Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

Устройство персонального компьютера (Понятие компьютера)

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы работы обусловлена тем, что сегодня сложно представить сферу жизни современного человека, в которой он бы не сталкивался с компьютерами. Современная вычислительная техника является одним из самых значительных достижений научной и инженерной мысли, представляет собой сложнейший продукт деятельности человека как в отношении аппаратного, так и программного обеспечения. Достижения микроэлектронной технологии позволили значительно расширить возможности современных ЭВМ. Разработка микропроцессоров привела к созданию персональных компьютеров, ставших эффективным средством повышения производительности труда инженеров, экономистов, технологов, конструкторов. За несколько десятилетий компьютеры прошли путь от оборудования, которое себе мог позволить далеко не каждый исследовательский институт, до прибора, который есть у каждого школьника (а нередко и не один – настольный компьютер дома, планшет в рюкзаке, смартфон в кармане…).

Если посмотреть на настольный компьютер с точки зрения простого пользователя, можно увидеть монитор, клавиатуру, мышь, различные периферийные устройства (принтер, сканер, микрофоны, колонки и т.д.) и системный блок (который незнающие люди как только не называют – и «процессор», и «железный ящик»). Казалось бы, ничего общего с маленьким планшетом. Однако структура этих устройств очень похожа, в ней можно выделить одни и те же блоки. В широком понимании всякая вычислительная машина рассматривается как определенный преобразователь информации. При этом под информацией понимаются различные сведения о тех или иных явлениях природы, событиях общественной жизни, хозяйственно-экономических процессах в отдельных предприятиях, отраслях и в государстве в целом.

Понимание того, из каких элементов состоит компьютер, какие характеристики этих элементов важны, нужно не только специалистам, но и простым пользователям: в настоящее время сформировалась категория так называемых пользователей, которые, не являясь профессионалами в области вычислительной техники, тем не менее успешно используют компьютеры для решения своих конкретных задач (профессиональных, учебных, а нередко и развлекательных). При выборе компьютера для дома или офиса важно понимать, на чем можно экономить, а за что имеет смысл переплатить.

Объектом исследования является персональный компьютер.

Предмет исследования – устройство персонального компьютера.

Целью работы является рассмотрение устройства компьютера. Для достижения цели необходимо решить ряд задач, в соответствии с которыми построена структура работы:

1) дать определение компьютера;

2) раскрыть понятие устройства компьютера;

3) рассмотреть классификацию компьютеров;

4) изучить логическую модель компьютера;

5) рассмотреть физическую организацию системной части компьютера;

6) проанализировать устройство периферической части компьютера.

Анализируя литературу, отметим, что, несмотря на обилие книг и статей (как печатных, так и электронных), большая их часть носит не аналитический, а сугубо прикладной характер (советы для пользователей или системных администраторов; обзоры – сравнения конкретных моделей оборудования). Другая проблема – быстрое устаревание данных. Однако использование источников даже 10-летней давности не лишено смысла: большая часть изменений касается не основополагающих принципов построения компьютера, а лишь количественных характеристик. Среди источников можно отметить ставший классическим учебник Э.Таненбаума «Архитектура компьютера», а также учебник «Организация ЭВМ и систем» Б.Я. Цилькера и С.А.Орлова.

1. Понятие устройства компьютера

1.1 Понятие компьютера

В первую очередь следует определить соотношение понятий «компьютер» и «ЭВМ» («электронно-вычислительная машина»).

Слово «computer», появившееся в английском языке в начале XVII века, имело значение «занимающийся вычислениями человек». К концу XIX века это слово приобрело второе значение - «машина-вычислитель». В середине XX века, в соответствии с эволюцией техники, первое значение было вытеснено вторым.

Аббревиатура ЭВМ (точнее, изначально ЭСМ – «электронная счётная машина») появилась в 1940-х в СССР, т. е. приблизительно в то же время, когда в английском языке за словом computer закрепилось значение машины-вычислителя [12., С.7]. Однако изначально сокращение ЭВМ подразумевало не любую машину, как computer (цифровую, аналоговую, гибридную), а электронную. Вплоть до конца 1980-х из политических соображений (из-за «железного занавеса») в русском языке употреблялось только слово ЭВМ, которым с разными приставками обозначали и «большие» ЭВМ, и мини-, и микро-ЭВМ.

После перестройки в СССР начались массовые поставки персональных компьютеров; вместе с поставками в русском языке укоренилось слово «компьютер». В современном русском языке слова компьютер и ЭВМ обозначают одно и то же.

Существует множество самых различных определений терминов «компьютер» («вычислительная машина» - ВМ) и «вычислительная система» (ВС).

Причина такой терминологической неопределенности кроется в невозможности дать удовлетворяющее всех четкое определение, достойное роли стандарта. Приведем несколько определений терминов «вычислительная машина» и «компьютер», взятых из различных литературных источников. Итак, вычислительная машина - это:

1. Устройство или система, способное выполнять заданную, чётко определённую изменяемую последовательность операций. Это чаще всего операции численных расчётов и манипулирования данными, однако сюда относятся и операции ввода-вывода [20., С.307].

2. Комплекс технических средств, где основные функциональные элементы (логические, запоминающие, индикационные и др.) выполнены на электронных элементах, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач [1., С.800].

3. Функциональный блок, способный выполнять реальные вычисления, включающие множественные арифметические и логические операции, без участия человека в процессе этих вычислений.

4. Устройство, способное:

хранить программу или программы обработки и по меньшей мере информацию, необходимую для выполнения программы;
быть свободно перепрограммируемым в соответствии с требованиями пользователя;
выполнять арифметические вычисления, определяемые пользователем;
выполнять без вмешательства человека программу обработки, требующую изменения действий путем принятия логических решений в процессе обработки [3., С.5].

Термином «компьютер» обозначается комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей. Вычислительная система — совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или вычислительных машин, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенная для подготовки и решения задач пользователей.

