип программного управления

Суть этого принципа заключается в том, что процесс решения любой задачи на ЭВМ разбивается на последовательность элементарных действий – команд, которые может выполнять процессор. Команда осуществляет единичный акт преобразования информации, например, это может быть операция выборки (загрузки) из памяти или записи информации в память, арифметические операции или операции сравнения и т.д. Все разновидности команд, использующиеся в конкретной ЭВМ, в совокупности являются языком машины или системой команд машины. Таким образом, каждое действие процессора определяется командой программы, хранящейся в оперативной памяти. На каждом шаге обработки информации процессор выбирает из памяти команду и данные, необходимые для ее выполнения, выполняет предписанное командой действие и записывает результат в память. Затем процессор переходит к выполнению следующей команды. Так продолжается до тех пор, пока из памяти не будет загружена специальная команда, предписывающая окончание работы программы.

Принцип двоичного кодирования информации

Информация в ЭВМ представляется в двоичном виде, т.е. для представления команд и данных используется алфавит, состоящий всего из двух символов 0 и 1. Это существенно расширяет круг физических явлений и приборов, которые можно использовать для создания АЛУ и ОЗУ ЭВМ, а также упрощает техническую конструкцию ЭВМ, за счет простоты выполнения арифметических операций в двоичной системе и использования аппарата булевой алгебры для выполнения логических операций.

Способы кодирования могут быть различны, сущность же кодирования заключается в том, что каждому символу алфавита, на котором представляется информация вне ЭВМ, ставится в соответствие некоторый код, состоящий из определенного числа двоичных символов (цифр). Как известно, двоичная цифра, имеющая всего два значения 0 и 1, называется битом. Группа из n бит позволяет представить 2^n значений или комбинаций из 0 и 1. Во всех современных ЭВМ важную роль играет представление данных по 8 бит байты, и которые содержат любую из 2^8=256 комбинаций. Байт является стандартной базовой единицей, из которой образуются все остальные единицы машинных данных. В зависимости от того, как интерпретируется содержимое байта, оно может быть: кодированным представлением символа внешнего алфавита, целым беззнаковым или знаковым числом, частью кода команды, адреса ячейки памяти или более сложной единицы данных.

Основная или базовая единица данных, которой оперируют процессор, называется машинным словом. В большинстве ЭВМ длина машинного слова кратна байту. Длина слова является важнейшей характеристикой процессора и, в соответствии с ней, они подразделяются на 8-, 16-, 32- или 64-битные (разрядные).

Принцип произвольного доступа к основной памяти

Структурно основная память ЭВМ состоит из дискретных элементов ячеек, каждая из которых может содержать упорядоченный двоичный набор – машинное слово или часть его (обычно байт). Принцип произвольного доступа состоит в том, что процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка памяти, причем время доступа (время чтения или записи информации) одинаково для всех ячеек.

Чтобы обеспечить такой доступ к ячейкам памяти, с каждой из них связывается персональное имя и обращение к ячейке производится с помощью указания ее имени. Для этого все ячейки основной памяти перенумеровываются от О до N-1 и в качестве имени ячейки используется ее порядковый номер – адрес ячейки, который также представляется в двоичной форме и является еще одной единицей данных, обрабатываемой процессором. Число ячеек N называют объемом ОЗУ. Длина двоичного кода адреса (m) связана с числом ячеек (емкостью памяти) следующим соотношением m=log2(N).

Принцип хранимой программы

Этот принцип заключается в том, что команды представляются в двоичном виде и хранятся в той же ОЗУ, что и исходные данные. Только команды для исполнения выбираются из ОЗУ в устройство управления (УУ), а данные (операнды) в АЛУ, при этом для ЭВМ и команда, и данные являются машинным словом, и если команду напрвить в АЛУ в качестве операнда, то над ней можно произвести арифметические операции, изменив ее. Это открывает возможности преобразования программ в ходе их выполнения, кроме того, принцип хранимой в ОЗУ программы обеспечивает одинаковое время загрузки команд и операндов из ОЗУ для выполнения и обработки, позволяет быстро менять программы или их части, вводить непрямые системы адресации, видоизменять программы по определенным правилам.

Принцип условного перехода

Этот принцип обеспечивает возможность перехода в процессе выполнения программы на тот или иной ее участок в зависимости от промежуточных, полученных в ходе вычислений, результатов (обычно в зависимости от знака результата после завершения арифметической операции или от результата выполнения логической операции). Реализация этого принципа позволяет, легко организовывать циклы с автоматическим выходом из них, итерационные процессы и т.д. Благодаря принципу условного перехода, число команд в программе получается во много раз меньше, чем число выполняемых процессором команд при исполнении данной программы.

