Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

Устройство персонального компьютера (Структурная схема ЭВМ)

Содержание:

Введение

Структура современных персональных компьютеров – весьма обширная тема, знание которой в наше время весьма важно, так как множество работы сегодня связано с пользованием персональным компьютером. Среди профессионалов, работающих вне компьютерной сферы, считается непременной составляющей компетентности знание персонального компьютера, хотя бы его основных технических характеристик. До появления персональных компьютеров инженеры, ученые, экономисты, представители других профессий общались с ЭВМ только с помощью посредников – инженеров-системотехников и программистов, поскольку работа на ЭВМ старых типов требовала специальной подготовки. С появление персональных компьютеров необходимость в таком посредничестве отпала, так как процесс упростился. Кроме того, произошло снижение стоимости компьютеров. В связи с этим современные ПК стали привычными, используются для автоматизации отдельных рабочих мест, обработки деловой информации, обучения и т.д.

Также актуальность выбранной темы можно связать и с тем, что каждый год появляются новые процессоры, платы, накопители и прочие периферийные устройства. Рост потенциальных возможностей персональных компьютеров и появление более новых производительных компонентов неизбежно вызывает желание модернизировать свой компьютер. Современный рынок компьютерной техники столь разнообразен, что довольно непросто определить конфигурацию персонального компьютера с требуемыми характеристиками. Не зная общего устройства и основных принципов работы компьютера, невозможно провести его подключение и модернизацию. Без специальных знаний здесь практически не обойтись.

Целью данной работы является исследование структуры современных персональных компьютеров.

Поставленная цель решается посредством следующих задач:

- рассмотреть термины, входящие в понятие структуры компьютера.

- проанализировать сущность принципов построения компьютера (модульность, магистральность, микропрограммируемость)

- перечислить и охарактеризовать устройства центральной и периферийной части компьютера.

- проанализировать сущность логического устройства компьютеров

Объект исследования – структура персонального компьютера.

Предмет исследования – персональный компьютер с входящими в него устройствами.

Теоретическую базу составляют материалы учебных пособий и справочников, различных интернет-ресурсов, содержащих информацию по предметам информатики, компьютерных и информационных технологий, а также страниц преподавателей, учебных заведений, содержащих лекции и учебные пособия в электронном виде.

1. Технические средства реализации информационных процессов

1.1 Структурная схема ЭВМ

В первой половине XIX в. английским ученым и изобретателем Ч. Бэббиджем была выдвинута идея создания полностью автоматической вычислительной машины – вычислительного автомата – в составе: устройство ввода, устройство памяти, процессор, устройство вывода. Он же выдвинул идею программного управления. В 1945 г. знаменитый математик Джон фон Нейман определил основные требования к конструкции компьютера, обеспечивающие его универсальность и эффективность при обработке информации. Согласно теории Неймана компьютер должен содержать:

арифметическо-логическое устройство (АЛУ), которое выполняет арифметические и логические операции;
устройство управления (УУ), организующее процесс выполнения программ;
запоминающее устройство (ЗУ) для хранения программ и данных;
внешние устройства, обеспечивающие ввод и вывод информации.

Все устройства ЭВМ соединены линиями связи (рисунок 2.1.1), по которым передаются информационные и управляющие сигналы, а синхронизация процессов передачи осуществляется при помощи тактовых импульсов, вырабатываемых генератором тактовых импульсов (ГТИ).

Рисунок 2.1.1 – Обобщённая структурная схема ЭВМ

управляющие сигналы;

потоки информации.

Под структурной схемой ЭВМ понимается абстрактная модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия основных функциональных частей ЭВМ без учета их реализации. Любая ЭВМ может быть разделена на связанные между собой функциональные устройства, где потоки информации обеспечивают передачу информации (закодированные операнды и команды программы), а управляющие сигналы используются для управления работой устройств ЭВМ и для передачи ответных сигналов. Все основные процессы по обработке данных осуществляются в устройстве управления и арифметико-логическом устройстве (АЛУ). УУ предназначено для выполнения функций управления ЭВМ в целом и ее отдельными устройствами в процессе решения задачи в соответствии с заданной программой. В современных ЭВМ УУ и АЛУ представляют собой конструктивно законченную функциональную часть ЭВМ, называемую центральным процессором (ЦП) и предназначенную для обработки данных и управления другими устройствами ЭВМ по заданной программе.

1.2 Назначение функциональных устройств ЭВМ и организация их взаимодействия

Конструкция компьютера строится в соответствии с принципами Неймана. Архитектура современного компьютера состоит из основных подсистем: ввод-вывод, память, связь, управление и обработка.

Архитектура — структура компьютерной системы и взаимосвязей компонентов, аппаратных и (или) программных средств, описанная схематически или с подробным указанием параметров. Архитектура может носить характер рекомендации в отношении модели компьютера, отдельного устройства (архитектура процессора) или операционной системы.

Принципы фон-Неймана на практике реализуются чаще всего двумя способами: ЭВМ с шинной и канальной организацией.

Шинная организация является простейшей формой организации ЭВМ. В основу архитектуры современных ПК положен магистрально-модульный принцип, что предусматривает построение компьютера из функциональных блоков, взаимодействующих посредством общего канала (каналов) – шины. Структурная схема ПК получила название архитектура с общей шиной. Ее главное достоинство – простота, возможность легко изменять конфигурацию компьютера путем добавления новых или замены старых устройств.