Принципы, сформулированные Джоном фон Нейманом и лежащие в основе большинства современных компьютеров (имеющих так называемую «традиционную» архитектуру), можно представить следующим образом:

1. Принцип программного управления. Компьютер управляется программой, состоящей из команд, каждая из которых осуществляет единичный акт преобразования информации.

После ввода программы и данных в память компьютер работает автоматически, выполняя команды без вмешательства человека. Для этого компьютер всегда "помнит" адрес выполняемой команды, а каждая команда содержит (явное или неявное) указание об адресе команды, которую следует выполнять за ней.

2. Принцип условного перехода. Программа может содержать команды условного перехода, обуславливающие возможность перехода на тот или иной участок программы в процессе вычислений в зависимости от полученных промежуточных результатов. Это позволяет легко организовывать в программе циклы и осуществлять автоматический выход из них.

3. Принцип хранимой программы. Команды программы представляются числовыми кодами и хранятся в памяти компьютера точно так же, как исходные данные. Поскольку вся программа или ее часть хранится в оперативной памяти, то над ее командами можно выполнять различные операции. В частности, в команде, как правило, указываются не сами данные, над которыми нужно выполнять арифметические действия, а адреса ячеек памяти, где эти данные хранятся. Это обуславливает возможность вычисления и преобразования адресов ячеек, благодаря чему компьютер может (по заданной программе) подготавливать команды, которые сам же и выполняет. Другими словами, программа в общем случае обладает свойствами динамичности и самомодификации.

4. Принцип использования двоичной системы счисления. Информация (программы и данные) в компьютере представляется и обрабатывается в двоичном виде.

5. Принцип иерархичности запоминающих устройств. Все запоминающие устройства компьютера имеют иерархическую организацию, представленную регистрами, оперативной памятью, жесткими дисками и т.д. Следует отметить, что запоминающие устройства перечислены в порядке уменьшения скорости доступа к хранящимся в них данным и возрастания объемов хранения [17., С.15].

Таким образом, формально отличие ВС от ВМ выражается в количестве вычислителей. Множественность вычисли гелей позволяет реализовать в ВС параллельную обработку. С другой стороны, современные вычислительные машины с одним процессором также обладают определенными средствами распараллеливания вычислительного процесса. Иными словами, грань между ВМ и ВС часто бывает весьма расплывчатой, что дает основание там, где это целесообразно, рассматривать ВМ как одну из реализаций ВС. И напротив, вычислительные системы часто строятся из традиционных ВМ и процессоров, поэтому многие из положений, относящиеся к ВМ, могут быть распространены и на ВС.

1.2 Понятие устройства компьютера

Архитектурой вычислительной машины как правило называют логическое построение компьютера, т.е. то, как машина представляется программисту (без анализа деталей технической реализации). Впервые этот термин (computer architecture) употребила фирма IBM при разработке машин семейства IBM 360. Этим термином описывались те средства, которые может использовать программист в ходе составление программ на уровне машинных команд. Подобная трактовка называется «узкой»; она охватывает формы представления данных, перечень и формат команд, способы адресации памяти, механизмы ввода/вывода и т.п. Не попадают в рассмотрение вопросы физического построения вычислительной машины: состав устройств, емкость памяти, число регистров процессора, тактовая частота центрального процессора, наличие специального блока для обработки вещественных чисел и т.д. Эти вопросы принято определять понятием «структурная организация» или просто «организация». Архитектура и организация представляют собой две стороны описания вычислительной техники. В дальнейшем будем пользоваться термином «устройство» в «широком» толковании, объединяющем как архитектуру в узком смысле, так и организацию компьютера.

Вычислительная машина как законченный объект являет собой плод усилий специалистов в самых различных областях человеческих знаний. Каждый специалист рассматривает вычислительную машину с
позиций стоящей перед ним задачи, абстрагируясь от несущественных, по его мнению, деталей.

В принципе уровней детализации может быть достаточно много, однако сложившаяся практика ограничивает их число четырьмя уровнями.

Первый уровень характеризуется рассмотрением вычислительной машины как устройства, которое способно хранить и обрабатывать информацию, а также обмениваться данными с внешним миром. Компьютер представляют «черным ящиком», который способен быть подключенным к коммуникационной сети и к которому, в свою очередь, можно подсоединить периферийные устройства.

На втором уровне - уровне общей архитектуры - предполагается представление компьютера в виде совокупности четырех составляющих: центрального процессора (ЦП), основной памяти (ОП), устройства ввода/вывода (УВВ) и системы шин.

Третий уровень характеризуется детализацией каждого из устройств второго уровня. Рассмотрим, например, центральный процессор. В простейшем варианте в нем могут быть выделены:

регистры процессора, использующиеся для краткосрочного хранения команд, данных и адресов;
арифметико-логическое устройство (АЛУ), обеспечивающее обработку целых чисел;
блок обработки чисел в формате с плавающей запятой (БПЗ);
устройство управления (УУ), обеспечивающее совместное функционирование устройств ВМ;
внутренние шины.

Четвертый уровень характеризуется детализацией элементов третьего уровня. Так, к примеру, устройство управления может быть представлено как совокупность четырех составляющих:

регистров и дешифраторов устройства управления;
управляющей памяти;
логики программной последовательности - электронных схем, обеспечивающих выполнение команд программы в последовательности, предписываемой программой;
логики формирования управления, генерирующей все необходимые управляющие сигналы.

1.3 Классификация компьютеров

К настоящему времени в мире уже произведены, работают и продолжают выпускаться миллионы вычислительных машин, которые могут быть отнесены к различным типам, классам; отличаются своими областями применения, вычислительными возможностями и техническими характеристиками.

