Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

Устройство персонального компьютера (Периферийные устройства)

Содержание:

Введение

Современность характеризуется развитием информационных технологий. Труд людей становиться все чаще интеллектуальным, нежели физическим. Разработка и производство компьютеров и программного обеспечения становиться все более прибыльным делом, стремительно развивается.

Стационарный компьютер, ноутбук, нетбук, ультрабук, моноблок, планшетный компьютер – все это устройства под общим названием компьютер. У всех перечисленных устройств разное назначение и комплектация. Даже стационарные компьютеры могут, в зависимости от назначения, различаться по конфигурации. Так, например, игровой компьютер должен обладать высокой мощностью процессора и видеокарты. Компьютер для разработки программного обеспечения должен иметь высокие характеристики скорости работы не говоря уже про большой монитор.

Скорость работы компьютеров растет, растут и требования к работе с ними. Повышение производительности играет важнейшую роль в работе каждого. Уметь организовать свою работу, выбрать способы и инструменты, а так же самому исправить неполадки оборудования в наше время становится все более востребованными качествами сотрудника.

Только в крупных компаниях на сегодняшний день востребованы узкие специалисты. В небольших и мелких компаниях нужны универсалы. Если программист умеет заменить батарейку, поменять термопасту, «вылечить» плохие сектора на жестком диске, то возможности выбора работы у него больше. Такой работник цениться выше, а так же имеет возможность дополнительно зарабатывать ремонтом и сборкой компьютеров.

Цель данной работы изучить архитектуру компьютера, назначение его комплектующих. Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

Изучить по данной теме научную литературу.
Изучить какие есть комплектующие устройства компьютера и их функции.
Рассмотреть виды и особенности устройств.
Сделать выводы по исследуемой теме.

Объектом изучения является – архитектура компьютера

Предметом изучения является – комплектующие компьютера.

В первой главе раскрывается понятие системного блока. Описываются отдельные его компоненты.
Во второй главе показаны особенности и виды периферийных устройств.

Информационной базой исследования послужили учебно-методическая литература.

Метод исследования- теоретический анализ.

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

Глава 1. Устройства системного блока и их назначение

«Информация – это совокупность каких-либо сведений, данных, передаваемых устно (в форме речи), письменно (в виде теста, таблиц, рисунков, чертежей, схем, условных обозначений) либо другим способом (например, с помощью звуковых или световых сигналов, электрических или нервных импульсов, запахов, вкусовых ощущений, перепадов давления или температуры и т.д.)» . [1, стр. 5]

Компьютер является техническим средством обработки информации. С помощью компьютера над информацией можно производить следующие действия:

Получение;
Представление;
Передача;
Обработка;
Хранение;
Преобразование.[5]

«Общий принцип работы ЭВМ заключается в следующем. Из процессора на шину адреса (на структурной схеме она не показана и находится внутри системной шины) выдается адрес очередной команды. Считанная поструктурная схема ЭВМ этому адресу команда (например, из ОЗУ) поступает по шине данных (она находится внутри системной шины) в процессор, где она выполняется с помощью АЛУ. Устройство управления процессора определяет адрес следующей выполняемой команды (фактически номер очередной ячейки памяти, где находится очередная команда или исходные данные). После исполнения процессором текущей команды на шину адреса выводится адрес ячейки памяти, где хранится следующая команда и т. д.» [1, стр. 88, 89][6]

Можно выделить два основных свойства технических средств информации. Первое свойство заключается в сложной структуре. Множество элементов, взаимосвязанных между собой, передают друг другу сигналы и информацию для достижения одной общей цели или решения задачи. Второе свойство заключается в сложности передачи информации, необходимости ее конвертировать и изменять для ее восприятия различными устройствами.[4] [11]

В зависимости от назначения, все устройства можно разделить на шесть групп:

Устройства ввода информации.
Устройства вывода информации.
Устройства обработки информации.
Устройства передачи и приема информации.
Устройства хранения информации.
Многофункциональные устройства. [5]

Устройства компьютера подразделяются на устройства системного блока и периферийные устройства. По своей сути, системный блок и есть компьютер. Все основные рабочие характеристики компьютера – это характеристики устройств системного блока. [4]

Системный блок представляет собой корпус. Так как нет единого стандарта системного блока, производители имеют возможность создавать самые разные корпуса, различающиеся по дизайну, размерам, заслонкам, защелкам и способу сборки. [4]

Устройства системного блока:

Микропроцессор;
Оперативная память;
Материнская плата;
Видеокарта и звуковая карта;
Блок питания;
Устройства внешней памяти;
Система охлаждения;
Шины (шлейфы) и разъёмы и др.[1]

Центральным устройством любого копьютера является микропроцессор – «электронное устройство в небольшом корпусе, выполняющее все вычисления и обработку информации». [4, стр. 21.] Назначением процессора является выполнение программ и команд пользователя, а так же управление работой остальных устройств. [4]

Процессор выполняет логические и арифметические операции, определяет порядок выполнения операций, указывает источники данных и приемники результатов. Работа процессора происходит под управлением программы. [1]

Главными характеристиками процессора являются разрядность и быстродействие. «Разрядность – это количество данных, которые обрабатываются процессором за один прием, а быстродействие – частота, с которой эта обработка происходит». [2, стр. 21]

Быстродействие является определяющей характеристикой качества процессора. «Оценочным критерием компьютерной производительности является время: компьютер, выполняющий тот же объем работы за меньшее время, является более быстрым. Время выполнения программы оценивается в секундах, затраченных на ее выполнение. Но время может быть определено и другими способами, в зависимости от того, что берется в расчет. Наиболее простые — время выполнения процесса, время отклика или общее затраченное время. Эти понятия означают полное время, затраченное на выполнение задачи, включая обращения к диску, обращения к памяти, работу устройств ввода-вывода, издержки, связанные с работой операционной системы, то есть все, на что потрачено время». [7, стр. 51]

Процессор принимает и оправляет сигналы в виде двоичного кода. Программистам сложно писать программы в виде двоичного кода, поэтому программы пишутся на языках высокого уровня. В процессе трансляции программы текст программы превращается в двоичный код, который побуждает процессор выполнять команды. [1]

Процессоры различаются по количеству ядер. Если в одноядерном процессоре одна команда поступает на вход, затем обрабатывается, а остальные ждут очереди, то в двух ядерном процессоре на вход идет два независимых потока команд. Оба потока команд идут не смешиваясь друг с другом, таким образом, производительность ПК повышается. [4]

Внутреннее устройство процессора может отличаться в зависимости от производителя, но, как правило, процессор включает в себя устройство управления (УУ), ряд регистров, арифметико-логическое устройство (АЛУ). Устройство управления, как исходит из названия, служит для координирования работы всех блоков компьютера. Регистры – это «запоминающие устройства, подобные ячейкам памяти, но гораздо более быстрые». [8, стр. 85.] Среди регистров выделяют:

Указатель команд,
Регистр команд,
Регистр первого операнда,
Регистр второго операнда,
Регистр результата.