Принцип иерархичности памяти

Иерархическое (уровневое) построение памяти позволяет иметь быстродействующее оперативное ЗУ сравнительно небольшой емкости только для операндов и команд, участвующих при счете в данный момент и ближайшее время, и внешние с более медленной скоростью доступа, но более емкие, относительно дешевые и надежные.

Принцип открытой архитектуры

В конструкции компьютеров фирмы IBM PC используется так называемый принцип открытой архитектуры, который предусматривает, в первую очередь, предусматривает возможность дополнения имеющихся аппаратных средств новыми без замены старых. Например, можно наращивать оперативную память, подключать дополнительные периферийные устройства и т.д. Кроме того, можно заменять старые компоненты новыми без замены всего компьютера (например, заменить старый видеоадаптер более совершенным). Это называется "upgrade" – обновить. Сборка компьютера из разных частей, покупаемых отдельно друг от друга, по принципу открытой архитектуры, обходится дешевле, чем приобретение компьютера целиком.

1.3 Шинная архитектура компьютера

К компонентам архитектуры компьютера относятся главный (центральный) и вспомогательные процессоры, запоминающее устройство, устройство ввода-вывода информации (включая внешние), внутреннее математическое обеспечение ЭВМ [16].

Главной отличительной чертой структуры персонального компьютера является наличие системной шины, благодаря которой все его устройства взаимодействуют и обмениваются информацией.

Шина (Bus) – это весь набор проводников на материнской плате, по которым компоненты и устройства ПК обмениваются информацией. Шина предназначена для обмена информацией между двумя или более устройствами. Шина, соединяющая только два устройства, называется портом [11].

В шине есть места для подключения внешних устройств – слоты, которые в результате становятся частью шины и могут обмениваться информацией со всеми другими подключенными к ней устройствами.

Шины в ПК отличаются по своему функциональному назначению:

• системная шина (или шина центрального процессора) используется микросхемами чипсета для отправки информации в ЦПУ и из него;
• шина кеша предназначена для обмена информацией между процессором и кеш-памятью;
• шина памяти используется для обмена информацией между оперативной памятью и процессором;
• шины ввода / вывода информации делятся на стандартные и локальные.

Локальная шина ввода / вывода – это высокоскоростная шина, предназначенная для обмена информацией между высокоскоростными периферийными устройствами (видеоадаптеры, сетевые карты, карты сканеров и т. д.) и системной шиной под управлением ЦП. В настоящее время шина PCI используется в качестве локальной шины. Чтобы ускорить ввод / вывод видеоданных и повысить производительность ПК при обработке трехмерных изображений, Intel разработала шину AGP (порт ускоренной графики).

Стандартная шина ввода / вывода используется для подключения к вышеупомянутым шинам более медленных устройств (например, мышей, клавиатур, модемов, старых звуковых карт). В настоящее время используется USB-шина [1].

Шина имеет собственную архитектуру, которая позволяет реализовать ее важнейшие свойства – возможность параллельного подключения практически неограниченного количества внешних устройств и обеспечения обмена информацией между ними. Архитектура любой шины имеет следующие компоненты:

• линии для обмена данными (шина данных);
• линии для адресации данных (адресная шина);
• линии управления данными (шина управления);
• контроллер шины.

Контроллер шины контролирует процесс обмена данными и служебными сигналами и обычно выполняется как отдельный чип или как совместимый чипсет.

Шина данных обеспечивает обмен данными между процессором, платами расширения, установленными в слотах, и оперативной памятью. Чем выше ширина шины, тем больше данных может быть передано за один такт, и тем выше производительность ПК.

Адресная шина используется для указания адреса любому устройству ПК, с которым ЦП обменивается данными. Каждый компонент ПК, каждый регистр ввода / вывода и ячейка ОЗУ имеют свой собственный адрес и включены в общее адресное пространство ПК. Код адреса используется для передачи идентификационного кода (адреса) отправителя и / или получателя данных [1].

Шина управления передает ряд служебных сигналов: запись / чтение, готовность к приему / передаче данных, подтверждение приема данных, аппаратное прерывание, управление и другие, чтобы обеспечить передачу данных.

Пропускная способность шины определяется количеством байтов информации, передаваемой по шине в секунду. Чтобы определить полосу пропускания шины, необходимо умножить тактовую частоту шины на ее битовую емкость. Например, для 16-битной шины ISA пропускная способность определяется следующим образом:

Внешние устройства подключаются к шинам через интерфейс (интерфейс – сопряжение), который представляет собой совокупность различных характеристик периферийного устройства ПК, определяющего организацию обмена информацией между ним и центральным процессором.

Эти характеристики включают электрические и временные параметры, набор управляющих сигналов, протокол обмена данными и конструктивные особенности соединения. Обмен данными между компонентами ПК возможен только при совместимости интерфейсов этих компонентов.

На рисунке 1.1 показана компьютерная структура с разными шинами [1].