В основе канальной организации ЭВМ лежит множественность каналов связи между устройствами и функциональная специализация узлов. Упрощенная схема организации ЭВМ с каналами приведена на рисунке 2, где, помимо центрального процессора (ЦП), оперативной памяти, устройств ввода-вывода (ВУ), в состав ЭВМ входят устройства, называемые каналами. Канал – это специализированный процессор, осуществляющий всю работу по управлению контроллерами внешних устройств и обмену данными между основной памятью и внешними устройствами. Устройства группируются по характерной скорости и подключаются к соответствующим каналам. За счет усложнения организации ЭВМ упрощается архитектура ввода-вывода (используется принцип «прямого доступа»), но, с другой стороны, вводятся некоторые ограничении: сохраняется только одна схема обмена информации между процессором и каналом, канал выполняет только свою специализированную канальную программу.

Рисунок 2 –Упрощенная схема ЭВМ с канальной организацией

1.3 Организация внутренней и внешней памяти ЭВМ

Для хранения программ, исходных данных, необходимых для решения задачи, промежуточных и окончательных результатов вычислений в ЭВМ предназначена память. Устройства, реализующие функцию памяти, называются запоминающими устройствами. В зависимости от назначения и решаемых задач в ЭВМ используют ЗУ разного уровня по быстродействию и емкости. В большинстве случаев ЗУ ЭВМ состоит из двух существенно отличающихся по своим характеристикам частей: быстродействующего оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) или оперативной памяти (ОП) и сравнительно медленно действующего, но способного хранить значительно большой объем информации, внешнего запоминающего устройства (ВЗУ), подключаемого к ОП.

Классификация видов компьютерной памяти по назначению показана на рисунке 2.1.3.

Внутренняя память состоит из нескольких частей: оперативной, постоянной и кэш-памяти. Это связано с тем, что используемые процессором программы можно условно разделить на две группы: временного (текущего) и постоянного использования.

Для хранения команд программы, исходных данных, непосредственно участвующих при выполнении операций вычислительного процесса, а также промежуточных и конечных результатов вычислений служит ОП. Она состоит из последовательности отдельных запоминающих ячеек, каждая из которых имеет свой номер – адрес. Схемы управления ОП обеспечивают в любой момент возможность обращения к отдельной ячейке для записи и считывания информации без изменения содержимого соседних ячеек. Часто оперативную память называют RAM (англ. Random Access Memory – память с произвольным доступом).

Для ускорения доступа к оперативной памяти используется специальная сверхбыстродействующая кэш-память, которая расположена «между» процессором и оперативной памятью. Она хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. При обращении процессора к памяти, прежде всего проводится поиск нужных данных в кэш-памяти. Программы и данные временного пользования хранятся в оперативной памяти и кэш-памяти только до тех пор, пока включено электропитание компьютера. После его выключения выделенная для них часть внутренней памяти полностью очищается.

Другая часть внутренней памяти, называемая постоянной, является энергонезависимой, то есть записанные в нее программы и данные хранятся всегда, независимо от включения или выключения компьютера (разрешено только чтение этих данных). Часто постоянную память называют ROM (англ. Read Only Memory – память только для чтения).

Внешняя память компьютера может быть организована на различных материальных носителях: на дискетах, на жестких дисках, на магнитных лентах, на лазерных дисках (компакт-дисках). В вычислительном процессе ВЗУ непосредственно не участвуют. Они хранят исходные данные, отдельные части выполняемых (рабочих) программ, а также промежуточных и конечных результатов вычислений в том случае, если их объем настолько велик, что не может разместиться в ОП или они не используются в данный момент, но потребуются в дальнейшем для вычислений.

Рисунок 2.1.3 – Классификация видов компьютерной памяти

Для ввода информации в ОП и ее вывода служат устройства ввода (УВв) и вывода (УВыв). Учитывая аналогию процессов ввода-вывода и промежуточного хранения информации, УВв, УВыв и ВЗУ относятся к периферийным устройствам.

2. Структура ПК, принцип открытой архитектуры

2.1 Принципы работы основных устройств ПК

Структурная схема ПК получила название архитектура с общей шиной. Ее главное достоинство – простота, возможность легко изменять конфигурацию компьютера путем добавления новых или замены старых устройств. Отмеченные принципы принято называть принципом открытой архитектуры ПК.

Открытая система – вычислительная среда из аппаратных и программных продуктов и технологий, разработанных в соответствии с общедоступными и общепринятыми (международными) стандартами. Обязательные свойства открытых систем:

переносимость – возможность переносить информацию и ПО между различными платформами;

совместимость компонентов (устройств) от различных производителей при конструировании, сборке и работе;

масштабируемость – сохранение инвестиций в информацию и ПО при переходе на более мощную аппаратуру;

доступность программного и аппаратного обеспечения для развития и перестройки структуры.

Сейчас на рынке аппаратных средств и программного обеспечения персональных компьютеров совместимой архитектуры работает много компаний, в том числе такие крупные, как Intel, Compaq, Dell, Packard Bell, Microsoft, IBM, а также мелкие разработчики. Компьютеры Macintosh несовместимы со сторонними устройствами. Все узлы выпускает одна фирма Apple. Эти компьютеры заняли место в специфических нишах – образовании, полиграфии, компьютерной графике, мультимедиа и сфере развлечений.

В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Этот принцип предусматривает построение компьютера из функциональных блоков, взаимодействующих посредством общего канала (каналов) – щины. В сочетании с открытой архитектурой это позволяет потребителю собирать машину нужной конфигурации. Магистраль включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления, которые представляют собой многопроводные линии (рисунок 2.2.1). К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации.

Рисунок 2.2.1 – Магистрально-модульное устройство компьютера

2.2 Базовая аппаратная конфигурация ПК

Персональный компьютер – универсальная техническая система. Его конфигурацию (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости. В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают четыре устройства:

системный блок;
монитор;
клавиатура;
манипулятор «мышь».