Работа с данными происходит в регистрах первого операнда и второго операнда, а результат записывается в регистр результата. Процессор выполняет команды, находящиеся в регистре команд, по очереди и может выполнять не более одной команды одновременно. [8]

«Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – важнейшая часть процессора. Оно позволяет выполнять различные арифметические и логические операции над операндами» [11, стр. 98] Команды программы передаются из оперативной памяти в процессор, который производит над ними логические и арифметические операции. Завершив выполнение первой команды программы, процессор выполняет следующую и так дальше до конца программы затем передает управление операционной системе компьютера. [5] [11]

«Выполнение операции в АЛУ включает в себя:

Определение местоположения первого операнда (регистр или память);
Выбор регистра первого операнда или считывание первого операнда из памяти;
определение местоположения второго операнда (регистр или память);
Выбор регистра второго операнда или считывание второго операнда из памяти;
Подачу на вход АЛУ операндов и выполнение операции;
Определение местоположения результата (регистр или память);
Выбор регистра результата или ячейки памяти и занесение результата операции из АЛУ». [12, стр. 65, 66]

«Память — функциональная часть ЭВМ, предназначенная для записи, хранения и выдачи информации». [11, стр. 101]

«Данные — это сведения, характеризующие какую-то систему, явление, процесс или объект, представленные в определенной форме и предназначенные для дальнейшего использования». [9, стр. 207]

К устройствам памяти относится:

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство),
ПЗУ (постоянное запоминающее устройство),
ВЗУ (внешние запоминающие устройства),
Кэш-памяти (недоступный для программистов и пользователей буфер),
CMOS-памяти (здесь хранятся системные данные).
РОН — внутренних регистрах процессора (используются при вычислениях). ОЗУ, ПЗУ, РОН, кэш-память, CMOS-память, внешняя Flash-память являются электронными типами памяти, а ВЗУ — электромеханической памятью. [11]
Оперативная память (ОЗУ) и постоянная память (ПЗУ) вместе образуют так называемую основную память (ОП). Объем и скорость работы памяти являются важным показателем производительность компьютера в целом. [11]

ОЗУ — это наибольшая часть основной памяти. Оперативная память предназначена как место для хранения временной информации, промежуточных результатов, которые меняются в процессе выполнения программы. Когда процессор переходит в режим считывания, он берет информацию из ОЗУ, а потом записывает в ту же ячейку памяти новый промежуточный результат вычислений. Старые данные удаляются и заменяются новыми. После выключения компьютера оперативная память обнуляется. [11]

Адреса, данные и операции, которые процессор то извлекает, то помещает снова в память принято называть операндами. Программа, которая выполняется в данный момент процессором и занимает оперативную память, называется активной. Иногда активная программа использует так же кэш и ПЗУ. [5] [4]

Далее мы рассмотрим постоянные запоминающие устройства. Постоянная память компьютера служит для хранения постоянных программ и данных. Среди всего прочего в ПЗУ хранятся следующие программы: программа управления работой процессора, программа запуска и прерывания работы компьютера, программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью; информация о том, где на диске находится операционная система. [7]

Постоянной память называется потому, что является энергонезависимой памятью, при отключении питания информация в нем сохраняется. [4]

Физически постоянная память компьютера представляет собой микросхему с кристаллом и находится на материнской плате.

ПЗУ состоит из двух основных частей, одна часть диодно-трансформаторная матрица, она предназначена для хранения команд, программ и данных, а вторая часть служит для выдачи этой информации. Диодно-трансформаторную матрицу схематично можно представить в виде множества одноразрядных ячеек.[1]

Технология изготовления микросхемы ПЗУ может отличаться, выделяют следующие виды: ROM, PROM, EPROM, EEPROM, NVRAM и другие. [8]

ROM (read-only memory) предполагает только чтение, запись не возможна, запись производится изготовителем и невозможно перезаписать. В отличие от ROM, PROM (programmable read-only memory) производятся без записи, запись осуществляется только один раз с помощью программатора. В дальнейшем устройство используется только для чтения. ПЗУ без возможности перезаписи имеет свои недостатки, модифицировать под новые условия нельзя, приходится менять микросхему. Для такого случая есть многократно программируемые микросхемы ПЗУ. [11]

Следующий тип ПЗУ, EPROM (erasable programmable read-only memory) может быть перезаписана с помощью программатора. Для изменения информации используется ультрафиолетовое излучение. EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory) так же позволяет записывать и удалять информацию, с тем отличием, что для перезаписи применяется электрическое оборудование. [12]

Внешняя память компьютера служит для долговременного хранения информации. Устройства внешней памяти называют накопителями, внешними и внутренними. Внешними устройствами называют те, которые имеют собственный корпус и источник питания. Внутренние устройства расположены внутри системного блока и соединены шлейфом с другими устройствами. [4]

Основными характеристиками накопителей являются: возможный объем хранимой информации и время доступа. [1]

Внутренним устройством памяти является жесткий диск или винчестер. Он представляет собой механический привод, головки чтения-записи, несколько носителей для хранения данных. Всем устройством управляет встроенный контроллер. Носителями информации являются несколько магнитных дисков. Магнитная головка способна считывать с них информацию и записывать новую, используя магнитные свойства слоя, нанесенного на поверхность. [4]

Информация хранятся в узких дорожках на поверхности диска, на современных дисках более 200 тысяч таких дорожек. Дорожки разделены на секторы. [1]