Рисунок 1.1 – Форма компьютерной структуры с разными шинами

2 Основные устройства персонального компьютера

2.1 Общий состав персонального компьютера

Кроме системной шины, компьютер включает в себя следующие устройства [10]:

• центральный процессор (ЦП). Он выполняет вычисления для программы, хранящейся в оперативной памяти, и обеспечивает общее управление компьютером. Процессор содержит: арифметико-логический блок (АЛУ), предназначенный для выполнения арифметических и логических операций (т. е. фактически являющийся компьютерным калькулятором);
• блок управления (БУ), который обеспечивает общий контроль вычислительного процесса программой и координацию работы всех компьютерных устройств.
• внутренняя память (ВП) – это запоминающее устройство, напрямую соединенное с процессором и предназначенное для хранения исполняемых программ и данных, непосредственно участвующих в операциях. Он имеет довольно высокую скорость, но ограниченный объем. Внутренняя память делится на различные типы, основными из которых являются оперативная память (RAM или RAM) и постоянная память (ROM или ROM).
• периферийные устройства (ПУ), устройства, которые структурно отделены от центральной части компьютера (ЦП и ВП), имеющие собственный контроль и выполняющие запросы ЦП без его непосредственного вмешательства.

По функциональным признакам ПУ делятся на две основные группы [6]:

• внешние запоминающие устройства (ВЗУ), которые служат дополнительным энергонезависимым, более медленным, но и более емким полем памяти машины для длительного хранения программ и данных. В качестве ВЗУ компьютеры обычно используют жесткие магнитные дисководы, а также твердотельные накопители.
• устройства ввода-вывода (УВВ), которые обеспечивают связь пользователя с компьютером. Набор УВВ для компьютера значительно богаче: дисплей, клавиатура, различные манипуляторы (например, мышь, джойстик, трекбол), печатающее устройство (принтер), устройства ввода / вывода графической информации (сканер, плоттер), и т.п.

2.2 Материнская плата ПК

Основная и самая сложная плата ПК называется материн­ской (motherboard), генеральной, системной платой (СП), поскольку она содержит сердце ПК – микропроцессор. На ней также размещены несколько сверхбольших интегральных схем (СБИС), ОЗУ, ПЗУ и ряд других микросхем, переклю­чатели – перемычки режимов работы ПК, разъемы расши­рения для подключения плат адаптеров и контроллеров [8].

Системная (материнская) плата (англ. – motherboard, mainboard, MB, разг. – мамка, мать, материнка) – это основная плата, к которой подсоединяются все части компьютера (процессор, видеокарта, ОЗУ и др.), главная задача материнской платы – соединить и обеспечить совместную работу всех элементов компьютера [9].

Основой любой современной материнской платы является набор системной логики, который чаще называют чипсетом. Слово «чипсет» (chipset) в переводе с английского переводится как «набор микросхем». Однако, как правило, в современных компьютерах этот набор состоит из небольшого количества элементов – обычно это 2, иногда 3 чипа. И многие современные чипсеты, в частности, некоторые чипсеты Intel, как правило, работают только с одним контроллером.

В традиционной схеме чипсет состоит из двух чипов с хорошо отлаженным набором функций. Традиционно эти две микросхемы называются «южный мост» и «северный мост». Это название связано с тем, что обычно «северный» чип находится в верхней части материнской платы, а «южный» – соответственно в нижней. Мостами эти микросхемы не случайно называют, потому что именно через них проходит соединение между всеми элементами компьютера, такими как процессор, ОЗУ, шины ввода-вывода, шины хранения и т. Д. Но северный и южный мосты – это скорее повседневный термин. Формальное имя, обозначающее северный мост, – это концентратор контроллера памяти, а южное – это концентратор контроллера ввода-вывода.

Северный и южный мост соединены специальной шиной для обмена данными. Если раньше эти данные передавались через шину ввода / вывода, например, PCI, то теперь у каждого производителя чипсета есть высокоскоростная шина собственного формата для этой цели.

Схема взаимодействия чипсета со всеми элементами материнской платы показана на рисунке 2.1 [18].

Рисунок 2.1 – Схема взаимодействия чипсета со всеми элементами материнской платы

В функции чипсета входит интеграция различных устройств, расположенных на материнской плате – памяти, процессора, шин ввода-вывода, портов и т. д. и координация их взаимодействия. Кроме того, чипсет часто содержит встроенную систему вывода видео и звука и сетевой контроллер.

Южный и северный мосты отвечают за различные функции. Северный мост управляется высокоскоростными устройствами, такими как процессор, память, шина PCI-E. Также на северном мосту встроена видеосистема. Южный мост отвечает за остальную часть периферии, как правило, на низкой скорости. Это PCI, SATA, USB и многие другие. Северный мост называется контроллером памяти, однако это правило часто не соблюдается, так как во многих моделях чипсетов управление памятью не является частью функций северного моста, а осуществляется благодаря возможностям центрального процессора.