Системный блок. Системный блок представляет собой основную часть ПК, внутри которого устанавливаются наиболее важные компоненты:

материнская (системная) плата,
блок питания,
платы расширения,
накопители на магнитных и оптических дисках.

Рисунок 2.2.2 – Упрощенная блок-схема

Устройства, расположенные внутри системного блока, называются внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, – внешними. Внутренние и внешние устройства, расположенные за пределами материнской платы, называют периферийными. К внутренним периферийным устройствам относятся накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД), накопитель на оптическом диске (CD-ROM), адаптеры или контроллеры, модем (бывает и внешним) и т.д. К внешним периферийным устройствам относятся принтер, сканер, плоттер, трекбол, цифровая видеокамера, цифровой фотоаппарат и т.д.

Материнская (системная) плата. Материнская плата – основная плата персонального компьютера. На ней размещаются:

процессор (микропроцессор (МП) или центральный процессор) – основная микросхема (или несколько микросхем, объединенных внутри одного корпуса), выполняющая большинство математических и логических операций (в соответствии с представленной ему программой) и общее управление всеми компонентами компьютера;

микропроцессорный комплект (чипсет) – набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы;

шины – наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;

оперативная или основная память (оперативное запоминающее устройств, ОЗУ) – набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен;

постоянная память (постоянное запоминающее устройство, ПЗУ) – микросхема, предназначенная для длительного хранения данных, когда компьютер выключен (в последнее время вместо ПЗУ употребляется термин флэш-ПЗУ (Flash ROM);

разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты).

Логическая схема системной платы показана на рисунке 2.2.3.

Рисунок 2.2.3 – Логическая схема системной платы

Процессор. В каждом компьютере есть центральный процессор – устройство, координирующее работу остальных частей компьютерной системы и осуществляющее обработку данных. В дальнейшем под термином «процессор» следует понимать именно центральный процессор. Кроме центрального процессора, в компьютере могут быть и другие процессоры, обеспечивающие, например, ввод-вывод; сопроцессоры, предназначенные для расширения функциональных возможностей основного процессора и т.п.

Основной характеристикой процессора является тактовая частота, на которой работают его внутренние элементы. Тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет). Чем выше частота процессора, тем большее количество типовых операций в единицу времени способен выполнить компьютер, соответственно, тем выше его быстродействие.

Производительность процессора определяется не только его тактовой частотой, но и архитектурой. Процессор взаимодействует с набором микросхем материнской платы (чипсета, ОЗУ, флэш-ПЗУ) посредством системной шины. Частота работы системной шины отличается от частоты работы процессора (по физическим причинам намного меньше), но важно, чтобы эти частоты были между собой согласованы.

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью. Для повышения эффективности работы компьютера в процессоры встраивают так называемую кэш-память (от англ. сache – тайный склад). Это дорогая быстродействующая память небольшого объема. Процессор помещает данные в кэш-память и занимается вычислениями, а специальное устройство, называемое кэш-конроллером, в это время переписывает данные из кэш-памяти в основную. При последующем обращении к памяти процессору может понадобиться прочитать те данные, которые он только что записал. В этом случае данные передаются из быстродействующей кэш-памяти, в которой они сохранились, без обращения к основной, более медленной памяти. Использование кэш-памяти позволяет более чем в два раза увеличить скорость обмена процессора с оперативной памятью.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – энергонезависимая память для хранения набора неизменяемых данных и подпрограмм, например, подпрограмм начальной загрузки компьютера, данных об устройствах, входящих в состав компьютера, и их параметрах. Такие запоминающие устройства работают только в режиме многократного считывания.

Флеш-память (англ. Flash-Memory) – разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти. Она может быть прочитана сколько угодно раз, но писать в такую память можно лишь ограниченное число раз (максимально — около миллиона циклов). Распространена флеш-память, выдерживающая около 100 тысяч циклов перезаписи — намного больше, чем способна выдержать дискета или CD-RW. Не содержит подвижных частей, так что, в отличие от жёстких дисков, более надёжна и компактна.

Благодаря своей компактности, дешевизне и низкому энергопотреблению флеш-память широко используется в цифровых портативных устройствах — фото- и видеокамерах, диктофонах, MP3-плеерах, КПК, мобильных телефонах, а также смартфонах и коммуникаторах. Кроме того, она используется для хранения встроенного программного обеспечения в различных устройствах (маршрутизаторах, мини-АТС, принтерах, сканерах, модемax), различных контроллерах.

Также в последнее время широкое распространение получили USB флеш-накопители («флешка», USB-драйв, USB-диск), практически вытеснившие дискеты и CD. Одним из первых флешки JetFlash в 2002 году начал выпускать тайваньский концерн Transcend.

Шины. Шины обеспечивают обмен данными между всеми компонентами материнской платы и внутренними периферийными устройствами. Каждому типу шин соответствует описание сигналов и правил их передачи по шине, называемых интерфейсом шины. Если шина предназначена для подключения устройств к материнской плате, то интерфейс шины включает еще и стандарт на ее разъем.

Главной шиной является системная шина или шина чипсет-процессор. Она обеспечивает обмен данными между процессором и микросхемами материнской платы – ОЗУ, микросхемами чипсета и флэш-ПЗУ. Другие шины предназначены для подключения периферийных устройств. Взаимодействие процессора и его системной шины с другими шинами обеспечивает чипсет материнской платы.

Системная шина состоит из трех групп проводников, которые называются соответственно шина адреса, шина управления и шина данных.