Карты дорожек и секторов помогают найти, куда записать или где считать информацию. Информация о адресах на секторах и дорожках находится в памяти интегральной микросхемы, которая размещена снаружи корпуса жесткого диска. [2]

Диск производится из металлического сплава, который покрывают ферромагнитным слоем. Ферромагнитный слой хранит всю информацию. Информация, сохраненная на жестком диске, является определенной последовательностью нулей и единиц. Каждый участок жесткого диска размером с квадратный сантиметр содержит несколько десятков миллиардов битов. [5]

Когда на жесткий диск осуществляется запись, либо с него идет чтение данных, или загружается ОС, электромотор включается и набирает обороты, а поскольку жесткие диски закреплены на самом моторе, то они вместе с ним начинают совершать вращательные движения. Когда обороты достигают нужного уровня интегральная микросхема приводит в движение магнитную головку, которая позиционирует то место на диске куда нужно произвести запись или откуда нужно извлечь команды или данные. [1]

Жесткий диск может пребывать в двух состояниях: состояние активной работы и моменты простоя, когда никаких операций чтения или записи не происходит. Однако следует отметить, что и в период простоя диски внутри винчестера не перестают вращаться, они вращаются медленнее.[5][2]

К внешним носителям информации относят диски CD-R, CD-RW, DVD-R, DVD-RW. Диски CD-R являются носителями емкостью до 650 Мбайт, представляют собой диски со светоотражающим слоем на той стороне, где хранятся данные. На диск нанесена спиральная дорожка из отражающих и не отражающих свет точек от периферии к центру диска. Устройство CD-ROM производит считывание данных с помощью лазерного луча.[7]

Накопители CD-R созданы для того, чтобы однократно записывать информацию на диски. Лазером прожигается пленка на поверхности диска, изменяя его отражающую способность. Перезапись такого диска невозможна. Диск данного типа читает привод CD-ROM.[1]

Используя накопители CD-RW можно делать многократную запись данных на диск. В работе диска используются свойство рабочего слоя менять свое состояние под воздействием лазерного луча из кристаллического в аморфное или наоборот. Оба состояния имеют разную отражательную способность.[1]

Диски DVD-R предназначены для хранения компьютерных данных довольно большого объема. Плотность записи на таких дисках несколько выше, чем у обычных CD-R. Так же как CD-R, диски такого типа не могут быть записаны второй раз. Диски DVD-RW позволяют записывать и перезаписывать информацию. [11]

Флеш-память как внешнее устройство памяти очень удобна, устанавливается в USB разъем на материнской плате. Флеш-память очень надежная, ударопрочная, в маленьком корпусе, экономно расходует электроэнергию и может вмещать довольно большой объем информации. Работать с модулем флеш-памяти очень просто, скорость работы высокая, зависит от операционной системы и материнской платы. В последнее время появлялись высокоскоростные разъемы USB. [9]

Внутренняя память процессора называется кэш-память (или просто кэш). «Кэш – это быстродействующая память, в которую переносятся команды и данные, непосредственно обрабатываемые процессором». [4, стр. 23.] Кэш-память состоит из трех уровней, первого, второго и третьего. Первый уровень отличается высокой скоростью обработки информации, второй – большим объемом, а третий служит для быстрого обмена данных с системной памятью. Обработка данных, расположенных в кэше происходит значительно быстрее, чем если бы они были в основной памяти. Из вышесказанного можно сделать вывод, что объем кэша косвенно определяет быстродействие процессора. [4]

Основное назначение кэш-памяти – это хранение команд и данных, которые понадобятся процессору в ближайшее время. Емкость кэша обычно намного меньше оперативной памяти и в нее может поместиться часть программы. В кэше так же хранятся вместе с данными или командами их адреса в основной памяти. [8]

«В кэш-памяти хранятся наиболее часто используемые слова, за счет чего повышается скорость доступа к ним. Если достаточно большой процент нужных слов находится в кэш-памяти, время ожидания может значительно сократиться». [10 , стр. 337]

Процесс использования кэш-памяти можно представить следующим образом. Процессору необходимо прочтение команды или данных из памяти, адрес запроса отправляется в порт – регистр MAR. MMU – контроллер памяти переделывает виртуальный адрес запроса в физический, для того чтобы контроллер кэш памяти начал поиск нужных данных или команд в кэше. Если попадание произошло, значит данные или коды программ извлекаются из кэша, если происходит промах, то необходимо обращение к основной памяти. [4]

Запись новых данных в память может быть осуществлена как через кэш, так и напрямую в память. [6]

Кэш прямой и ассоциативный – два основных принципа организации кэш памяти. Кэш ассоциативного отображения более эффективен, но эта технология весьма дорогостоящая, поэтому существует третий принцип – множественно-ассоциативный или наборно-ассоциативный, который основан на сочетании двух основных типов – прямого и ассоциативного. [8]

Если в процессоре используется кэш-память, предназначенная для хранения команд и данных, такая память называется смешанной, а архитектуру компьютера, в которой применяется смешанная кэш-память, обычно называют Принстонской, в честь университета, где такая кэш была разработана. В Гарвардской архитектуре компьютера применяют два кэша, отдельно для данных, отдельно для команд. Название происходит от Гарвардского университета, где была предложена такая архитектура в 1950 г. [12]

Сравнение Гарвардской и Принстонской архитектуры.