Многие материнские платы также имеют небольшой чип Super I / O, который отвечает за низкоскоростные порты, такие как LPT и PS / 2. Южный мост и контроллер Super I / O соединены специальной шиной.

Изготовление чипсета – это высокотехнологичный процесс, немного менее сложный, чем производство процессоров, поскольку качество чипсета и набор функций, которые он поддерживает, зависит от характеристик компьютера, а также от его бесперебойной работы. Поэтому в мире сейчас не так много их производителей этих чипсетов – как правило, это компании, производящие сами процессоры – Intel и AMD, а также NVIDIA, VIA и SIS [19].

В настоящее время разработано множество разных моделей чипсетов. Как правило, определенные модели чипсетов предназначены для работы с конкретными процессорами или процессорами линейки. Если вы хотите узнать название модели чипсета вашей материнской платы, то вам следует помнить, что название модели чипсета написано на чипе северного моста.

Наличие северного и южного мостов – классическая, общепринятая схема построения чипсета, на котором базируется системная плата. Производятся также и схемы, которые отличаются от традиционных. Это касается в первую очередь компьютеров на базе современных процессоров, содержащих в себе элементы, в большей или меньшей степени выполняющие функции северного моста (чаще всего – контроллер оперативной памяти, интегрированное графическое ядро). На системных платах с такими процессорами северный мост существенно упрощают.

Качество и возможности системной логики определяют производительность и стабильность работы компьютера. При выборе материнской платы учитывают в первую очередь то, какой чипсет был взят за основу при ее изготовлении. Основными производителями чипсетов сейчас являются компании Intel, NVidia, ATI/AMD и др., в то время как материнские платы производятся ASUS, MSI, Gigabyte, ASRock, Zotac и др. Системные платы с одинаковым чипсетом у разных производителей называются по-разному, также могут существенно отличаться по цене. При выборе, как правило, отдают предпочтение материнской плате с более «продвинутым» чипсетом от менее известного производителя, чем наоборот.

Процессор питается от материнской платы через специальный 4-контактный разъем (на схеме он обозначен как «P4»), а сама материнская плата – через 24-контактный разъем, на фото он находится в самом низу. Кроме того, энергия требуется для различных вентиляторов и кулеров, которых может быть более 3. Процессорный кулер подключается через 4-контактный разъем, расположенный ближе всего к разъему. Остальные вентиляторы питаются от 3-контактных разъемов, которые «прилипают» к плате.

В нижнем левом уголу имеется маленькая круглая батарея, без которой все настройки BIOS, включая текущее время и дату, будут удалены. Срок службы такой батареи редко превышает порог в 7 лет, если на компьютерео бнаружилась похожая проблема (каждый раз при включении компьютера время и дата не обносляются), сначала необходимо заменить батарею.

Кроме того, все виды интегральных схем расположены по всей материнской плате, в том числе:

• Аудио чип.
• Контроллеры портов (1394 и SATA).
• Супер I / O чип.
• Чип FirmWare Hub (FWH).
• Беспроводной чипсет.

Любые порты должны иметь свой собственный контроллер, иначе они не будут работать. Контроллер USB-порта встроен в южный мост. FWH отвечает за BIOS. Чип Super I / O выполняет ряд функций, он содержит: контроллер дискеты (который «конкретно» устарел и больше не используется), датчик температуры и скорость вращения вентилятора (кулера), а также он отвечает за инфракрасный порт и клавиатура с мышью, только не usb, а ps / 2. На материнской плате можно найти чип Super I / O по названию производителя, в частности: Fintek, ITE, National Semiconductor, Nuvoton, SMSC, VIA и Winbond.

Порт 1394 (также известный как FireWire) используется для подключения различных мультимедийных устройств, таких как ip-камеры, и работает намного быстрее, чем USB.

Перемычки (Jumpers), это переключатели – они выполняют несколько задач одновременно. С их помощью можно запустить аварийное восстановление BIOS, переключить и настроить звуковой чип, сбросить настройки BIOS и многое другое. Все зависит от производителя материнской платы. Если говорить о игровых моделях, то они могут содержать перемычки, которые позволяют «разогнать» ОЗУ или саму материнскую плату, изменить приоритеты загрузки жестких дисков и т. д [9].

«FPanel», или по-другому разъемы лицевой панели – здесь важно соблюдать определенную последовательность соединений, иначе все кнопки и индикаторы не будут работать. Там связаны: кнопка включения и перезагрузки компьютера, индикатор жесткого диска, встроенный динамик (пищалка).

Общий вид материнской платы с обозначенными элементами представлен на рисунке 2.2 [9].