Шина адреса предназначена для передачи номера или адреса одной из ячеек от процессора в оперативную память (в одном направлении!). В современных компьютерах шина адреса в основном 32-разрядная (в процессорах Pentium Extreme Edition – составляет 64 бита). Разрядность адресной шины является одной из основных характеристик ПК.

Шина управления служит для передачи из ОП команд, управляющих процессом обработки данных. Большинство современных процессоров работают с 32-разрядной шиной команд, хотя существуют 64-разрядные и даже 128-разрядные шины команд.

Шина данных предназначена для передачи данных из ОП в процессор и обратно. В современных персональных компьютерах шина данных 64-разрядная, т.е. состоит из 64 линий.

В качестве системной магистрали в современных ПЭВМ используются:

шины расширений – шины общего назначения, позволяющие подключать большое число самых разнообразных устройств;
локальные шины, специализирующиеся на обслуживании устройств определенного типа.

В ряде случаев для подключения внешних периферийных устройств необходимо использовать внутреннее периферийное устройство, которое называют адаптером или контроллером (служат для управления внешними периферийными устройствами). Конструктивно внутреннее периферийное устройство представляет собой плату (плата расширения), которая устанавливается в гнезда материнской платы – слоты.

На сегодняшний день наиболее распространенными шинами для подключения дополнительных внутренних устройств являются шины:

PCI – для подключения адаптеров (звуковых, видеокарт, внутренних модемов, внутренних TV-тюнеров и т.д.);
AGP – для подключения производительных видеоакселераторов;
IDE (ATA) и SCSI [Скази] (Small Computer System Interface – интерфейс малых компьютерных систем), SCSI-2, и SCSI-3 – для подключения жестких дисков, дисководов CD-ROM и других видов устройств.

На новых материнских платах стали появляться новые типы слотов, называемые PCI Express. В перспективе они должны заменить и PCI, и AGP. Эти слоты конструктивно отличаются размерами и количеством контактов и имеют разное количество линий и, соответственно, разную пропускную способность. Для установки видеокарты предназначен слот PCI Express 16x. Устройства, предназначенные для установки в меньшие слоты, как правило, можно установить и в больший слот, но не наоборот.

Для подключения жестких дисков IDE к современным материнским платам специального адаптера не требуется. Для подключения SCSI-устройств на материнской плате должна быть установлена либо специальная микросхема (о таких материнских платах часто говорят материнская плата с поддержкой SCSI), выполняющая функции контроллера SCSI, либо контроллер, конструктивно представляющий собой плату расширения с интерфейсом PCI.

Наиболее распространенными на сегодняшний день шинами для подключения внешних периферийных устройств являются:

последовательные и параллельные порты;
порты для мыши и клавиатуры PS/2 [Пи-Эс-два];
SCSI;
USB, USB 2.0;
FireWire (IEEE1394).

Порты не являются шинами в буквальном смысле, поскольку к каждому порту может одновременно подключаться только одно устройство, но выполняют аналогичные шинам функции. Разъемы шин и портов для подключения внешних периферийных устройств обычно находятся на задней стенке системного блока.

Микропроцессорный комплект (чипсет). Набор микросхем является вторым важным компонентом материнской платы после процессора. Обычно это от одной до пяти микросхем, в которых содержаться основные компоненты материнской платы. Для сравнения, современный набор микросхем заменяет более 150 отдельных компонентов, используемых в оригинальной системе IBM AT.

В настоящее время базовую основу большинства чипсетов материнских плат составляют две микросхемы, исторически получившие название «северный мост» и «южный мост». «Северный мост» обычно управляет взаимосвязью процессора, оперативной памяти и шины AGP. «Южный мост» выполняет функции контроллера жестких и гибких дисков (вспомните, что для подключения последних не требуется платы расширения), функции контроллера шины PCI, контроллера клавиатуры, мыши, шины USB и т.д.

Платы расширения. Как уже упоминалось, платы расширения предназначены для подключения внешних периферийных устройств. Они являются своеобразным «мостом» между интерфейсом материнской платы и интерфейсом внешнего периферийного устройства. Платы расширения устанавливаются в разъемы шин – слоты. Они выполняют функции адаптеров или контроллеров – устройств, предназначенных для управления работой внешнего периферийного оборудования. С этой целью адаптеры выполняют интерпретацию («понимание» и выполнение) команд процессора для периферийного устройства, а также предварительную обработку данных для центрального процессора. Платы расширения более известны под названием «карты», например видеокарта (графическая карта), звуковая карта, сетевая. В виде плат расширения реализованы также SCSI-контроллер, внутренний модем и др.

Видеокарта – это плата с микросхемами, которая служит для формирования изображения на экране монитора. Все, что мы видим на экране, создано процессором с помощью видеокарты. Видеокарта содержит микросхемы памяти, в которых хранится изображение. Они носят название видеобуфер или видеопамять. Кроме того, на плате находится специальный преобразователь (собственно адаптер), который преобразовывает цифровой сигнал видеокарты в сигналы, понятные монитору и подобные телевизионному сигналу. Помимо этого, видеоадаптер может содержать специальный процессор, предназначенный для ускорения преобразования изображений, а также одновременного формирования нескольких кадров, например, для проигрывания видео, и наложения специальных эффектов, таких как туман или полупрозрачность объектов. Видеокарта, содержащая микропроцессор, называется графическим акселератором (видеоакселератором, видеоускорителем).

Звуковая карта. В настоящее время мировым стандартом для воспроизведения звука на компьютере является Sound Blaster. Этому способствовало широкое распространение продуктов компании Creative Labs, первой освоившей выпуск звуковых плат для ПК.