Функциональными возможностями ЭВМ обусловливаются важнейшие технико-эксплуатационные характеристики:

быстродействие, измеряемое усредненным количеством операций, выполняемых машиной за единицу времени;
номенклатура, емкость и быстродействие всех запоминающих устройств;
разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует ЭВМ;
номенклатура и технико-экономические характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;
типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов ЭВМ между собой (внутримашинного интерфейса);
способность ЭВМ одновременно работать с несколькими пользователями и выполнять одновременно несколько программ (многопрограммность);
типы и технико-эксплутационные характеристики операционных систем, используемых в машине;
наличие и функциональные возможности программного обеспечения;
система и структура машинных команд;
способность выполнять программы, написанные для других типов ЭВМ (программная совместимость с другими типами ЭВМ);
возможность подключения к каналам связи и к вычислительной сети;
эксплуатационная надежность ЭВМ;
коэффициент полезного использования ЭВМ во времени, определяемый соотношением времени полезной работы и времени профилактики [14.].

СуперЭВМ - это мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов – десятки миллиардов операций в секунду. Назначение СуперЭВМ - решение крупномасштабных вычислительных задач, обслуживание крупнейших информационных банков данных. Особенно эффективно применение суперЭВМ при решении задач проектирования, в которых натурные эксперименты оказываются дорогостоящими, недоступными или практически неосуществимыми. По сравнению с другими типами машин СуперЭВМ позволяют точнее, быстрее и качественнее решать крупные задачи, обеспечивая необходимый приоритет в разработках перспективной вычислительной техники. Дальнейшее развитие суперЭВМ связывается с использованием направления массового параллелизма, при котором одновременно могут работать сотни и даже тысячи процессоров. Использование подобных систем предполагается для исследования генов, для моделирования погоды, разработки новых видов вооружения и других крупномасштабных вычислений.

Большие ЭВМ нужны для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров (министерства, государственные ведомства и службы, крупные банки и т.д.). Примером подобных машин, а точнее, систем, служат системы, имеющие производительность на один-два порядка ниже, чем у суперЭВМ. Это очень мощные по производительности компьютеры, предназначенные для обеспечения научных исследований, построения рабочих станций для работы с графикой, Unix-серверов, кластерных комплексов и т.п. Штат обслуживания большой ЭВМ составляет до многих десятков человек.

Средние ЭВМ широкого назначения служат для управления сложными технологическими производственными процессами (банки, страховые компании, торговые дома, издательства). ЭВМ этого типа могут использоваться и для управления распределенной обработкой информации в качестве сетевых серверов. Такие машины являются основой построения вычислительных центров отдельных производств, научных лабораторий и т.п.

Персональные и профессиональные компьютеры позволяют удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого класса компьютеров строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня.

Совершенствование микропроцессоров привело к созданию мощных, дружественных и малогабаритных компьютеров, вполне способных обеспечить создание мобильного офиса различного класса с ориентацией на электронную почту, передачу факсов, доступ в Интернет. Миниатюрные ноутбуки позволяют решать практически все задачи, присущие настольным ПК, они обладают теперь достаточной мощностью, расширяемостью и гибкостью.

Встраиваемые микропроцессоры осуществляют автоматизацию управления отдельными устройствами и механизмами. Успехи микроэлектроники позволяют создавать миниатюрные вычислительные устройства, вплоть до однокристальных ЭВМ. Эти устройства, универсальные по характеру применения, могут встраиваться в отдельные машины, объекты, системы. Они находят все большее применение в бытовой технике (телефонах, телевизорах, электронных часах, микроволновых печах и т.д.), в городском хозяйстве (энерго-, тепло-, водоснабжении, регулировке движения транспорта и т.д.), на производстве (робототехнике, управлении технологическими процессами).

Итак, компьютер – это устройство или система, способное выполнять заданную, чётко определённую изменяемую последовательность операций. Понятие «устройство компьютера» объединяет в себе архитектуру компьютера (логическое построение компьютера) и организацию компьютера (физическую реализацию компьютера).

Компьютеры различаются областями применения, вычислительными возможностями и техническими характеристиками. Выделяют суперЭВМ, большие ЭВМ, средние ЭВМ, персональные и профессиональные компьютеры, портативные компьютеры и встраиваемые микропроцессоры.

2. Логическая модель компьютера

Хотя современные компьютеры выглядят очень разнообразно, практически все они состоят из одних и тех же логических элементов. Эти элементы одинаковы не по физической сущности и принципам работы, а по роли в вычислительной машине, функциональному назначению.

В состав типичного компьютера входят такие части, как арифметико-логическое устройство, устройство управления, память и устройства ввода-вывода. Логическая модель, включающая в себя эти элементы, показана на рис.1.

Вторичная

память

Порты

ввода

Основная

память

Порты

вывода

Арифметико-логическое устройство

Порты

вывода

Периферийные устройства ввода

Периферийные устройства вывода

Центральный процессор

Рисунок 1 – Логическая модель компьютера

В вычислительных машинах имеются устройства для ввода данных и программ. Данные поступают из подключенных к компьютерам так называемых периферийных устройств ввода. Результаты работы выводятся, соответственно, на устройства вывода.

Сначала вся поступающая информация заносится в основную память, а затем, при возникновении необходимости в длительном хранении, переносится во вторичную память. Как правило, основная память представляет собой полупроводниковую интегральную плату, которую ещё называют «оперативным запоминающим устройством», или ОЗУ. Важная особенность основной памяти на ОЗУ - её энергозависимость. Это значит, что вся записанная информация утрачивается при отключении питания от платы [7., С.78]. Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) непосредственно взаимодействуют с АЛУ машины и хранят данные, используемые в ближайшей серии вычислений. Данные из ОЗУ обычно извлекаются определенными порциями, поэтому ОЗУ разбивается на отдельные ячейки, каждая из которых служит для хранения двоичного кода определенной разрядности. Все ячейки ОЗУ пронумерованы. Номера ячеек памяти являются адресами данных, хранящихся в них. При считывании данных из ячейки ОЗУ ее содержимое либо сохраняется, либо при необходимости восстанавливается и может быть в дальнейшем получено из той же ячейки. При записи в ОЗУ хранящиеся в ячейке памяти данные
стираются и их место занимают новые.