Рисунок 2.2 – Материнская плата

Сокет или разъем процессора на материнской плате самый большой. Модели процессорных разъемов отличаются по внешнему виду, расположению и количеству контактов.

Сокет, от анг. «гнездо» – это прямоугольный или квадратный соединитель с множеством контактных отверстий, расположенных по его периметру. Монтируется процессор в такой слот горизонтально.

Рисунок 2.3 – разъем процессора на материнской плате

2.3 Основы микропроцессора

Процессор является основной микросхемой компьютера, в которой выполняются все расчеты.

Микропроцессор представляет собой полупроводниковый кристалл или набор кристаллов, на которых реализован процессор центрального компьютера, то есть комбинация арифметического логического устройства и центрального устройства управления [20].

Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки ОЗУ, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние процессорные ячейки называются регистрами. Данные в некоторых регистрах рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных из других регистров. Среди регистров процессора есть также те, которые, в зависимости от их содержимого, могут изменять выполнение инструкций. Таким образом, управляя данными, отправляемыми в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных [2].

Микропроцессор характеризуется такими свойствами:

• простота производства (с использованием единой технологии);
• бюджет;
• небольшие размеры;
• высокая надежность;
• низкое энергопотребление.

Рисунок 2.4 – Упрощенная структурная схема процессора

Архитектура микропроцессора – это набор функциональных возможностей, доступных пользователю, работающему на уровне машинных инструкций.

Концепция архитектуры является комплексной и включает в себя [7]:

1) структурная схема МП;

2) количество и названия программно-доступных регистров (модель регистра);

3) емкость машинного слова;

4) система команд;

5) формат команды;

6) объем доступной памяти V (V = 2n, где n – ширина адресной шины);

7) режимы адресации памяти и внешних устройств;

8) организация стека;

9) организация прерываний (обработка аварийных ситуаций, исключений);

10) организация интерфейса (межфазное – согласование, согласование).

При разработке программного обеспечения для микропроцессора программист должен знать его архитектуру и технические характеристики.

Рисунок 2.5 – Этапы эволюции микропроцессорной архитектуры

Описание архитектуры MP с точки зрения пользователя включает описание возможностей пользовательского программирования (в частности, состав регистра MP), системы команд, методов адресации, (логической) организации памяти, средств и типов ввода-вывода. обработанных данных. С этой точки зрения архитектуры MP считаются одинаковыми, если последние способны выполнять одни и те же программы. В контексте аппаратного обеспечения термин «архитектура MP» относится к принципу работы MP, конфигурации (компоновки) и взаимосвязи его основных узлов.

В соответствии с составом системы команд различают [2]:

1) МП с архитектурой CISC (CISC – компьютер со сложным набором команд – компьютер со сложной системой команд);

2) MP с RISC-архитектурой (RISC – компьютер с сокращенным набором команд – компьютер с сокращенной системой команд).

Рисунок 2.6 – Классификация микропроцессоров

Микропроцессоры первого типа являются традиционными, и их система команд включает в себя большое количество команд для выполнения арифметических и логических операций, команд управления, передачи и ввода-вывода данных.

В микропроцессорах второго типа система команд упрощена и сокращена до такой степени, что каждая команда выполняется за один цикл (одним тактовым импульсом). Такой подход позволяет упростить структуру микропроцессора и тем самым увеличить скорость его работы.

По функциональному назначению, определенному системой команд, микропроцессоры делятся на универсальные и специализированные.

Универсальные микропроцессоры могут реализовывать любой алгоритм, который предварительно закодирован в системе команд этого микропроцессора. Они используются в качестве основных процессоров микрокомпьютеров. Следует отметить, что большинство универсальных микропроцессоров поддерживают только целочисленную арифметику в аппаратном обеспечении. Арифметика с плавающей точкой реализуется на них программно.

Специализированные микропроцессоры используются для решения задач определенного класса. Устройства этого типа используются в качестве сопроцессоров, дополняя основные процессоры, и действуют как ускорители. Сопроцессор расширяет набор компьютерных команд. Когда главный процессор получает команду, которая не является частью его рабочего набора, он передает управление сопроцессору для его выполнения.

Некоторые из наиболее развитых микропроцессоров обеспечивают сочетание выполнения нескольких последовательно расположенных команд во времени, организуя конвейерную обработку данных. Эта архитектурная особенность оказывает существенное влияние на скорость выполнения линейных участков программ [2].

На чипе микропроцессора могут быть размещены дополнительные устройства, в том числе:

• система управления;
• кеш-память;
• инструменты поддержки виртуальной памяти;
• защита памяти.

Дополнительные устройства способствуют повышению производительности компьютеров, уменьшению их размеров, предотвращению несанкционированного доступа и расширению функциональности микропроцессора.

Архитектура микропроцессора и компьютера в целом определяют приемлемые режимы работы машины. Важнейшим фактором в этом являются возможности микропроцессора.