Звуковая карта предназначена для преобразования звукового сигнала из аналоговой формы в цифровую и наоборот. Звук воспроизводится через внешние звуковые колонки, подключаемые к выходу звуковой карты. Имеется также разъем для подключения микрофона, что позволяет записывать речь или музыку и сохранять их на жестком диске для последующей обработки и использования.

Основным параметром звуковой карты является разрядность и качество воспроизведения (моно или стерео). Минимальным требованием сегодня являются 16 разрядов, а наибольшее распространение имеют 32-разрядные и 64-разрядные устройства; основным требованием по качеству воспроизведения – стерео.

В последнее время обработку звука может выполняться без использования звуковой карты. В этом случае аппаратная поддержка звука может быть реализована в одной из двух форм:

микросхема на системной плате;

звуковые устройства, интегрированные в основной набор микросхем системной платы.

Сетевая карта. Сетевая карта (Network Interface Card – NIC) является одним из важнейших устройств ПК при организации сети. Сетевая карта обеспечивает соединение между компьютером и сетевыми носителями, например, медными или оптоволоконными кабелями.

Сетевые карты не только обеспечивают соединение компьютера с сетью, но и выполняют важную функцию преобразования данных. Данные передаются по шине персонального компьютера параллельным потоком, а сетевые носители требуют последовательной передачи.

Многие современные материнские платы выпускаются со встроенными сетевыми картами.

2.3 Назначение основных устройств ПК

Накопители на магнитных и оптических дисках. Накопители – это устройства, предназначенные для длительного хранения данных. Основными видами накопителей на сегодняшний день являются накопители на магнитных дисках, к которым относятся накопитель на жестком диске и накопитель на гибком диске, и накопители на оптических дисках.

Накопитель на жестком магнитном диске. Накопитель на жестком магнитном диске, НЖМД (HDD – Hard disk drive [Хард диск драйв]) – это внутренний постоянный диск большой емкости. НЖМД представляет собой несколько магнитных дисков, защищенных герметичным корпусом от пыли и грязи. Запись данных осуществляется на обеих сторонах каждого из них. Для каждой стороны диска предусмотрена своя головка чтения-записи. При этом все головки смонтированы на общем стержне и не могут перемещаться независимо друг от друга.

Жесткие диски вращаются, примерно в 10 раз быстрее гибких дисков. Большинство серийных накопителей, используемых в настоящее время в ПК, имеют скорость вращения 5400 об/мин. Скорость вращения дисков с улучшенными характеристиками достигает 7200 об/мин.

Жесткие диски выпускаются в двух разновидностях: IDE [Ай-Ди-И] и SCSI.

Встроенный интерфейс накопителей (Integrated Drive Electronics – IDE) – это тип интерфейса жестких дисков (или других устройств, например, приводов CD-ROM), при котором контроллер устройства (предназначен для передачи данных из системы в накопитель и обратно) размещен в самом дисководе. Официальное название интерфейса IDE – ATA (AT Attachment). Диск IDE соединяется с материнской платой плоским кабелем. Каждый IDE-разъем материнской платы поддерживает до двух IDE-дисков. Обычно на материнской плате есть два IDE-разъема, т.е. в компьютер можно установить четыре IDE-диска (в том числе жесткие диски и приводы CD-ROM).

Основными параметрами НЖМД являются емкость и производительность.

Накопитель на гибком магнитном диске. Накопитель на гибких магнитных дисках (НГМД, FDD – Floppy Disk Drive) осуществляет чтение и запись информации на съемные магнитные носители, заключенные в пластиковый футляр. Такая конструкция называется дискетой.

Организация данных на магнитном диске. В результате форматирования поверхность магнитных дисков разбивается на дорожки и секторы. Дорожка – это «одно» кольцо данных на одной стороне диска. Одинаково расположенные дорожки на всех сторонах дисков объединяются в цилиндр.

Дорожка записи диска слишком велика, чтобы использовать ее в качестве единицы хранения информации. Так, во многих накопителях на жестких магнитных дисках ее емкость может превышать 100 000 байт, и отводить такой блок для хранения небольшого файла крайне расточительно. Поэтому дорожки разбиваются на нумерованные отрезки, называемые секторами. Сектор выглядит как «кусок торта» на диске. Стандартные программы форматирования создают секторы объемом 512 байт (фактический объем сектора равен 571 байт).

Таким образом, чтобы определить емкость диска необходимо умножить емкость сектора на количество секторов на одной стороны диска, на количество дорожек и на количество рабочих поверхностей.

Сектор является минимальным адресуемым участком дискового пространства. Минимальной порцией дискового пространства, которая может быть выделена для хранения файла, является кластер. Чем меньше размер кластера, тем более эффективно используется дисковая память. Как правило, кластер содержит один или несколько смежных секторов.

Количество кластеров на диске зависит от разрядности шины адреса и емкости диска. Например, при использовании 16-ти разрядной шины адреса, можно хранить 2¹⁶=65536 значений адресов. Если жесткий диск имеет размер 2 Гб, то размер кластера составляет примерно 32 Кб (2Гб/65536).