Тесное взаимодействие с АЛУ предъявляет повышенные требования к быстродействию оперативного ЗУ, поскольку оно непосредственно влияет на скорость работы ЭВМ в целом. Современные ОЗУ характеризуются достаточно высоким быстродействием, цикл обращения к ним составляет доли микросекунды. Однако в быстродействующих ЭВМ даже такая скорость работы ОЗУ может оказаться недостаточной. В этом случае в состав ЭВМ включают так называемые сверхоперативные запоминающие устройства (СОЗУ) незначительного объема. Обычно в качестве СОЗУ используется внутренняя регистровая память процессора, выполненная на тех же электронных компонентах, что и АЛУ ЭВМ.

В составе ЭВМ используется также еще один вид внутренней памяти — постоянные запоминающие устройство (ПЗУ), используемые для хранения различных констант и постоянных программ. Данные в ПЗУ
записываются однократно, обычно в процессе изготовления устройства, а в дальнейшем только считываются без разрушения. Если занесение данных в ПЗУ производится в эксплуатационных условиях, то такие ПЗУ называются программируемыми постоянными запоминающими устройствами (ППЗУ) [13., С.7].

Для целей постоянного хранения информации в современных персональных компьютерах применяют упомянутую выше вторичную память, как правило, представляющую собой совокупность магнитных дисков. Вторичная память является энергонезависимой, поддерживает как чтение, так и запись. Однако скорость этих операций существенно ниже, чем в первичной памяти [21., C.38].

За организацию автоматического выполнения программ и согласованность остальных элементов компьютера отвечает такая часть, как устройство управления. Среди функций устройства управления можно выделить генерацию и подачу в определённые моменты времени управляющих сигналов на управляемые устройства. Управляющие сигналы могут служить для переключения между режимами работы устройств, сигнализации об исключениях, сбоях, организации фактов пересылки информации, вызова программ, команд и данных из памяти и т.д.

Важнейшая часть вычислительной машины – это арифметико-логическое устройство (АЛУ), основная функция которого состоит в генерации по определённому закону выходного сигнала из нескольких входных сигналов. Таким образом, АЛУ обеспечивает выполнение одной логической или арифметической операции в единицу времени. Арифметической операцией называют процедуру обработки данных, аргументы и результат которой являются числами (сложение, вычитание, умножение, деление). Логической операцией именуют процедуру, осуществляющую построение сложного высказывания (операции И, ИЛИ, НЕ) [11., С.148]. В процессе выполнения операции генерируется множество вспомогательных сигналов, цель которых - охарактеризовать полученный результат, сообщить об ошибке выполнения операции. Основываясь на эти сигналы, устройство управления выбирает дальнейшую последовательность действий по заданным законам. Далее инициируется очередное арифметическое или логическое действие для АЛУ – цикл замыкается. Такой цикл принято называть тактом [21., С.39].

Совокупность арифметико-логического устройства и устройства управления часто называют центральным процессором (ЦП). Следует отметить, что в состав центрального процессора также входят небольшие ячейки памяти, позволяющие временно хранить результат выполнения операций. Как правило, время хранения в этих ячейках не превышает нескольких тактов. Эти ячейки называются регистрами.

Специфический элемент современного персонального компьютера - это таймер. Устройство, имеющее автономное питание от батарейки, обеспечивает возможность получения в каждый момент времени текущей даты и времени (год, месяц, день, час, минуты, секунды, миллисекунды).

Кроме центральной части в состав ЭВМ входят также различные периферийные устройства (ПУ), которые по своему назначению делятся на две группы:

устройства внешней памяти, предназначенные для хранения больших информационных массивов;
устройства ввода-вывода, обеспечивающие связь ЭВМ с внешней средой, в том числе с пользователями, путем ввода в ЭВМ и вывода из ЭВМ данных, их регистрации и отображения.

Обмен данными между центральной частью ЭВМ и периферийными устройствами производится операциями ввода-вывода. В процессе ввода данные передаются в центральную часть ЭВМ из внешней среды (в том числе и от пользователей), а также из внешней памяти. В процессе вывода данные передаются во внешнюю среду или во внешнюю память ЭВМ.

Особенностью большинства ПУ является относительно низкая скорость, с которой они принимают или передают данные. Это объясняется тем, что в большинстве из них используются электромеханические
узлы, скорость работы которых значительно ниже скорости работы электронных компонентов центральной части ЭВМ. Кроме того, быстродействие некоторых ПУ (например, многих устройств ввода) непосредственно зависит от производительности труда оператора (пользователя).

Производительность и эффективность работы ЭВМ определяются не только возможностями процессора и внутренней памяти, но и составом, техническими характеристиками и выполняемыми функциями периферийных устройств, а также способами организации их взаимодействия с центральной частью ЭВМ.

Наиболее значимые различия в архитектурах компьютеров состоят в способе интеграции всех его компонентов в единую систему. Именно способом взаимодействия и организации процесса пересылки данных между компонентами обуславливаются особенности архитектуры.

Устройства вычислительной машины можно соединить двумя способами: каждое с каждым непосредственно либо посредством шины. Первый способ является крайне дорогостоящим, причем с добавлением каждого нового устройства цена будет значительно возрастать, поэтому популярной является шинная организация.

Системная шина — основная интерфейсная система компьютера, магистраль, обеспечивающая взаимодействие и связь всех устройств между собой. Все основные блоки компьютера присоединены к системной шине.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

между микропроцессором и основной памятью;
между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, с помощью соответствующих разъемов подключаются к шине (непосредственно или через контроллеры (адаптеры)), как показано на рис.2.

