Устройство персонального компьютера (Виды и назначение периферийных устройств)

Содержание:

Введение

Все началось с идеи научить машину считать или хотя бы складывать многоразрядные числа. Еще около 1500 г. Леонардо да Винчи разработал эскиз 13-разрядного суммирующего устройства. Это была первая попытка решить указанную задачу. Первую же действующую машину построил в 1642 г. французский физик и математик Блез Паскаль.

Спустя почти двести пятьдесят лет появился широко используемый агрегат – арифмометр, выполняющий 4 арифметических действия. Уже в начале XIX века уровень развития ряда наук и областей практической деятельности был столь высок, что они требовали огромного объема вычислений, выходящих за пределы возможностей человека. Над созданием и совершенствованием соответствующей техники работали как выдающиеся ученые, так и неизвестные изобретатели, и инженеры, посвятившие свою жизнь конструированию вычислительных устройств. Так, например, в 1822 г. английский математик Чарльз Бэббидж спроектировал, и почти 30 лет строил машину, которая сначала была названа «разносной», а позднее «аналитической». Именно в «аналитическую» машину были заложены принципы, ставшие фундаментальными для вычислительной техники:

·  Автоматическое выполнение операций – необходимость, чтобы операции следовали одна за другой безостановочно, без «зазоров», требующих непосредственного вмешательства человека.

·  Работа по вводимой «на ходу» программе – для автоматического выполнения операций программа должна вводиться в исполнительное устройство со скоростью, соизмеримой со скоростью выполнения операций. Бэббидж предложил использование перфокарт, с предварительно записанной программой.

·  Необходимость специального устройства для хранения данных – блок памяти, который Бэббидж назвал «складом».

Все эти идеи натолкнулись на невозможность реализации из-за механической основы вычислительных устройств.

Впервые автоматически действующие вычислительные устройства появились в середине XX века. Это стало возможно при использовании электромеханических реле наряду с механической конструкцией. Работы над релейными машинами велись вплоть до 1944 г. пока под руководством Говарда Айкена на фирме IBM не была запущена машина «Марк-1», впервые реализовавшая идеи Бэббиджа.

В России в начале 50-х под руководством Н. И. Бессонова была создана одна из самых мощных релейных машин РВМ-1: она выполняла до 20 умножений в секунду с достаточно длинными двоичными числами.

Первой же действующей ЭВМ стал ENIAC, созданный под руководством Д. Моучли и П. Эккерта. ENIAC содержал 18 тысяч электронных ламп и множество электромеханических элементов.

Но эти и ряд других первых ЭВМ не имели важнейшего качества – программы не хранились в памяти машин, а набирались при помощи внешних коммутирующих устройств. Первая ЭВМ с хранимой программой EDSAC была построена в Великобритании в 1949 г.

Первая отечественная ЭВМ – МЭСМ была создана в 1951 г. под руководством Л. А. Лебедева. Одной из лучших в мире для своего времени была БЭСМ-6, созданная в середине 60, и долгое время бывшая базовой в обороне, космических и научно-технических исследованиях в СССР.

С развитием вычислительной техники появлялись новые ЭВМ, гораздо более мощные и меньшие в размерах, чем свои первые предшественники, называемые в наше время ПК – персональный компьютер. Наряду с базовой конструкцией ПК развивались и периферийные устройства (ПУ), о которых и пойдет речь далее.

ГЛАВА 1. Виды и назначение периферийных устройств

1.1 Внешние устройства персонального компьютера. Их назначения и основные характеристики

Внешние (периферийные) устройства персонального компьютера составляют важнейшую часть любого вычислительного комплекса. Стоимость внешних устройств в среднем составляет около 80-85% стоимости нашего комплекса. Внешние устройства обеспечивают взаимодействие компьютера с окружающей средой — пользователями, объектами управления и другими компьютерами.

Внешние устройства подключаются к компьютеру через специальные разъемы-порты ввода-вывода. Порты ввода-вывода бывают следующих типов:

• параллельные (обозначаемые LPT1 — LPT4) — обычно используются для подключения принтеров;
• последовательные (обозначаемые СОМ1 — COM4) — обычно к ним подключаются мышь, модем и другие устройства.

К внешним устройствам относятся:

• устройства ввода информации;
• устройства вывода информации;
• диалоговые средства пользователя;
• средства связи и телекоммуникации.

К устройствам ввода информации относятся:

• клавиатура — устройство для ручного ввода в компьютер числовой, текстовой и управляющей информации;
• графические планшеты (дигитайзеры) — для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняется считывание координат его местоположения и ввод этих координат в компьютер;
• сканеры (читающие автоматы) — для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в компьютер машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей;
• устройства указания (графические манипуляторы) — для ввода графической информации на экран монитора путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в компьютер (джойстик, мышь, трекбол, световое перо);
• сенсорные экраны — для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в компьютер).