	Достоинства
Смешанная кэш-память	Более высокий процент попаданий, так как автоматически устанавливается оптимальный баланс между командами и данными
Раздельная кэш-память	Выборка команд и данных может производиться одновременно и не возникает сбоев

[12]

ПЗУ, ОЗУ, внешние запоминающие устройства, процессор соединены с материнской платой. [5]

«Материнская плата (Motherboard) — конструкционный элемент компьютера, на котором размещено большое число деталей: процессор, оперативная память, ПЗУ, разъемы (слоты) для подключения адаптеров (карт) и т. д.» [1, стр. 389]

Материнская плата – это основная микросхема системного блока, связующее звено между процессором, оперативной памятью, устройствами внешней памяти, звуковой и видеокартой и другими устройствами. [5]

Основная функция материнской платы быть посредником между устройствами внутри системного блока, передавать изображение на монитор, принимать сигналы от клавиатуры, мышки, а так же обеспечивает компьютеру доступ в Интернет с помощью встроенного сетевого адаптера. [7]

Конечно, у разных производителей могут быть различные материнские платы. Обычно в состав материнской платы входит:

сокет CPU – разъем для установки процессора;
Слоты PCI;
Слоты под ОЗУ;
SATA и IDE разъемы;
Чипсет;
Микросхема BIOS;
батарейка питания CMOS памяти;
Внешние разъемы (выходы на наушники, микрофон, Ethernet, HDMI, USB и т.п);
Разъемы для подключения питания. [9]

Сокет процессора – это место для крепления процессора. Чтобы установить процессор в материнскую плату, нужно чтобы он подходил по сокету. Это тот параметр, на который следует обращать в первую очередь при покупке процессора. [5]

Физически сокеты имеют следующие различия: размер, количество контактов, их тип, расстояние креплений кулеров.[1]

PCI – (англ. Peripheral component interconnect) – это шина для подключения к материнской плате различных устройств. Слот PCI необходим для подключения звуковых карт, ТВ-тюнеров, сетевых карт и прочих так плат расширения. [6]

Рядом с сокетом обычно расположены слоты под оперативную память (ОЗУ). Тип оперативной памяти зависит от разъемов, имеющихся на материнской плате. Количество разъемов может отличатся, может быть от двух до шести разъемов, иногда и более. [1]

Слоты, предназначенные для ОЗУ, представляют собой набор контактов. Слева и справа на слоте расположены защелки, которые служат для фиксации микросхем. Так же имеется специальный выступ, который совпадает с вырезом на микросхеме. Таким образом, исключается неправильная установка устройства. [7]

Как говорилось выше, главное устройство в системном блоке – это процессор (ЦПУ), он отправляет команды остальным устройствам, технически невозможно совершать это напрямую. Чипсет связывает центральный процессор с остальными устройствами: оперативной памятью, устройствами ввода вывода, с контролерами периферийных устройств. Данные передаются через систему шин. [11]

Функции чипсета состоят в контроле и распределении сигналов, что позволяет системе работать быстро и без сбоев.

Характеристики чипсета:

Количество процессоров, которое возможно установить на материнскую плату (МП);
Количество слотов под карты памяти.[12]

Устройство чипсета отличается у старых и новых моделей. Старые модели состоят из двух отдельных блоков микросхем. Они назывались Северный и Южный мост. Северный мост служит для обеспечения обмена информацией центрального процессора с графическим устройством и с оперативной памятью. Южный мост передает сигналы от центрального процессора к накопительным дискам персонального компьютера, координирует работу звуковой карты, управляет оптическими приводами и прочими периферийными устройствами. Оба моста передают сигналы по системной шине.[1]

В новых моделях как такового Северного моста нет, он встроен в центральный процессор, как отдельный элемент есть только Южный мост. Интеграция Северного моста в процессор позволяет увеличить скорость работы, уменьшить затраты на производство, освободить место в системном блоке, снижается нагрев и потребление электроэнергии. [5]

На материнской плате есть микросхема BIOS. BIOS – это базовая система ввода – вывода. Программы, входящие в систему BIOS, совершают проверку функциональности системы перед запуском операционной системы и запускают ее. В персональном компьютере BIOS расположен в материнской плате, в небольшой микросхеме. Она может быть как съемной, так и впаянной в материнскую плату. Микросхем BIOS может быть две, одна из них резервная. Бывает, что BIOS не выделена в отдельную микросхему. Рядом может быть батарея и специальный джампер, позволяющий вернуть BIOS к заводским настройкам. [12]

«По определению BIOS представляет собой интерфейс между программным обеспечением и аппаратными средствами, который позволяет им общаться и взаимодействовать друг с другом». [3, стр. 4]

Рядом с микросхемой BIOS часто располагается батарейка питания CMOS памяти, иногда ее называют батарейка BIOS. Она представляет собой небольшой элемент питания для памяти CMOS. В то время, когда компьютер выключен, в нем должны хранится некоторые данные в памяти CMOS, такие как дата, время, часовой пояс и другие пользовательские настройки. [4]

Память CMOS, которую она питает, потребляет небольшое количество электроэнергии, но в конечном итоге элемент питания разряжается и подлежит замене. [4]

Батарейка представляет собой литиевый элемент питания с диаметром около 2 см с напряжением в 3 В. Её объем и емкость могут быть разными. [4]

Выделяют батарейки трех основных типов:

CR2016 (емкость 80 mAh)
CR2025 (емкость 150 mAh)
CR2032 (емкость 230 mAh)[5]

Тип батарейки указан на ее лицевой стороне, обычно в нижней строке. [11]

Если батарейка для CMOS в компьютере разрядится или выйдет из строя, то это обычно не имеет необратимых последствий для компьютера. От сброса CMOS-памяти BIOS компьютер в целом не перестанет быть работоспособным. Пользовательские настройки BIOS пропадут, можно восстанавливать их вручную, но они не сохранятся после перезапуска. При загрузке может быть сообщение о неисправности батарейки. На экране появляется сообщение «Battery Low Level» или «CMOS-chercksum error». [5]

Материнская плата, оперативная и внешняя память и другие устройства системного блока потребляют электроэнергию. Блок питания компьютера предназначен для преобразования переменного тока в постоянный, понижения и стабилизации напряжения. Без блока питания компьютер не включается, если возникла такая ситуация, в первую очередь следует проверить именно его. [5][11]

Мощность блока питания у современного ноутбука, примерно 25-100 Ватт. В стационарных компьютерах мощность может достигать 2000 Ватт. В погоне за скоростью и производительностью компьютера не стоит покупать самый мощный блок питания. На скорость работы компьютера влияния не будет оказано никакого, а вот затраты возрастут и на покупку устройства и за электроэнергию. [7]

Блоки питания можно разделить на трансформаторные и импульсные. Рассмотрим их отличия, преимущества и недостатки. Трансформаторный БП состоит из трансформатора; выпрямителя; сетевого фильтра. На трансформатор идет из сети входящее напряжение. Выпрямитель решает задачу преобразования переменного тока в постоянный однонаправленный. Обычно используются только два типа выпрямителей: двухполупериодный и однополупериодный. Оба выпрямителя похожи, главное различие состоит в использовании диодных мостов. В первом случае применяются четыре диода, а во втором только два. Для сглаживания пульсации тока используется сетевой фильтр, который представляет из себя конденсатор, обладающий большой емкостью. [9]

Преимущества трансформаторных блоков питания:

Конструкция надежная и простая, редко выходит из строя;
Простота ремонта;
Радиопомех почти нет.