Рисунок 2 – Структура персональных ЭВМ с общей шиной

Особенность общей шины состоит в том, что, если идет пересылка данных между двумя компонентами, то пересылка в этот же момент для другой пары устройств полностью исключена. В связи с этим именно разрядностью шины во многих случаях определяется быстродействие системы, а в случаях, когда быстродействие крайне важно, следует соединять устройства напрямую (использовать смешанную архитектуру).

Учитывая большое количество различных периферийных устройств, практически невозможно проектировать каналы ввода-вывода, полностью учитывающие специфику и особенности каждого ПУ и УПУ. Обычно КВВ обеспечивают некоторые общие для различных ПУ особенности ввода-вывода. В ЭВМ, как правило, используются два вида каналов ввода-вывода: мультиплексный и селекторный. Эти каналы существенно различаются своей пропускной способностью и поэтому обслуживают различные по быстродействию группы периферийных устройств.

Мультиплексный канал обеспечивает обмен данными с относительно медленнодействующими периферийными устройствами. Он одновременно обслуживает большое количество таких параллельно работающих ПУ, попеременно организуя с ними кратковременные сеансы связи.

Селекторный канал организует обмен с быстродействующими ПУ и обслуживает в монопольном режиме одно периферийное устройство, доводя с ним обмен данными до полного завершения [13., С.10].

Рассмотренная структура ПЭВМ с общей шиной стала в настоящее время общим стандартом для современных ЭВМ. В основе этого стандарта лежат следующие основные принципы:

модульность структуры построения;
магистральность аппаратурных соединений и процессов обмена данными;
параллелизм в работе технических и программных средств;
децентрализация управления и иерархическая организация структуры ЭВМ.

Модульная структура ЭВМ делает ее открытой системой, способной к адаптации и совершенствованию. К ЭВМ можно подключать дополнительные устройства, улучшая ее технические и эксплуатационные характеристики. Появилась возможность управления конфигурацией технических средств ЭВМ и ее адаптации к конкретным условиям применения в соответствии с требованиями пользователей.

Общая системная магистраль представляет собой линии передачи данных, адресов и сигналов управления. К этой магистрали подключаются как центральные, так и периферийные устройства ПЭВМ. К центральным устройствам относятся микропроцессор и основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства. Микропроцессор по своим логическим возможностям и структуре аналогичен процессору ЭВМ более ранних поколений, однако конструктивно реализован в виде одной большой или сверхбольшой интегральной схемы. Подключение периферийных устройств к системной магистрали обеспечивается через специальные устройства управления, называемые контроллерами.

Децентрализация управления предполагает иерархическую организацию структуры ЭВМ. Централизованное управление осуществляет устройство управления центрального процессора. По его командам происходит инициализация работы других модулей в иерархии структуры ЭВМ, после чего эти модули продолжают работу под управлением местных устройств управления.

Иерархический принцип построения и управления характерен не только для структуры ЭВМ в целом, но и для отдельных ее подсистем. Например, по этому же принципу строится система памяти
ЭВМ.

Модульность построения и децентрализация управления обеспечивают возможности для параллельной работы технических средств ЭВМ, например, ее периферийных устройств. Внутри ЭВМ произошло также еще более резкое разделение функций между средствами обработки информации. Наряду с центральным процессором появились специализированные процессоры, например, сопроцессоры, выполняющие обработку чисел с плавающей точкой, матричные процессоры и др. Принцип параллелизма распространился также на сами ЭВМ или процессоры. Появились многомашинные и многопроцессорные системы, содержащие несколько ЭВМ или процессоров, работающих согласованно и параллельно.

Определив логическое устройство компьютера, можно перейти к рассмотрению физической реализации описанной модели.

3. Физическое устройство компьютера

Уже несколько десятилетий идет «мобилизация» компьютеров. Если первые компьютеры занимали целые этажи в специальных вычислительных центрах, размеры настольных компьютеров измеряются десятками сантиметров, то ноутбуки и нетбуки помещаются в сумку, а смартфоны, КПК и планшеты – в карман. При этом внутри столь разных устройств (если говорить о наиболее популярной линейке IBM PC-совместимых компьютеров) находятся одни и те же платы и устройства.

В физической структуре компьютера как правило выделяют две части – системную и периферийную. Системная часть включает в себя аппаратуру, отвечающую за преобразование, хранение информации, тогда как периферическая часть, как правило, служит для представления информации в том или ином виде, её вывода, ввода, передачи на расстояние и т.п.

3.1 Системная часть компьютера

Системная часть настольного компьютера (если рассматривается не моноблок) помещается в системном блоке.

Корпус системного блока – это «коробка» для размещения устройств. Корпуса бывают различными по габаритам и дизайну. Вертикальные корпуса, в которых системная плата располагается на вертикальной стенке, носят названия: Mini Tower, Middle Tower, Midi Tower и Big Tower, горизонтальные – Mini Desktop и Desktop, а также Slim, в которые можно устанавливать только низкопрофильные платы периферийных устройств [16., С.41].

Как правило, производители комплектуют корпус блоком питания. Преобразовывая переменный ток высокого напряжения (110-230 V) в постоянный ток низкого напряжения (+/-12 V и +/-3.3 V), блок питания питает механические и электронные части внутренних элементов. Более высокое напряжение 12V питает двигатели магнитных накопителей (HDD и FDD), оптических приводов (CD, DVD) и куллеров. Низкое напряжение 5V питает микросхемы устройств. Блоки питания характеризуются своей мощностью. Если несколько лет назад для среднего домашнего компьютера хватало 250-350Вт, то сегодня типовыми являются 400-500Вт.

Если заглянуть внутрь системного блока, можно увидеть материнскую плату, на которой размещаются такие элементы компьютера, как процессор, микросхемы памяти, различные платы (видеокарта, звуковая карта, сетевая карта), чипсет – набор микросхем, организующих работу периферийных устройств [16., С.22]. Дополнительные устройства подключаются через порты или слоты.