Логическая структура носителя информации. Для упорядочивания информации о файлах и управления ими, на диске в момент форматирования формируется структура данных, которая носит название таблица размещения файлов. Файловые системы бывают нескольких типов: FAT (File Allocation Table - таблица размещения файлов), FAT (12, 16, 32), NTFS (New Technology File System — «файловая система новой технологии»). В файловой системе FAT для хранения адреса используется два байта, в FAT12 – 12 битов (используется для дискет), в FAT16 – 16 битов (используется для флэш-памяти), а в FAT32 – 32 бита (4 байта) – используется для жестких дисков большого объема, что позволяет при том же объеме диска, формировать кластеры меньшего размера, и, следовательно, более эффективно использовать дисковое пространство (для ОС Windows). Файловая система NTFS обеспечивает более высокий уровень быстродействия и безопасности, а также дополнительные возможности, недоступные ни в одной версии файловой системы FAT (позволяет устанавливать различный объем кластера, использует систему журналирования, т.е. сохраняет список – «журнал» или «лог» - изменений, которые будут затем производиться с файловой системой). Файловые системы ext3 и ReiserFS – журналируемые файловые системы для ОС Unix. NFS - журналируемая файловая система фирмы Apple Computer для ОС Mac OS. CDFS – файловая система для работы с оптическими дисками (CD- и DVD). UDF – мультисистемная файловая система для работы с CD-RW и DVD-RW.

Устройства внешней памяти именуются буквами латинского алфавита. Система приписывает накопителям имена таким образом, что физически первый накопитель на дискетах получает имя А, второй же - В. На одном физическом устройстве внешней памяти может быть сформировано несколько логических устройств. Сказанное относится, прежде всего, к накопителям на жестких магнитных дисках, хотя не только к ним. Жесткий диск допускается разделять на несколько логических дисков, с каждым из которых связывается свое имя привода. Первый логический привод при этом имеет имя С, второй – D и т.д.

Привод CD-ROM, когда он имеется, так же получает однобуквенное имя (первое из еще не занятых), которое назначается ему после присваивания имен накопителя на магнитных дисках.

Хотя пользователь этого и не ощущает, обмен данными с дисками производится блоками (они называются секторами) по 512 байтов.

Каждый используемый диск может иметь метку – имя, которое пользователь ему назначает. Это имя не является постоянным - его можно менять.

Накопители на оптических дисках. Еще одним стандартным средством переноса данных, помимо дискет, являются оптические компакт-диски или CD. На компакт-дисках выпускается масса программных продуктов – игры, мультимедийные энциклопедии и электронные учебники, системы документооборота и т.д. Доступ к данным, хранящимся на компакт-диске, происходит быстрее, чем к данным, хранящимся на дискете, но все же значительно медленнее, чем на современных жестких дисках.

Компакт-диски допускают однократную или многократную возможность записи данных и бывают следующих типов:

CD-ROM (Compact Disk Read-Only Memory ) − постоянное запоминающее устройство на компакт-диске); это оптический носитель информации, предназначенный только для чтения, на котором может храниться до 650 Мбайт. Такой объем данных соответствует 333 000 страницам текста или 74 минутам высококачественного звучания или их комбинации.

CD-R (Compact Disk-Recordable) − записываемый компакт-диск;

CD-RW (Compact Disk- Rewritable) − перезаписываемый компакт-диск.

DVD (Digital Versatile Disc – универсальный цифровой диск). DVD-диск имеет тот же диаметр (120 мм) и толщину (1,2 мм), что и CD-диск. Однако DVD имеет более тонкие дорожки и, как следствие, более высокую плотность записи. Форматы дисков DVD: DVD-ROM, DVD−R (минус R), DVD+R (плюс R), к многократной записи – DVD-RAM, DVD−RW (минус RW), DVD+RW (плюс RW).

Накопитель на магнитной ленте. Накопитель на магнитной ленте, или стример (streamer), по принципу действия аналогичен кассетному магнитофону, но записывает данные не в аналоговой, а в цифровой форме. В связи с очень низким быстродействием и строго последовательным доступом к хранящимся данным, такие накопители используются исключительно для резервирования информации, имеющейся на жестком диске

Кроме того, существуют переносные винчестеры, винчестеры со сменным диском, магнитооптические дисководы с особыми дискетами емкостью 230 МБ – 2,6 Гб.

Жесткие диски, дискеты, перезаписываемые компакт-диски, магнитооптические диски относятся к устройствам ввода/вывода.

Монитор. Монитор - это основное устройство ПК, служащее для отображения информации. Монитор снабжен сетевым выключателем, регуляторами изображения, а также двумя разъемами – информационным и сетевым. При помощи специального информационного кабеля монитор соединяется через видео адаптер (видеокарту, видеоконтроллер) с системным блоком, а при помощи сетевого шнура – с источником питания.

В ПК используется два основных типа мониторов – на базе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ или CRT-мониторы) и на базе жидкокристаллических матриц (ЖК или LCD-мониторы).

Монитор на базе электронно-лучевой трубки работает как обычный телевизор. Такие мониторы имеют большой вес и объем. Мониторы на базе жидкокристаллических матриц плоские и легкие, еще одним важным их достоинством является отсутствие вредных излучений. Вместе с тем жидкокристаллические мониторы обладают определенными недостатками по сравнению с электронно-лучевыми мониторами, а именно: низким быстродействием, меньшим углом обзора. Кроме того, жидкокристаллические мониторы предназначены для работы при одном фиксированном разрешении, определяемом физическим количеством пикселей на экране.

Важнейшие характеристики ЖК-мониторов:

Разрешение: Горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселях. В отличие от ЭЛТ-мониторов, ЖК имеют одно фиксированное разрешение, остальные достигаются интерполяцией.

Фрагмент матрицы ЖК монитора (0,78×0,78 мм), увеличеный в 46 раз

Размер точки: расстояние между центрами соседних пикселей. Непосредственно связан с физическим разрешением.

Соотношение сторон экрана (формат): Отношение ширины к высоте, например: 5:4, 4:3, 5:3, 8:5, 16:9, 16:10.