Недостатки:

Мощность блока питания прямо пропорциональна его размерам и весу;
Эффективность работы зависит от качества трансформатора.
Применение в производстве блока питания электротехнической стали значительно повышает стоимость.[1]

При разработке импульсных блоков питания применяются другие конструкторские решения, с помощью которых увеличивается частота тока. Алгоритм работы БП импульсного типа:

Переменный ток, поступающий в устройство, выпрямляется;
Полученный постоянный ток конвертируется в прямоугольные частотные импульсы и скважности.
Если в конструкции блока питания присутствует гальваническая развязка, то прямоугольные импульсы поступают на трансформатор.
Если гальваническая развязка отсутствует, то прямоугольные импульсы на выходной ФНЧ. [4][6][11]

Основное отличие импульсных БП от классических:

При повышении частоты тока, растет производительность работы трансформатора;
Импульсный блок питания предъявляет минимальные требования к сечению сердечника и его материалу, из которого он выполнен;
Установка в импульсные БП небольших трансформаторов, без снижения КПД. [5]

Для стабилизации выходного напряжения в устройстве в импульсном блоке питания применяется отрицательная обратная связь. Сигналы обратной связи зависят от напряжения на выходе блока питания, а скважность на выходе ШИМ-контроллера зависит от сигналов обратной связи. [1]

Плюсы импульсных блоков питания.

Высокий коэффициент полезного действия, до 92-98%;
Небольшие размеры и масса;
Высокая надежность устройства;
Широкий диапазон настоек выходного напряжения и частоты;
Устройство надежно защищено от короткого замыкания;
Невысокая стоимость.

Недостатки:

Излучают высокочастотные помехи и не всегда помогает встроенное шумоподавление;
Сложность ремонта. [1] [4]

Главной проблемой функционирования системного блока является излишний нагрев оборудования. Для многих устройств системного блока опасен перегрев, устройство может медленнее работать или выйти из строя.

Для решения этой проблемы используются различные системы охлаждения компьютера: Далее мы рассмотрим их типы и разновидности.[7]

Системы охлаждения компьютера могут быть не только различных типов, но и разной эффективности. [12]

Системы охлаждения бывают следующих видов:

Воздушные системы
Жидкостные системы
Охлаждение с помощью фреона
Системы открытого охлаждения
Системы каскадного охлаждения
Комбинированные системы охлаждения
Системы с элементами Пельтелье[5][12]

В системном блоке обычно используется воздушное охлаждение. Воздушное охлаждения имеет очень простой принцип действия, тепло с поверхности устройств передается в окружающий их воздух. Воздушное охлаждение может быть активным и пассивным. В пассивном охлаждении используется радиатор, а при активном способе вентилятор (кулер). В современном компьютере одного радиатора как правило недостаточно, обычно его используют вместе с кулером. Тепло передается на радиатор, включается кулер, который обдувает радиатор прохладным воздухом охлаждая его до безопасных для оборудования температур. Радиатор может быть изготовлен из меди, серебра или алюминия. Так как первые два металла довольно дорогие, чаще всего производители выбирают алюминий. Чем больше площадь радиатора, тем выше его КПД. Есть несколько способов увеличить площадь:

1. Увеличить количество рёбер;

2. Увеличить размер радиатора. [4][7][8]

Первый способ кажется более удобным, он позволяет улучшить отдачу тепла и сохранить небольшой размер радиатора, однако из-за малого расстояния между рёбрами увеличивается гидравлическое сопротивление, которое препятствует быстрому движению воздуха через такой радиатор.[11]

Наиболее часто используется и считается более продуктивным второй способ, так как он позволяет улучшить теплоотдачу, снизить гидравлическое сопротивление, увеличить объем воздуха, который участвует в теплообмене.[6]

Как было выше сказано, одного радиатора недостаточно, нужен еще вентилятор, то есть кулер. Кулер состоит из электродвигателя, крыльчатки (лопасти) и подшипников, все детали встроены в легкий корпус. [5]

В отличие от радиаторов, где размер прямо пропорционален эффективности работы, не всегда кулер большего размера будет работать эффективнее и даже увеличение скорости вращения не всегда помогает достичь лучших результатов. Решающее значение приобретает форма лопастей. Очень важна правильная организация воздушного потока. Прохладный воздух должен поступать через переднюю и левую стенки корпуса системного блока, а разогретый выдуваться через заднюю и верхнюю стенку.[5][2]

Кулер чаще всего установлен на процессоре и на видеокарте, хотя владелец компьютера может поставить дополнительно еще несколько штук по своему усмотрению.[5]

При установке радиатора на процессор почти невозможно добиться полного прилегания радиатора. Воздушная прослойка между радиатором и процессором мешает эффективному теплообмену, поэтому на верхнюю часть корпуса процессора наносят тонким слоем термопасту. Она вытесняет воздух и заполняет мелкие неровности. Термопаста создает эффект плотного соприкосновения процессора и радиатора.[1]

Иногда в компьютерах применяются и другие системы охлаждения, например жидкостные (дистиллированная вода с примесями или фреон), иногда применяется сухой лёд, гелий, азот, но как правило, в домашних и офисных машинах только воздушное охлаждение.[1]

Для обработки графической информации и вывода изображения на экран необходима видеокарта. Современные видеокарты имеют собственный процессор, кулер и оперативную память. Некоторые ПК не имеют отдельной видеокарты. В этом случае процессор содержит в себе видеоядро, часть оперативной памяти используется на задачи, связанные с обработкой изображений. Такая конфигурация допустима, если компьютер не предназначен для работы с видео и изображениями, для загрузки страниц из Интернета и работы со стандартным пакетом программ вполне достаточно. Если ПК предназначен для игр, просмотра и обработки видео, необходима отдельная видеокарта, иначе программы и файлы будут зависать или не запустятся. [5][10]