Как уже было отмечено, в компьютерах применяется шинная схема взаимодействия. Между внешними устройствами и памятью имеются два промежуточных звена: контроллер – электронная схема, управляющая устройством, и шина – магистраль передачи данных. Одним из контроллеров, присутствующих почти в каждом компьютере, является контроллер портов ввода-вывода [4., С.30].

На материнскую плату устанавливается процессор, причем при выборе процессора нужно учитывать их совместимость (процессоры имеют разное количество и расположение «ножек», которым должно соответствовать «гнездо» материнской платы).

До 2005 г. все процессоры, используемые в массовых сериях настольных компьютеров, были одноядерными. Многоядерные процессоры, а также многопроцессорные системные платы хотя и выпускались промышленностью, но они считались принадлежностью промышленных высокопроизводительных систем и, соответственно, были весьма дороги. В настоящее время многоядерные (как правило, двух, четырех или шестиядерные) процессоры широко применяются и в офисных, и в домашних компьютерах.

Крупнейшие производители процессоров – Intel, AMD и IBM. Однако это не означает, что микропроцессоры больше никто не производит. Как правило, в большинстве развитых стран есть собственные «государственные» производители интегральных схем. Не стоит думать, что они пытаются каким-то образом составить конкуренцию «большой тройке» — вовсе нет. Причина локальной разработки и производства процессоров кроется несколько в другом, а именно в необходимости выпуска собственных решений для оборонной отрасли, где использование иностранной электронной базы запрещается из соображений национальной безопасности. Само собой, ситуация характерна и для России. Главным отечественным решением являются процессоры на базе архитектуры «Эльбрус», разработкой которых занимается компания МЦСТ [8.].

Кроме числа ядер, процессоры имеют и другие значимые характеристики. Тактовая частота – это то количество элементарных операций, которые процессор может выполнить в течение секунды; объем кэш-памяти – объем быстрой буферной памяти, встроенной в процессор [9., С.18]. Для современных процессоров тактовая частота составляет 3-5ГГц, объем кэша первого уровня (L1) - 64Кбайта на каждое ядро, второго уровня (L2) – 512Кбайт-6Мбайт, третьего уровня (L3) – несколько мегабайт [19.].

Видеокарта и звуковая карта могут быть как встроенными в материнскую плату (как правило, это весьма скромные по возможностям варианты), так и установленными на нее. Несмотря на повсеместное использование интегрированных в системную плату чипов, производители не собираются отказываться от выпуска дискретных решений, обеспечивающих на порядок более качественное изображение или чистый звук, чем их интегрированные аналоги [10., С.23].

Основная задача видеокарты – преобразование поступающих от центрального процессора данных в видеосигнал, передаваемый на монитор. Видеоадаптер характеризуется наличием собственного процессора, памяти и поддерживаемыми графическими технологиями. Поскольку компьютерная графика (в том числе компьютерная анимация, используемая в моделировании, играх и киноиндустрии) развивается крайне динамично, видеокарты тоже быстро эволюционируют. Еще в 1980-1990-х графика была символьная, а сейчас она все больше приближается к реалистичному изображению.

Основная задача звуковой платы - кодирование и декодирование звука. На большинстве звуковых карт имеется два входа (для микрофона и другого источника звука) и один или два выхода (для колонок и наушников). Звуковая карта имеет дело с двумя основными форматами компьютерного звука: WAV (цифровой формат) и MIDI (синтезированный формат). Соответственно, в ее конструкции есть два основных элемента, отвечающих за работу с этими видами: цифро-аналоговый и аналого-цифровой преобразователи и синтезатор. Разумеется, на звуковой карте располагаются и другие элементы: микросхема, отвечающая за обработку (компрессию и декомпрессию) «сжатого» звука, специализированные чип, отвечающий за объемное звучание (имеется не на всех картах) и т.д.

Оперативная память служит для хранения информации, с которой в данный момент работает компьютер. После выключения компьютера эта информация теряется. Так как оперативной памяти требуется много, то отдельные микросхемы монтируются на специальных платах, которые называют модулями памяти. Эти модули вставляются в соответствующие слоты. В современных компьютерах объем оперативной памяти измеряется гигабайтами (обычно в домашних и офисных компьютерах установлено 2, 4 или 8 Гбайт).

Жёсткий диск реализует принципы вторичной памяти: обладает энергонезависимостью, малой скоростью чтения и записи, большим объёмом. Современные диски имеют объёмы от сотен Гб до нескольких Тб. Современный магнитный диск состоит из одной или нескольких алюминиевых или стеклянных пластин на одной оси, с нанесённым на них ферромагнитным слоем. Головка диска перемещается над его поверхностью, опираясь на воздушную подушку. Когда головка находится над намагниченной частью диска, в ней появляется положительный или отрицательный ток, что позволяет считать записанные на этом месте данные [18., С.101]. В последнее время (особенно в мобильных компьютерах) вместо накопителей на жестких магнитных дисках используют накопители SSD (Solid-State Disk), выполненные на флэш-микросхемах, которые не имеют движущихся частей, а потому не страдают от механических ударов и вибрации.

Кроме того, в системном блоке обычно установлены устройства для чтения и записи других носителей информации. От гибких магнитных дисков (дискет) сейчас практически отказались из-за их малого объема и ненадежности, а оптические диски (Blue-Ray, DVD, а иногда и CD) применяются достаточно широко.

Также в системном блоке помещаются системы охлаждения. В дорогих корпусах может быть водное охлаждение, как правило же ограничиваются кулерами (вентиляторами). Отдельные кулеры охлаждают процессор, видеокарту, блок питания…

3.2 Периферийное оборудование

Периферийные устройства служат для обеспечения взаимодействия компьютера с окружающей средой: пользователями, другими компьютерами или объектами управления.

Все многообразие периферийных устройств можно разделить на классы по назначению:

устройства ввода-вывода (клавиатура, мышь и другие манипуляторы, сканеры, экраны, микрофоны и наушники и т.д.);
средства телекоммуникации (модемы, сетевые адаптеры и т.д.);
средства связи с объектами управления.