Процессор должен оперативно реагировать на различные события, происходящие на компьютере в результате действий пользователя или без его ведома. Примеры таких событий включают нажатие клавиши на клавиатуре, отсутствие бумаги в принтере, попытку деления на ноль, сбой питания или отключение питания и т. д. Необходимая реакция на события обеспечивается системой прерываний. Прерывание – это ситуация, которая требует какого-либо действия (реакции) ЦП при возникновении определенного события. Под системой прерываний понимается комплекс аппаратного и программного обеспечения, который обеспечивает идентификацию и обработку прерываний.

2.4 Основная память персонального компьютера

Оперативная память ПК – это запоминающее устройство, напрямую подключенное к процессору и предназначенное для хранения исполняемых программ и данных, непосредственно участвующих в операциях [2]. Имеет довольно высокую производительность, но ограниченный объем. ОП подразделяется на различные типы, основными из которых являются оперативная память (RAM) и постоянная память (ROM).

На логическом уровне память представляет собой набор ячеек определенной битовой емкости (как правило, 1 байт), доступ к содержимому которого (с помощью операций чтения или записи) можно получить, указав их адреса.

Запоминающие устройства характеризуются следующими основными показателями [15]:

1) время доступа (скорость);

2) вместимость;

3) стоимость;

4) энергопотребление (потребляемая мощность).

Время доступа – это период времени, в течение которого содержимое ячейки памяти может быть записано или прочитано после предоставления ее адреса и соответствующего управляющего сигнала.

Емкость – определяет количество ячеек или битов в устройстве памяти.

Стоимость – измеряется денежными затратами на единицу объема памяти.

ПЗУ – будучи энергонезависимым, обеспечивает надежное хранение и выдачу информации. Содержимое ПЗУ не может быть изменено. Он хранит часто используемые (универсальные) программы и данные, такие как части ОС, а также интерпретаторы и компиляторы языков программирования. Существуют также полупостоянные запоминающие устройства или стираемые ПЗУ [12].

RAM – используется для получения, хранения и выдачи информации. Эта память содержит программы и данные, доступные для использования процессором, а также промежуточные и окончательные результаты расчетов. Оперативная память в компьютере является энергонезависимой, что означает исчезновение информации при выключении питания.

Можно выделить пять наиболее важных логических областей ОЗУ, на которые делится вся ОЗУ при работе под управлением операционной системы [1]:

• Стандартная оперативная память (обычная память).
• UMA (верхняя область памяти).
• HMA (область высокой памяти).
• Память EMS (Спецификация расширенной памяти).
• Память XMS (расширенная спецификация памяти).

В стандартной оперативной памяти (емкость – 640 Кбайт), как правило, располагается большинство прикладных программ и данных, а именно: таблица векторов прерываний, область данных BIOS (базовая система ввода / вывода), операционная система (ядро DOS), основная память область (принадлежит только программам и данным).

UMA – верхняя память (384 КБ). UMA содержит видеопамять и ПЗУ BIOS. Кроме того, 64 Кбайт зарезервированы для страниц дополнительной (отображаемой) памяти. Следовательно, среди блоков UMA некоторые недоступны для пользователя. Свободные блоки, так как они находятся в верхней памяти, также называются UMB (Upper Memory Block). Модули ОС могут быть размещены в этих блоках (сначала скачав драйвер EMM386.EXE). Последние 64 Кбайт – это ПЗУ BIOS. Вот, например, информация, введенная в настройке CMOS при настройке ПК.

HMA – первый блок размером 64 КБ, расположенный непосредственно над границей 1 МБ ОЗУ, обозначается как HMA (High Memory Area). Область HMA доступна в режиме реального процессора. Необходимая поддержка программного обеспечения обеспечивается специальным драйвером HIMEM.SYS.

Стандарт EMS (спецификация расширенной памяти) позволяет программе на любом IBM-совместимом компьютере получать доступ к более чем 1 МБ ОЗУ путем переключения блоков памяти в адресном пространстве процессора.

Для доступа к отображаемой памяти зарезервирована специальная область – так называемый «блок страницы», разделенный на 4 страницы по 16 Кбайт.

Для самых ранних моделей ПК это был единственный способ преодолеть барьер в 640 КБ.

Стандарт XMS – (спецификация расширенной памяти – спецификация расширенной памяти) – позволяет различным программам совместно использовать расширенную память (более 1 МБ), не мешая друг другу, рассматривая всю память в целом. Расширенная память доступна из программы только тогда, когда процессор переключается в защищенный режим.

Кэш-память выступает в качестве буфера между микропроцессором и оперативной памятью, а также другими устройствами в случае дисбаланса в их производительности. Если имеется кэш-память, данные из ОЗУ сначала считываются в кэш-память и только из нее считываются процессором. Преимущество этого метода обмена состоит в том, что при повторном доступе к памяти больше нет необходимости считывать информацию из медленной оперативной памяти, и она доступна для микропроцессора без задержки.