Помимо графического процессора, оперативной памяти (видео ОЗУ) и кулера, видеопамять включает в себя цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), видеоконтроллер, видео ПЗУ. Рассмотрим каждый элемент отдельно.[1]

Графический процессор GPU (Graphicsprocessingunit) предназначен для расчетов и формирования графических данных, которые отправляются на монитор компьютера. Видео ОЗУ – временно хранит отправленные на монитор изображения. [4]

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует цифровую информацию в аналоговые сигналы, которые принимает монитор. ЦАП определяет количество оттенков изображения, разрешение и частоту вертикальной развертки. Цифровые мониторы имеют свой собственный ЦАП. Видеоконтроллер – устройство, координирующее формирование и отправку на ЦАП графической информации.[10]

Видеокарта имеет свою систему ввода-вывода графических данных, которая задает алгоритмы и правила, определенные производителем, таким образом, контролируя работу всего устройства. Данная система хранится в видео ПЗУ.[12]

«Видеопамять — электронная память, размещенная на видеокарте (графическом адаптере). Она используется, как правило, в качестве буфера для хранения кадров динамического изображения». [1, стр. 101] Так как видео карта имеет сложное устройство и в рабочем состоянии нагревается, от перегрева ей необходим свой собственный кулер, отводящий излишнее тепло от видео процессора и видео ПЗУ.[11]

Видеокарту можно подключать к слотам на материнской плате. Разъемы бывают AGP, PCI Express. Первый разъем очень старый, имеет малую пропускную способность. Чаще используется PCI Express, скорость передачи у него намного выше. Монитор подключается напрямую к видео карте через разъемы:

VGA;
DVI;
HDMI.[1][5][11]

На одной видеокарте может быть несколько различных разъемов и можно подключить сразу несколько мониторов, телевизор или проектор. VGA (Video Graphics Array) самый старый разъем, передает только аналоговый сигнал. DVI (Digital Visual Interface) подходит для современных жидкокристаллических мониторов, может передавать как аналоговый, так и цифровой сигналы. HDMI (High-Definition Multimedia Interface) HDMI (High-Definition Multimedia Interface) предназначен для передачи цифрового видео сигнала и многоканального цифрового аудиосигнала на ЖК монитор, телевизор или плазменную панель. [5]

Аудио сигнал генерируется так же с помощью звуковой карты. Звуковая карта может быть платой расширения или чипсетом, интегрированным в материнскую плату. Материнская плата с встроенной аудио картой позволяет экономить на приобретении отдельного устройства, но оборачивается некоторым снижением качества звука. [4]

Звуковая карта предназначена для генерации звука на компьютере, который можно услышать через колонки, наушники, а так же для сохранения звука, записанного с микрофона. [7]

Звуковая карта обычно устанавливается в PCI или PCIe разъемы материнской плате.[9]

Звуковая карта содержит в себе контроллер, звуковой кодек, линейные входы и выходы. Для преобразования цифровых аудио сигналов в аналоговые звуковая карта содержат в себе ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь). Сигнал передается на наушники или колонки. [4]

Аудиоконтроллер предназначен для выполнения цифровой обработки сигнала, а кодек для оцифровки, воспроизведения и цифрового и аналогового микширования сигналов от разных источников. [1]

Аудиокарта имеет порты для подключения динамиков, микрофонов и вспомогательных устройств. Аудиоразъемы различаются по цветам:

Розовый вход для микрофона;
Голубой линейный аудиовход;
Зеленый линейный аудиовыход для наушников или колонок;
Оранжевый линейный аудиовыход для центрального канала или сабвуфера;
Чёрный или серый линейный аудиовыход для объёмного звучания для подключения акустических систем или внешнего усилителя.[1][5][11]

Таким образом, системный блок включает в себя такие устройства как центральный процессор, материнская плата, видеокарта, звуковая карта, оперативная память, устройства для постоянного хранения информации и другие компоненты. Время работы, быстродействие всех систем компьютера, их слаженность гарантирует отсутствие сбоев в работе и качественную обработку данных.

Глава 2. Периферийные устройства

Системный блок является основной частью компьютера, но без монитора, клавиатуры, мыши невозможно работать. Так же нам часто необходимы дополнительные устройства: колонки, микрофон, наушники.

Все перечисленные устройства делятся на две группы:

Устройства ввода информации;
Устройства вывода информации.[1]

К устройствам ввода информации относиться:

Клавиатура;
Манипулятор мышь;
Сканер;
Микрофон.[5]

К устройствам вывода информации относятся:

Монитор;
Колонки и наушники;
Принтер. [12]

Клавиатура — необходима для ввода с помощью клавиш букв, цифр, знаков, формул, а так же команд управления. Основной способ ввода алфавитно-цифровой информации от пользователя в компьютер – печать на клавиатуре. Каждая клавиша является крышкой небольшого переключателя (механического или мембранного). В клавиатуре встроен микропроцессор, в функции которого входит отслеживать состояние переключателей, изменяющееся при нажатии или отпускании каждой клавиши, и посылать соответствующее сообщение (прерывание). Сообщение содержит ASCII-код клавиши. [1][10]

«В персональных компьютерах при нажатии клавиши происходит процедура прерывания и запускается программа обработки прерывания (эта программа является частью программного обеспечения операционной системы). Программа обработки прерывания считывает содержимое аппаратного регистра в контроллер клавиатуры, чтобы получить номер нажатой клавиши (от 1 до 102). Когда клавиша отпускается, происходит второе прерывание. Так, если пользователь нажимает клавишу SHIFT, затем нажимает и отпускает клавишу М, а после этого отпускает клавишу SHIFT, операционная система понимает, что ему нужна прописная, а не строчная буква М. Обработка нажатий клавиш SHIFT, CTRL и ALT в сочетании с другими клавишами выполняется только программно (сюда же относится известное сочетание клавиш CTRL+ALT+DEL, которое используется для перезагрузки всех компьютеров IBM PC и их клонов)». [10, стр. 136]