Видимая диагональ: размер самой панели, измеренный по диагонали. Площадь дисплеев зависит также от формата: монитор с форматом 4:3 имеет большую площадь, чем с форматом 16:9 при одинаковой диагонали.

Контрастность: отношение яркостей самой светлой и самой тёмной точек. В некоторых мониторах используется адаптивный уровень подсветки с использованием дополнительных ламп, приведённая для них цифра контрастности (так называемая динамическая) не относится к статическому изображению.

Яркость: количество света, излучаемое дисплеем, обычно измеряется в канделах на квадратный метр.

Время отклика: минимальное время, необходимое пикселю для изменения своей яркости. Методы измерения неоднозначны.

Угол обзора: угол, при котором падение контраста достигает заданного, для разных типов матриц и разными производителями вычисляется по-разному, и часто не подлежит сравнению.

Тип матрицы: технология, по которой изготовлен ЖК-дисплей.

Входы: например, DVI, D-Sub, HDMI и т. п.

Сенсорный монитор (touchscreen) – одно из передовых достижений технологического прогресса, которое позволило облегчить процесс взаимодействия человека с компьютером, удаляя такие сторонние манипуляторы, как мышь и клавиатура. С каждым днем популярность сенсорных мониторов (touchscreen) возрастает, все больше и больше людей по всему миру делают выбор в пользу удобства и легкости в управлении компьютером, покупая сенсорный монитор (touchscreen).

Клавиатура. Основным устройством, обеспечивающим ввод в компьютер данных и команд, является клавиатура. Клавиатура снабжена кабелем, посредством которого она подключается к специально предназначенному для этого разъему на системном блоке ПК. Комбинация монитора и клавиатуры обеспечивает простейший интерфейс пользователя.

Принцип действия: при нажатии на клавишу генерируется так называемый скан-код. Через порт клавиатуры сигнал поступает в процессор, в результате обработки определяется код символа, который отправляется в буфер клавиатуры, откуда его забирает программа.

Состав стандартной клавиатуры: 104 клавиши и 3 световых индикатора, информирующих о режимах работы.

Алфавитно-цифровые и знаковые клавиши – расположены в центре клавиатуры аналогично клавиатуре пишущей машинки, но добавлен регистр латинских букв (выделен другим цветом); цифры продублированы на малой цифровой клавиатуре (совпадает с клавиатурой настольного калькулятора), индикатор «Num Lock» используется для переключения режима цифрового блока в режим управления курсором (дублирование клавиш управления курсором); знаки (пунктуация, символы, пробел и т.д.) расположены вокруг алфавитно-цифровой зоны.

Функциональные клавиши: F1–F12 – расположены в верхней части клавиатуры, используются для специальных действий (операций).

Служебные клавиши: Enter – подтверждение ввода команд, окончание абзаца и др.; Esc – отмена действия; Tab – устанавливает курсор в заданную позицию экрана или текста; Shift – временное включение режима прописных букв; Ctrl, Alt –используются в сочетании с другими клавишами для изменения значений клавиш; Backspace – удаляет информацию справа налево; Delete – удаляет символ, на который указывает курсор; Insert – режим вставки с раздвижкой или замещением; Caps Lock – фиксация режима заглавных букв (включение отражает индикатор); Print Screen – печать экрана; Scroll Lock – сдвигать или прокручивать экран (включение отражает индикатор), Pause – Break –пауза в работе компьютера; Num Lock –для переключения режима малой цифровой клавиатуры с цифрового режима в режим управления курсором (включение отражает индикатор).

Клавиши управления курсором: стрелки – перемещают курсор на один символ вправо, влево, вверх, вниз (продублировано на малом цифровом блоке); Home – в начало строки, End – в конец строки, Page Up – страница вверх, Page Down – страница вниз.

Комбинирование клавиш дает дополнительные возможности.

Манипулятор «мышь». Мышь – устройство управления манипуляторного типа. Принцип действия: так как мышь не является стандартным органом управления, необходимо использование драйвера мыши, который предназначен для интерпретации сигналов, поступающих через порт, и обеспечивает механизм передачи информации о положении и состоянии мыши операционной системе и программам.

Помимо механических, существуют оптические мыши (например, Genius NetScroll Optical), в которой специальная камера сканирует поверхность движения мыши.

В переносных ПК вместо мыши применяется шаровой манипулятор (track ball), который можно сравнить с перевернутой мышью и тачпад (touch pad) – миниатюрный экран, по которому пальцем осуществляется перемещение курсора и выбор команды.

Отдельная разновидность – мыши беспроводные. Существуют мышь «инфракрасная» и «радиомышь». Недостаток первой в том, что она должна все время «видеть» приемник (IR-порт), недостаток второй – чувствительность к радиопомехам.

Мышь и манипулятор являются – устройствами ввода информации.

Периферийные устройства

Периферийные устройства персонального компьютера подключаются к его интерфейсам и предназначены для выполнения вспомогательных операций. По назначению периферийные устройства можно подразделить на:

устройства ввода данных;
устройства вывода данных;
устройства хранения данных;
устройства обмена данными.

Устройства ввода данных. Помимо клавиатуры и мыши используются и другие устройства ввода данных.

К коммуникационным портам могут подключаться такие устройства, как сканер, обеспечивающий ввод в ПК изображений и текстов документов. По конструкции (и соответственно по цене) различают ручные, планшетные (настольные) и профессиональные (например, барабанные) сканеры. Сканеры, как и принтеры, различаются по разрешающей способности (например, 300, 600, 1200 точек на дюйм) и по формату бумаги, которую можно отсканировать разом (формат А4 – стандартный писчий лист, размер 2129,7 см; формат А3 – размер 29,742 см) и по скорости сканирования. Большое значение для сканеров имеет качество программы распознавания.