Минимальный набор периферийных устройств, ставший стандартным для настольных компьютеров, это монитор, клавиатура и мышь.

Мониторы предназначены для визуального отображения информации. Монитор — это важнейший компонент пользовательского интерфейса. Мониторы различаются по технологии формирования изображения. Мониторы на электронно-лучевых трубках в последнее время практически не применяются. LCD (Liquid crystal display) мониторы сделаны из вещества, которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Работа плазменных мониторов очень похожа на работу неоновых ламп, которые сделаны в виде трубки, заполненной инертным газом низкого давления. Один из основных параметров монитора – размер экрана по диагонали. Другая характеристика – разрешение. Разрешение — величина, определяющая количество точек (элементов растрового изображения). Мониторы поддерживают разные варианты разрешения (можно настроить), но максимальное разрешение является величиной постоянной. Так, новинкой на рынке являются мониторы с ультравысоким разрешением, называемые 4К или Ultra HD с разрешением 3840х2160 [5., С.38]. Мониторы имеют и другие важные характеристики, кроме размера и разрешения: тип развертки; частота регенерации; полоса пропускания; плоскостность; покрытие.

Клавиатура служит для ввода текстовой информации и некоторых управляющих комбинаций, а мышь – для управления курсором. В ноутбуках и нетбуках вместо мыши нередко используется тач-пад или тач-панель, а в планшетах и смартфонах – сенсорный экран.

Графические планшеты используются для создания художественных и технических рисунков. Существуют два типа планшетов; в первом рисование происходит пером, во втором — координатной шайбой (похожей на бесшариковую мышь) [6., С.59].

Широко распространены принтеры и сканеры, в последнее время все чаще (если не брать профессиональное оборудование) объединяемые в МФУ – многофункциональные устройства (принтер-сканер-копир).

Компьютерный принтер (англ. printer - печатник) - устройство печати цифровой информации на твёрдый носитель, обычно на бумагу.

Принтеры бывают струйные, лазерные, матричные и сублимационные, а по цвету печати - чёрно-белые (монохромные) и цветные.

Матричные принтеры, несмотря на то, что многие считают их устаревшими, все ещё активно используются для печати (в основном с использованием непрерывной подачи бумаги, в рулонах) в лабораториях, банках, бухгалтериях, в библиотеках для печати на карточках, для печати на многослойных бланках (например, на авиабилетах), а также в тех случаях, когда необходимо получить второй экземпляр документа через копирку (обе копии подписываются через копирку одной подписью для предотвращения внесения несанкционированных изменений в финансовый документ).

Наибольшее распространение на настоящий момент получили лазерные принтеры, принцип работы которых состоит в следующем. Источник света светит на предварительно заряженную поверхность светочувствительного вала. В тех местах, на которые попал свет, меняется полярность заряда, и к этим местам затем притягивается тонер. За счёт электростатики тонер переносится на бумагу, которая после этого помещается в печку.

В струйных принтерах изображение получается при нанесении на бумагу чернил, выдуваемых из специальных сопел.

Сублимационная технология печати принципиально отличается от струйной: здесь в качестве расходных материалов используются не чернила, а картриджи с пленкой, которая похожа на листы цветного целлофана разного цвета, склеенные между собой по краям. В этой пленке заключены слои твердого красителя трех основных цветов, применяемых в печати (голубой, желтый, пурпурный). При нагреве краситель испаряется с пленки, мгновенно переходя из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое – такой переход и называется сублимацией.

Если принтер преобразует цифровой документ в бумажный, то сканер – наоборот. Луч света падает на оригинал, отражается от него и через систему зеркал попадает на светочувствительные диоды, где преобразуется в электрический сигнал. Этот сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь, где конвертируется в сигнал, представляющий собой пиксели оригинала (черные, белые, оттенки серого или цветные). Эта цифровая информация передается в компьютер для дальнейшей обработки [15.].

Демонстрационная техника предназначена для проецирования видеоизображения на экран. В отличие от монитора компьютера или обычного телевизора эти устройства могут обеспечивать проекцию изображения с различного вида оригиналов на достаточно большую площадь.

Мультимедийным видеопроектором называют устройство, проецирующее на экран картинку с компьютера, DVD-плеера, видеокамеры или другого источника сигнала изображения. Впрочем, это определение успело устареть: появились модели, которые отображают видео, презентации и другие данные с носителей самостоятельно, без подключения внешних источников [2.]. Некоторые проекторы не только показывают картинку, но и воспроизводят звук. Популярность проекторов в последнее время заметно выросла главным образом благодаря снижению цен и «миниатюризации» этих устройств, а также улучшенной поддержке различных видеоинтерфейсов, особенно цифровых. В настоящее время на рынке представлено множество моделей, различающихся по технологии модуляции светового потока, типу источника света, набору интерфейсов и размерам. Традиционно проекторы делятся на категории в зависимости от технологии проецирования, типа источника света и зачастую от размеров.

Для работы со звуком используют колонки, наушники (вывод) и микрофоны (ввод).

Также часто используются веб-камеры (особенно они актуальны для общения через программы типа Skype). Можно подключать к компьютеру и цифровые фотоаппараты и видеокамеры.

Средства телекоммуникации используются для подключения как к локальным, так и глобальным сетям. В современных материнских платах сетевые карты, как правило, являются встроенными. Среди внешнего оборудования можно отметить модемы (если dial-up соединения ушли в прошлое, то ADSL-модемы, а так же USB-модемы для подключения к интернету через сети операторов сотовой связи вполне актуальны).

Устройства связи с объектом управления предназначены для связи с приборами и другими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и т.п.).