«ASCII (AmericanStandardCodeforInformationInterchange — американский стандартный код для обмена информацией) — схема кодирования букв, цифр, знаков пунктуации, управляющих и других символов с помощью восьми битного кода, позволяющего получить 256 различных кодовых комбинаций, которые записываются в виде кодовой таблицы. Первая половина таблицы используется для кодировки латинских букв, а вторая — для кодировки символов национальных алфавитов». (1, стр. 392)

«Каждый ASCII-символ содержит 7 бит, таким образом, всего можно закодировать 128 символов». [11, стр. 162]

Клавиатурная раскладка - это как раз и есть соответствие всех кодов клавиш и символов, которые с помощью них вводятся. [1][5]

Стандартная клавиатура включает в себя не менее 101 клавиши, позволяет напечатать более 256 различных символов и знаков.[5]

Все клавиши можно разделить на несколько групп:

Буквенно-цифровые клавиши;
Клавиши управления курсором;
Служебные клавиши;
Малая цифровая клавиатура;
Функциональные клавиши. [10]

Буквенно-цифровые клавиши — ввод букв, символов, цифр.

Клавиши управления курсором:

<←> – на один символ влево;
<↑> – на один символ вверх;
<→> – на один символ вправо;
<↓> – на один символ вниз;
<Home> – перемещение курсора в начало строки;
<End> – перемещение курсора в конец строки;
<PageUp> перемещение курсора на страницу вверх;
<PageDown> перемещение курсора на страницу вниз.[11][10]

Служебные клавиши:

<Enter> – Ввод или новая строка;
<Shift> – Ввод прописных букв и символов верхнего ряда клавиш;
<CapsLock> – фиксация/отмена режима прописных букв;
<CtrL>, <Alt> – Используются в комбинации с другими клавишами;
<Esc> – Прерывание работы программы или команды;
<Delete> – Удаление символов справа от курсора;
<Backspace> – Удаление символов слева от курсора;
<lnsert> – Переключение между режимами вставки и замены;
<PrintScreen> – копирование содержимого экрана в буфер обмена;
<ScrollLock> – Управление выводом данных на экран при работе в DOS;
<Pause> – Приостановка выполнения некоторых программ.[5][11]

Малая цифровая клавиатура находится справа, предназначена для более удобного ввода цифр и управления курсором. Может быть включена и выключена. <NumLock> - если включен, то возможен ввод цифр, если выключен, то дублирование клавиш для управления курсором и н некоторых служебных клавиш.[10]

Функциональные клавиши (<F1 - F12 >) предназначены для специальных действий, которые определяются моделью операционной системы или программой.

Клавиатуры бывают:

Мембранные;
Полумеханические;
Механические.[5][5]

Принцип работы мембранной клавиатуры строится на замыкании двух мембран при нажатии клавиши. Возврат к первоначальному состоянию происходит при помощи резинового купола. Такая клавиатура надежно защищена от проникновения внутрь крошек, пыли или жидкости. Недостаток состоит в недолговечности самой системы, быстро истираются контакты на мембране.[11]

В полумеханической клавиатуре применены металлические контакты, она служить дольше, чем мембранная. Возврат клавиши в такой клавиатуре так же происходит с помощью резинового купола.[5][10]

Механические клавиатуры резинового купола не имеют, вместо него используется пружинка. Механическая клавиатура долговечна, но может пострадать от попадания влаги и пыли. [11]

Также клавиатуры различаются по длине хода. Естественно, чем она больше, тем больше времени займет нажатие клавиши. Но и маленькая длинна хода - это не хорошо, так как может привести к частым случайным нажатиям. [10]

Даже между клавиатурами одного вида множество различий в зависимости от дизайна, наличия дополнительных клавиш. Для удобства тех пользователей, которые владеют слепым десятипальцевым набором текста, есть метки, они присутствуют на клавишах "F", "J" и на малой цифровой клавиатуре, на клавише "5". Так же для таких пользователей разработана клавиатура с разделением под левую и правую руку.[11]

Компьютерный манипулятор мышь позволяет выделять объекты на экране компьютера и управлять ими. Переносить файлы или куски текста, выделять и снимать выделение, растягивать, сгибать и т.д. в зависимости от программы, в которой работает пользователь.[5][11]

Мышь похожа на небольшую пластиковую подушечку, на которой располагается кисть пользователя, обычно она имеет две крупные плоские кнопки под указательный и средний пальцы. Между кнопками располагается небольшое колесико.

Мышь бывает:

шариковая,
оптическая,
лазерная. [5][10]

Шариковая мышь самая старая и дешевая. Внутри шариковой мышки прорезиненный шарик, чуть выступающий у подошвы. Шарик вращает внутренние ролики. «Перемещение влево-вправо вызывает вращение вала, параллельного оси Y, а перемещение вверх-вниз вызывает вращениевала, параллельного оси X» [10, стр. 447.] Датчики отслеживают движения роликов и формируют из них двоичный код.[10]

Механизм достаточно надежный, только шарик быстро загрязняется и мышь движется неравномерно и движения курсора на мониторе получаются неточными. Для шариковой мышки часто нужен коврик для лучшего сцепления с поверхностью.[11]

Оптическая мышь работает совершенно иначе. Вращающегося шарика нет, мышь по принципу работы похожа на видеокамеру. «Современные оптические мыши содержат светодиод, освещающий неоднородности поверхности, и крошечную видеокамеру, которая снимает изображение (как правило, размером 18 на 18 пикселов) до 1000 раз в секунду. Сравнение соседних изображений определяет, как далеко переместилась мышь. Некоторые оптические мыши используют для освещения лазер вместо светодиода. Они обеспечивают большую точность, но и стоят дороже». [11, стр. 142] Оптическая мышь не нуждается в коврике, может работать на любой поверхности, надежная и долговечная, миниатюрная и легкая. [10][11]

Устройство оптической мыши:

корпус;
блок управления колесиком прокрутки;
светодиод рабочей подсветки;
микропереключатели;
электронная схема;
фотоприемник;
фокусирующая линза.[5][10]

Лазерная компьютерная мышь почти не отличается от оптической, разница в том, что для подсветки используется не светодиод, как в оптической мыши, а луч лазера. [11]

Мышь можно подключить через порт PS/2 (круглый 6-ти контактный разъем, зеленого цвета) или через USB порт. [11]