Чтобы в компьютер можно было вводить речь, он должен быть снабжен звуковой платой (например, Sound Blaster Pro, AWE 32 и т.д.), к которой подключен микрофон. Вывод звука возможен только при наличии звуковых колонок или наушников, которые тоже подключаются к звуковой плате. Компьютер, способный обрабатывать, по крайней мере, звуковые сигналы, называют мультимедиа-ПК.

Устройства вывода данных. Принтер – это устройство вывода, обеспечивающее печать выдаваемой компьютером информации, печать документов. В качестве носителя, как правило, используется бумага. Принтер подключается к параллельному порту.

Матричные принтеры печатают специальными иголочками (их 9 или 24), ударяющими по красящей ленте и формирующими при этом букву или цифру. Они дешевы, но работают медленно и шумят. Сейчас появились линейные матричные принтеры, у которых вместо подвижной печатающей головки имеется блок с множеством иголочек во всю ширину листа.

Лазерные принтеры работают быстро и бесшумно, дают очень высокое качество печати, но относительно дороги.

Струйные принтеры печатают особыми чернилами и могут дать высокое качество печати. Они почти не шумят, дешевле лазерных принтеров.

Для офисных применений предпочтительнее лазерные принтеры, так как они обеспечивают быструю и высококачественную печать, пригодны для вывода больших объемов данных. В качестве альтернативы можно использовать струйные принтеры. Матричные принтеры используются в особых случаях – когда нужно печатать одновременно несколько копий, обеспечивать самую низкую стоимость печати и т.д.

К коммуникационным портам может подключаться такое устройство, как плоттер, позволяющий получить высококачественные чертежи.

Устройства хранения данных. Для внешнего хранения данных (помимо перечисленных ранее) используют несколько типов устройств. Стримеры – накопители на магнитной ленте (низкая цена, но малая производительность и недостаточная надежность). Накопители на съемных магнитных дисках – JAZ и ZIP-накопители (отсутствие единого стандарта приводит к постепенному отказу от этого типа устройств). В компьютерных системах высокого уровня используются магнитооптические устройства. В последнее время широкое распространение получили устройства на основе энергонезависимой флэш-памяти – флэш-диски ( подключается в разъем USB, объем от 32 Мбайт до 4 Гбайт).

Устройства обмена данными. В виде отдельного устройства может подключаться через последовательный порт компьютера (иногда – через параллельный порт или специальную плату) модем или факс-модем. Факс-модем – устройство, сочетающее возможности модема и средства для обмена факсимильными изображениями с другими факс-модемами и обычными телефаксными аппаратами. Некоторые модемы могут принимать из телефонной сети звуковые сообщения, записывая их в файл, и воспроизводить звуковые файлы в телефонную сеть. Такой модем в сочетании с соответствующим программным обеспечением может использоваться в качестве автоответчика и т.п. Внешние модемы бывают настольные, портативные и монтируемые в стойку.

Заключение

Современный ПК одновременно и прост, и сложен. Он стал проще, так как за минувшие годы многие компоненты, используемые для сборки системы, были интегрированы с другими компонентами и поэтому общее количество элементов уменьшилось. Он стал сложнее, так как каждая часть современной системы выполнят намного больше функций, чем в более старых компьютерах.

Список литературы

Аляутдинов М. А., Галушкин А. И., Казанцев П. А., Остапенко Г. П. Нейрокомпьютеры. От программной к аппаратной реализации. - М.: Телеком, 2016. - 152 c.
Бхаргава А. Грокаем алгоритмы. – СПб.: Питер, 2017. – 288 с.
Джонс М.Т. Программирование искусственного интеллекта. - М.: БХВ-ДМК Пресс, 2015. - 312 c.
Здор С. Е. Кодированная информация. От первых природных кодов до искусственного интеллекта. – Москва: Наука, 2012. - 168 c.
Балдин, К.В. Информационные системы в экономике: Учебник / К.В. Балдин, В.Б. Уткин. — М.: Дашков и К, 2013. — 395 c.
Балдин, К.В. Информационные технологии в менеджменте: Учеб. для студ. учреждений высш. проф. образования / К.В. Балдин. — М.: ИЦ Академия, 2012. — 288 c.
Божко, В.П. Информатика: данные, технология, маркетинг / В.П. Божко, В.В. Брага, Н.Г. Бубнова. — М.: Финансы и статистика, 2014. — 224 c.
Гаврилов, М.В. Информатика и информационные технологии: Учебник для бакалавров / М.В. Гаврилов, В.А. Климов; Рецензент Л.В. Кальянов, Н.М. Рыскин. — М.: Юрайт, 2013. — 378 c.
Горнец, Н. Н. ЭВМ и периферийные устройства. Компьютеры и вычислительные системы: учебник для студентов вузов, обучающихся по направлению «Информатика и вычислительная техника» / Н. Н. Горнец, А. Г. Рощин. — М.: Академия, 2012. — 240 с.: ил.
Портал Техкульт. – Url: https://www.techcult.ru/technology/3816-dostizheniya-ai - Дата обращения 28.05.2019
Портал RuseBase. – Url: https://rb.ru/longread/russian-ai-startups/ - Дата обращения 28.05.2019

Портал iot.ru – Новости интернета вещей. – Url: https://iot.ru/meditsina/glava-minzdrava-otechestvennykh-robotov-khirurgov-gotovy-proizvodit-seriyno - Дата обращения 28.05.2019.