CMOS – это область памяти (объемом 100-129 байт), в которую записывается аппаратная конфигурация ПК. Чтобы записанные значения не были потеряны, на контроллер подается питание от батареи, т.е. информация о конфигурации ПК остается в памяти, даже если компьютер не включается в течение длительного времени. CMOS-память может быть изменена пользователем.

2.5 Компьютерная видеосистема

Дисплей представляет собой устройство для визуального отображения информации. Сигналы, которые принимает дисплей: цифры, символы, графическая информация и сигналы синхронизации генерируются видеокартой (видеоадаптером) [6].

В настоящее время существует более 30 модификаций различных типов видеокарт, отличающихся дизайном, параметрами и стандартами. Любой адаптер содержит видеопамять, в которой хранится информация, отображаемая на экране. Ее объем может достигать нескольких гигабайт. Каждая точка на экране соответствует полю видеопамяти (несколько битов или байтов), в котором хранится элемент дисплея или изображение. Разрешается записывать данные в видеопамять и считывать информацию с нее программным обеспечением. То, что находится в видеопамяти, сразу отображается на экране [4].

Возможности компьютера для отображения информации определяются совокупностью и совместимостью технических характеристик дисплея и его адаптера (то есть видеосистемы в целом).

VGA карта в настоящее время является стандартом в области ПК. Существует большое разнообразие видеокарт VGA.

Первые карты VGA были представлены IBM в 1987 году. Аббревиатура VGA является аббревиатурой от английского термина Video Graphics Array.

Карты VGA совместимы снизу вверх, то есть они способны эмулировать все ранее описанные и ранее созданные стандарты от MDA до EGA.

Стандартная VGA-карта обеспечивает разрешение 640 * 480 пикселей с 16 цветами. Фактически, карта VGA может поддерживать 256 цветовых тонов, но это уже зависит от объема доступной видеопамяти. Объем видеопамяти 8-битной VGA-карты обычно составляет 256 КБ, 16-битная VGA-карта должна быть оснащена объемом памяти не менее 512 КБ.

Супер VGA

Стандартное разрешение этого режима составляет 800 * 600 пикселей. С объемом видеопамяти 256 КБ и разрешением SVGA можно обеспечить 16 цветов; 512 Кбайт видеопамяти позволяют отображать 256 цветовых тонов с одинаковым разрешением. Карты с 1 МБ памяти позволяют достичь того же разрешения, что и 32768 (HiColor), 65536 (Real Color) или 16,7 миллионов (TrueColor) цветов.

HiRes VGA

Стандарт HiRes VGA (High Resolution) также был разработан IBM. Разрешение в этом стандарте может быть увеличено до 1024 * 768 пикселей, но обычно с этим разрешением цветовая гамма ограничена. Как правило, стандарт HiRes VGA характеризуется поддержкой 16 или 256 цветов.

Ускорительные карты

Основное отличие между ускорительными картами и стандартными VGA-картами заключается в том, что они оснащены специальным чипом (контроллером).

Ускорительные карты имеют отдельный процессор (или графический контроллер), который выгружает процессор ПК и выполняет графические команды параллельно с ним. Графический процессор выполняет такие функции, как создание и рисование геометрических фигур, заполнение их определенным цветом или штриховкой, смещение и копирование фрагментов экрана. Как правило, такие ускорительные карты, помимо специального контроллера, оснащены 1 МБ или более видеопамяти.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Персональный компьютер (ПК) напоминает большую систему в миниатюре, предельно упрощенную и максимально приближенную к пользователю. ПК обладает высоким быстродействием, способствуя росту производительности труда. Кроме того, благодаря гибкости подсистемы ввода/вывода, можно подключать к ПК самые разнообразные внешние устройства, расширяя тем самым сферы деятельности. И еще одно интересное качество ПК – модульное построение ПК (объединение в системе съемных компонентов-модулей), которое обеспечивает модернизацию и продлевает «долголетие» ПК.

В понятие «архитектуры» ПК вложены принципы организации вычислительного процесса и переработки информации, включая внутреннее программное обеспечение, позволяющее обрабатывать машинные команды. Детальный анализ архитектуры ПК содержит описание представления программ и данных: систему счисления информационные форматы и организацию вычислительного и обменного процессов. Анализ архитектуры затрагивает структуру памяти, методику выполнения машинных операций, систему размещения информации в памяти, систему диагностирования и контроля, а также управление вычислительным процессом.

Материнская плата является основой любого компьютера. Именно благодаря этому все устройства, которые составляют обычный ПК, могут работать вместе.