Монитор необходим в любом компьютере для вывода на экран текста, видео и изображений. Работает монитор в двух режимах: графическом и текстовом. В графическом режиме изображения выводятся на экран по пикселям. В текстовом режиме экран делится на знакоместа, на которые выводится один из 256 символов стандарта ASCII. [11]

Основными характеристиками монитора являются:

Типы мониторов;
Диагональ экрана;
Соотношение сторон;
Разрешение экрана;
Частота обновления экрана монитора;
Углы обзора;
Время отклика пикселя;
Интерфейсные разъемы. [10]

По принципу формирования изображения все современные мониторы можно разделить на два типа:

на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ),
жидкокристаллические мониторы – LCD (Liquid-CrystalDisplay). [5][11]

Электронно-лучевая трубка представляет собой плотно запаянную стеклянную колбу, внутри которой находится безвоздушное пространство. Один из концов колбы называется горловиной, так как он узкий и длинный. Другой конец более широкий и довольно плоский – это экран. Его внутреннюю поверхность покрывает люминофор, вещество, которое при активном воздействии на него электронов испускает свет. Для движения луча света по экрану используется отклоняющая система. Она представлена несколькими катушками индуктивности, которые помещаются у горловины электронно-лучевой трубки. [1][11]

Плоские мониторы сейчас наиболее распространены. «Самой распространенной технологией плоских мониторов является жидкокристаллический дисплей». [11, стр. 138.]

«Экран жидкокристаллического дисплея состоит из двух стеклянных параллельно расположенных пластин, между которыми находится герметичное пространство с жидким кристаллом. К обеим пластинам подсоединяются прозрачные электроды. Искусственный или естественный свет за задней пластиной освещает экран изнутри. Электроды, подведенные к пластинам, используются для того, чтобы создать электрические поля в жидком кристалле. На различные части экрана воздействует разное напряжение, что и позволяет строить изображение. К передней и задней пластинам экрана приклеиваются поляроиды, поскольку технологически дисплей требует поляризованного света». [11, стр. 139.]

Диагональ экрана монитора измеряется в дюймах. Встречаются модели мониторов с диагональю, 15”, 17”, 19”, а также 21”, 23” и 27 дюймов. Последний вариант (27”) больше подходит для профессиональных программистов, графических дизайнеров и т.д. [5][10]

Соотношение длины и ширины сторон монитора, его пропорции наиболее популярны такие:

16:9,
16:10,
4:3.[10][11]

В документации любого современного компьютерного монитора можно встретить характеристику – частота обновления экрана. Измеряется эта характеристика в герцах (Гц). Чем выше частота, тем выше качество изображения, незаметнее переходы кадров. [5]

Таким образом, периферийные устройства обеспечивают взаимодействие пользователя компьютера с устройствами и системами обработки информации. Удобство работы, точность восприятия компьютером вводимой информации и четкость вывода обеспечивает пользователю комфортную и качественную работу. [5][10]

Заключение

Изучение литературы по теме устройство компьютера стало основой написания этой работы. В работе раскрыта тема архитектуры компьютера, особенностей различных систем и устройств, их основные параметры, даны выводы по главам.

В двух главах работы раскрыта тема архитектуры компьютера. Мы рассмотрели устройства системного блока в первой главе. Системный блок включает в себя такие устройства как центральный процессор, материнская плата, видеокарта, звуковая карта, оперативная память, устройства для постоянного хранения информации и другие компоненты. Время работы, быстродействие всех систем компьютера, их слаженность гарантирует отсутствие сбоев в работе и качественную обработку данных.

Во второй главе мы рассмотрели периферийные устройства. Их задачей является обеспечивать взаимодействие пользователя компьютера с устройствами и системами обработки информации. Именно от периферийных устройство зависит удобство работы, точность восприятия компьютером вводимой информации и четкость вывода, что обеспечивает пользователю комфортную и качественную работу.

Подводя итоги работы, хотелось бы отметить, что вопросы сборки компьютера под определенные задачи требуют тщательного обдумывания, составления вариантов архитектур, изучения возможностей комплектующих и возможности их работы в одном устройстве.

Библиография

Алексеев, А.П. Информатика 2015: учебное пособие/ Алексеев А.П. – 2015. – 400 с.
Архитектуры и топологии многопроцессорных вычислительных систем / Богданов А.В., Корхов В.В., Мареев В.В., Станкова Е.Н. – М.: Национальный Открытый Университет «ИНТУИТ», 2016 (Основы информационных технологий)
Вонг, А. Справочник по параметрам BIOS. Издательство: ДМК Пресс, 2010 – 352 с.
Гузенко, Е.Н. Персональный компьютер / Лучший самоучитель /Е.Н. Гузенко, А.С. Сурядный – изд. 7-е, доп. и перераб. – М.: АСТ: Астрель; Владимир: ВКТ, 2011. – 544 с.: ил. – (Учебный курс).
Дэвид М. Хэррис, Сара Л. Хэррис. Цифровая схемотехника и архитектура компьютера. 2-е изд. – MorganKaufman, 2013 – 1627 c.
Китаев Ю.В. Основы микропроцессорной техники. Учебное пособие – СПб.:Университет ИТМО, 2016., 51 с.
Паттерсон Д., Хеннесси Дж. Архитектура компьютера и проектирование компьютерных систем. Классика ComputerScience. 4-е изд. – СПб.: Питер, 2012. – 784 с.
Сергеев С.Л. Архитектуры вычислительных систем: учебник. – СПб.:БХВ-Петербург, 2010. – 240с.: ил. – (Учебная литература для вузов)
Стариченко Б.Е. Теоретические основы информатики. Учебник для вузов. – 3-е изд. перераб. и доп. – М.: Горячая линия – Телеком, 2016. – 400 с.
Танебаум Э., Бос Х. Современные операционные системы. 4-е изд. – СПб.: Питер, 2015. – 1120 с.: ил. – (Серия «Классика ComputerScience»).
Таненбаум Э., Остин Т. Архитектура компьютера. 6-е изд. – СПб.: Питер, 2013. – 816 с.
Цилькер Б. Я., Орлов С. А. Организация ЭВМ и систем: Учебник для вузов. 2-е изд. — СПб.: Питер, 2011. — 688 с.: ил.