К устройствам вывода информации относятся:

• графопостроители (плоттеры) — для вывода графической информации на бумажный носитель;
• принтеры — печатающие устройства для вывода информации на бумажный носитель.

Основные виды принтеров:

• матричные — изображение формируется из точек, печать которых осуществляются тонкими иглами, ударяющими бумагу через красящую ленту. Знаки в строке печатаются последовательно. Количество иголок в печатающей головке определяет качество печати. Недорогие вдринтеры имеют 9 иголок. Более совершенные матричные принтеры имеют 18 и 24 иглы;
• струйные — в печатающей головке имеются тонкие трубочки — сопла, через которые на бумагу выбрасываются мельчайщие капельки чернил. Матрица печатающей головки обычно содержит от 12 до 64 сопел. В на-Встоящее время струйные принтеры обеспечивают разрешающую способность до 50 точек на миллиметр и скорость печати до 500 знаков в секунду при отличном качестве печати, приближающемся к качеству лазерной печати. Струйные принтеры выполняют и цветную печать, но разрешающая способность при этом уменьшается примерно вдвое;
• лазерные — применяется электрографический способ формирования изображений. Лазер служит для создания сверхтонкого светового луча, вычерчивающего на Поверхности предварительно заряженного светочувствительного барабана контуры невидимого точечного электронного изображения. После проявления электронного Воображения порошком красителя (тонера), налипающей на разряженные участки, выполняется печать — перенoc тонера с барабана на бумагу и закрепление изображения на бумаге разогревом тонера до его расплавления. Лазерные принтеры обеспечивают наиболее высококачественную печать с высоким быстродействием. Широко используются цветные лазерные принтеры.

К диалоговым средствам пользователя относятся:

• видеотерминалы (мониторы) — устройства для отображения вводимой и выводимой информации. Видеотерминал состоит из видеомонитора (дисплея) и видеоконтроллера (видеоадаптера). Видеоконтроллеры входят в состав системного блока компьютера (находятся на видеокарте, устанавливаемой в разъем материнской платы). Видеомониторы относятся к внешним устройствам компьютера. Основной характеристикой монитора является разрешающая способность, которая определяется максимальным количеством точек, размещающихся по горизонтали и по вертикали на экране монитора. Современные мониторы имеют стандартные значения разрешающей способности от 640 X 480 до 1600 х 1200, но реально могут быть и другие значения. Могут использоваться как цветные, так и монохромные мониторы;
• устройства речевого ввода-вывода информации. К ним относятся различные микрофонные акустические системы, а также различные синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через динамики или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру.

Средства связи и телекоммуникации используются для подключения компьютера к каналам связи, другим компьютерам и компьютерным сетям. К этой группе прежде всего относятся сетевые адаптеры. В качестве сетевого адаптера чаще всего используются модемы (модулятор-демодулятор).

Многие из названных выше устройств относятся к условно выделенной группе — средствам мультимедиа.

Средства мультимедиа — это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться компьютером, используя самые разные естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и др. К средствам мультимедиа относятся:

• устройства речевого ввода и вывода информации;
• микрофоны и видеокамеры, акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами;
• звуковые и видеоплаты, платы видеозахвата, снимающие изображение с видеомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в компьютер;
• сканеры;
• вешние запоминающие устройства большой емкости на оптических дисках, часто используемые для записи звуковой и видеоинформации.

1.2 Назначение и группы периферийных устройств

Назначение и группы периферийных устройств. Основное назначение ПУ - обеспечить поступление в ПК из окружающей среды программ и данных для обработки, а также выдачу результатов работы ПК в виде, пригодном для восприятия человека или для передачи на другую ЭВМ, или в иной, необходимой форме.

ПУ в немалой степени определяют возможности применения ПК. Периферийные устройства можно разделить на несколько групп по функциональному назначению: 1.Устройства ввода-вывода – предназначены для ввода информации в ПК, вывода в необходимом для оператора формате или обмена информацией с другими ПК. К такому типу ПУ можно отнести внешние накопители (ленточные, магнитооптические), модемы. 2.Устройства вывода – предназначены для вывода информации в необходимом для оператора формате. К этому типу периферийных устройств относятся: принтер, монитор (дисплей), аудиосистема. 3.Устройства ввода – Устройствами ввода являются устройства, посредством которых можно ввести информацию в компьютер.

Периферийные устройства можно разделить на несколько групп по функциональному назначению:

1.  Устройства ввода-вывода – предназначены для ввода информации в ПК, вывода в необходимом для оператора формате или обмена информацией с другими ПК. К такому типу ПУ можно отнести внешние накопители (ленточные, магнитооптические), модемы.