Итак, в физическом устройстве персонального компьютера выделяют две части: системную и периферийную. Основу системной части образует материнская плата, на которой размещаются такие элементы компьютера, как процессор, микросхемы памяти, различные платы (видеокарта, звуковая карта, сетевая карта), чипсет – набор микросхем, организующих работу периферийных устройств. Периферийные устройства служат для обеспечения взаимодействия компьютера с окружающей средой: пользователями, другими компьютерами или объектами управления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, хотя компьютеры повсеместно распространены и привычны, даже отдельный компьютер (а тем более их сеть) представляет собой сложную многокомпонентную систему. Принципиальным отличием компьютера от прочих бытовых приборов является его функциональность – он объединяет в себе (при этом значительно расширяя) возможности хранилища информации, калькулятора, пишущей машинки, домашнего кинотеатра, музыкального центра, фотостудии, музыкальных инструментов… Кроме того, благодаря компьютеру перед людьми открываются абсолютно новые возможности обмена информацией.

В современном русском языке используются два синонимичных обозначения – компьютер (от англ. computer – вычислитель) и ЭВМ (электронно-вычислительная машина).

Компьютер – это устройство или система, способное выполнять заданную, чётко определённую изменяемую последовательность операций.

принцип программного управления;
принцип условного перехода;
принцип хранимой программы;
принцип использования двоичной системы счисления;
принцип иерархичности запоминающих устройств.

Архитектурой вычислительной машины как правило называют логическое построение компьютера, т.е. то, как машина представляется программисту (без анализа деталей технической реализации). Не попадают в рассмотрение вопросы физического построения вычислительной машины: состав устройств, емкость памяти, число регистров процессора, тактовая частота центрального процессора, наличие специального блока для обработки вещественных чисел и т.д. Эти вопросы принято определять понятием «структурная организация» или просто «организация». Термин «устройство» в «широком» толковании объединяет как архитектуру в узком смысле, так и организацию компьютера.

С точки зрения логики организации компьютер состоит из арифметико-логического устройства, устройства управления, памяти и устройств ввода-вывода.

В физической структуре компьютера можно выделить центральную часть (в большинстве случаев заключенную в системный блок) и периферическую. При анализе центральной части идет выделение отдельных плат (материнская, звуковая, видео, платы памяти) и других частей (процессор, шина, винчестер…). Также в системном блоке помещаются вспомогательные устройства – блок питания, системы охлаждения. Заключаются все перечисленные устройства в корпус. Кроме того, в корпус устанавливаются и некоторые по сути периферийные устройства, в частности, дисководы (для CD, DVD, BluRay дисков).

При изучении периферии речь идет о дополнительных устройствах, как стандартных, без которых мы не можем представить персональный компьютер (клавиатура, мышь, монитор), так и менее обязательных (принтер, сканер, графический планшет, колонки). К периферийным устройствам относятся и устройства телекоммуникации, в частности, модемы (ADSL, 4G и другие). В целом периферийные устройства служат для обеспечения взаимодействия компьютера с окружающей средой: пользователями, другими компьютерами или объектами управления.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Большой энциклопедический словарь / Под ред. А.М.Прохорова. – М.: Большая Российская энциклопедия, 2002. – 1456с.
Волшебный фонарь //Computer Bild (Компьютер Билд). - №22 (119)/2010. – С. 74-78
Громов Ю.Ю., Иванова О.Г. Архитектура ЭВМ и систем: Учебное пособие. – Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012. – 200с.
Гузенко Е.Н., Сурядный А.С. Персональный компьютер. Лучший самоучитель. – М.: АСТ: Астрель, 2011. – 544с.
Динаев А. Повышенная четкость // Мир ПК. – 2015. - №3. – С.36-38
Информатика: Учебное пособие / Под ред. Г.Н.Хубаева. – Ростов-на-Дону: МарТ, 2010. – 288с.
Жаров А. Железо, или все о современном компьютере. – М.: МикроАрт, 2010. – 320с.
Коленченко О. Я — русский! Обзор архитектуры отечественного процессора «Эльбрус-4С» // Ferra. [Электронный ресурс]. URL: http://www.ferra.ru/ru/system/review/elbrus-4c-processor/#.U8ADJ7_iJWo
Леонтьев В.П. Новейшая энциклопедия компьютера 2011. – М.: ОЛМА Медиа Групп, 2010. – 960с.
Логинов В. Музыка нас связала: Звуковые подсистемы современных ПК // Мир ПК. – 2015. - №2. – С.22-24
Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Попов И.И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: Учебник. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2013. – 512с.
Немцов Э.Ф. Заблуждение о том, что ЭВМ и компьютер – это «две большие разницы» // Век информатики. – 2014. - №8. – С.7-8
Семененко В.А., Скуратович Э.К. Арифметико-логические основы компьютерной схемотехники: Учебное пособие. – М.: Академический проект, 2004. – 144с.
Симонович С.В. Общая информатика: Учебное пособие. – СПб.: Питер, 2007. – 432с.
Сканеры // Компьютерное железо. [Электронный ресурс]. URL: http://intel386.narod.ru/doc/scaner.htm
Соломенчук В.Г., Соломенчук П.В. Железо ПК 2012. – СПб.: БХВ-Петербург, 2012. – 376с.
Стариков А.В. Основы информатики: Учебное пособие. В 2 ч. Ч.1. Введение в информатику. Программно-техническая организация персонального компьютера. – Воронеж: Изд-во ГОУ ВПО «ВГЛТА», 2007. – 144с.
Таненбаум Э., Остин Т. Архитектура компьютера. – СПб.: Питер, 2013. – 816с.
Технические характеристики процессоров и видеокарт // Overclockers.ru. [Электронный ресурс]. URL: http://www.overclockers.ru/lab/53543/Tehnicheskie_harakteristiki_processorov_i_videokart.html
Толковый словарь современной компьютерной лексики / Под ред. Ф.А.Новикова. – СПб: БХВ-Петербург, 2012. – 608с.
Цилькер Б.Я., Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем: Учебник для вузов. - СПб.: Питер, 2011. – 688с.