Системная плата или материнская плата – это основа, на которой строится любой современный компьютер. Любой персональный компьютер, ноутбук, планшет и даже карманный компьютер – каждый имеет материнскую плату. Именно она обеспечивает взаимодействие таких компонентов, как процессор, оперативная память, карты расширения и устройства хранения, которые отличаются по своему дизайну и функциям.

Материнская плата является самой большой в компьютере и ее замена – сложная операция, вовлекающая полную разборку ПК.

Чипсет – это набор микросхем, который интегрирует и координирует работу основных систем персональных компьютеров, расположенных на материнской плате. Чипсет определяет возможности персонального компьютера и функции, которые он поддерживает, кроме того, производительность компьютера и его бесперебойная работа зависят от надежной работы чипсета.

Также в курсовой работе были рассмотрены основные устройства, подключаемые к материнской плпте: микропроцессор, оперативная память и видеоадаптер.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Гуров В. В. Архитектура и организация ЭВМ / В. В.Гуров, В. О.Чуканов – М.: Национальный Открытый Университет «ИНТУИТ», 2016. – 184 с.
2. Гуров, В. В. Архитектура микропроцессоров : учебное пособие / В. В. Гуров. – 3-е изд. – Москва, Саратов : Интернет-Университет Информационных Технологий (ИНТУИТ), Ай Пи Ар Медиа, 2020. – 326 c.– Текст : электронный // Электронно-библиотечная система IPR BOOKS : [сайт]. – URL: http://www.iprbookshop.ru/89419.html (дата обращения: 11.03.2020). – Режим доступа: для авторизир. пользователей
3. Леонтьев В. Новейшая энциклопедия. Компьютер и интернет 2016 – М.: Эксмо, 2016. – 560 с. 
4. Макарский Д.М. 100 способов ускорить работу компьютера, о которых должен знать каждый М.: Эксмо, 2016. – 224с.
5. Максимов Н.В. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: Учебник. / Н.В.Максимов, Т.Л.Партыка, И.И. Попов– М.: ФОРУМ:ИНФРА-М, 2013. – 512 с.
6. Мещеряков В.В. Технические средства информатизации. Интерактивное учебное пособие. – М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2014. – 354с.
7. Миронов, Д.А. Энциклопедия компьютера и ноутбука. Самый наглядный самоучитель / Д.А. Миронов. – М.: Эксмо, 2014. – 320 c.
8. Наглядное устройство материнской платы компьютера [Электронный ресурс]. URL: http://pc-information-guide.ru/materinskaya-plata-kompyutera/ustroystvo-materinskoy-platy.html (дата обращения: 11.03.2020).
9. Назначение, основные элементы и устройство материнской платы [Электронный ресурс]. URL: http://systech.ru/vopros_otvet/naznachenie-osnovnye-ehlementy-i-ustrojjstvo-materinskojj-platy.html (дата обращения: 11.03.2020).
10. Персональный компьютер. Лучший самоучитель / Е.Н.Гузенко, А.С. Сурядный – Владимир: ВКТ, 2011. – 544 с.
11. Рычков, В.Н. Англо-русский толковый словарь-справочник для пользователей ПК, ноутбуков, планшетных компьютеров и цифровой техники / В.Н. Рычков. – СПб.: НиТ, 2013. – 304 c.
12. Саля И. Л. Технические средства реализации информационных процессов: учебно-методическое пособие / И. Л. Саля, А. И. Давыдов – Омск: ОмГУПС, 2015. – 64 с.
13. Сенкевич А.В. Архитектура ЭВМ и вычислительные системы – М.: Академия, 2014. – 440 с.
14. Сергиенко А. М. Архитектура компьютеров: Конспект лекций. – К.: НТУУ«КПИ», 2015. – 198 с.
15. Соломенчук В. Г. Железо ПК-2010. – СПб.: БХВ-Петербург, 2010. – 448 с.
16. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. 6-е изд./ Э.Таненбаум, Т.Остин – СПб.: Питер, 2014. –816 с.
17. Хартов, В.Я. Микроконтроллеры AVR. Практикум для начинающих: Учебное пособие / В.Я. Хартов. – М.: МГТУ им. Баумана, 2012. – 280c.
18. Что такое чипсет (chipset), северный и южный мост, типы чипсетов [Электронный ресурс]. URL: http://pc-information-guide.ru/materinskaya-plata-kompyutera/chto-takoe-chipset-chipset-severnyj-i-yuzhnyj-most-tipy-chipsetov.html (дата обращения: 11.03.2020)
19. Что такое чипсет? [Электронный ресурс]. URL: http://we-it.net/index.php/zhelezo/materinskie-platy/8-chto-takoe-chipset (дата обращения: 11.03.2020).
20. Шагаков, К.И. Визуальная энциклопедия компьютера и ноутбука / К.И. Шагаков, А.В. Касаткина. – М.: Эксмо, 2014. – 400 c.