2.  Устройства вывода – предназначены для вывода информации в необходимом для оператора формате. К этому типу периферийных устройств относятся: принтер, монитор (дисплей), аудиосистема.

3.  Устройства ввода – Устройствами ввода являются устройства, посредством которых можно ввести информацию в компьютер. Главное их предназначение - реализовывать воздействие на машину. К такому виду периферийных устройств относятся: клавиатура (входит в базовую конфигурацию ПК), сканер, графический планшет и т.д.

4.  Дополнительные ПУ – такие как манипулятор «мышь», который лишь обеспечивает удобное управление графическим интерфейсом операционных систем ПК и не несет ярко выраженных функций ввода либо вывода информации; WEB-камеры, способствующие передаче видео и аудио информации в сети Internet, либо между другими ПК. Последние, правда, можно отнести и к устройствам ввода, благодаря возможности сохранения фото, видео и аудио информации на магнитных или магнитооптических носителях.

Каждые из перечисленных групп устройств выполняют определенные функции ограниченные их возможностями и назначением.

Главное их предназначение - реализовывать воздействие на машину. К такому виду периферийных устройств относятся: клавиатура (входит в базовую конфигурацию ПК), сканер, графический планшет и т.д. 4.Дополнительные ПУ – такие как манипулятор «мышь», который лишь обеспечивает удобное управление графическим интерфейсом операционных систем ПК и не несет ярковыраженных функций ввода либо вывода информации; WEB-камеры, способствующие передаче видео и аудио информации в сети Internet, либо между другими ПК. Последние, правда, можно отнести и к устройствам ввода, благодаря возможности сохранения фото, видео и аудио информации на магнитных или магнитооптических носителях.

Каждые из перечисленных групп устройств выполняют определенные функции ограниченные их возможностями и назначением.

1.3 Периферийные устройства ввода-вывода информации

Периферийные устройства ввода-вывода бывают нескольких видов в зависимости от назначения.

Внешние накопители

· Ленточные (магнитные) накопители – стримеры. Благодаря достаточно большому объему и довольно высокой надежности чаще всего используются в рамках устройств резервного копирования данных на предприятиях и в крупных компаниях (хранят резервные копии баз данных и другой важной информации).

На ленточный накопитель не просто сохраняется резервная копия данных, но также создается образ накопителя данных. Это позволяет пользователю восстанавливать определенное состояние или использовать этот образ как эталонный банк данных, например, когда данные были изменены.

Принцип записи на магнитных носителях основан на изменении намагниченности отдельных участков магнитного слоя носителя. Запись осуществляется при помощи магнитной головки, которая создает магнитное поле. При считывании информации намагниченные участки создают в магнитной головке слабые токи, которые превращаются в двоичный код, соответствующий записанному.

· Магнитооптические накопители – приводы CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD-R, DVD-RW. Также могут использоваться в качестве устройств резервного копирования, но, в отличие от стримеров, обладают гораздо меньшей вместимостью данных (CD-R, CD-RW до 700 MB данных, DVD-R, DVD-RW до 4.7 GB данных).

Информация на магнитооптических накопителях типа CD-R, представляется чередованием углублений и пиков. Этот рельеф создается при производстве механическим путем. Информация наносится вдоль тонких дорожек. Считывание происходит путем сканирования дорожек лазерным лучом, который по-разному отражается от углублений и пиков.

На дисках, которые позволяют многократную перезапись, применяется магнитооптический принцип, в основу которого положено физическое свойство: коэффициент отражения лазерного луча от по-разному намагниченных участков диска с особым образом нанесенным магнитным покрытием различен.

Скорость записи\перезаписи таких носителей различна и зависит от характеристик самого привода и «болванки» диска. В настоящее время чаще встречаются приводы со скоростями записи\перезаписи 48х и 24х для CD-R/RW и 16х и 8х для DVD-R/RW соответственно.

Флэш-карты

Стоило компьютерам научиться обрабатывать массивы данных, появилась проблема, где и как хранить и переносить эти данные. Решений нашлось много – от бумажных перфокарт до магнитных лент и дисков. У каждой из технологий было множество своих плюсов и, как водится еще больше минусов.

Все мы склонны к лени, ищем наиболее приятные и комфортные условия, и не готовы идти на жертвы, если этого не требует мода. И поэтому, как только персональный компьютер потерял статус престижной и дорогой игрушки, пользователи все в более требовательной форме стали намекать производителям на неудобства обращения с ними.

Сегодня предмет нашего разговора – сменная память. К этой разновидности памяти пользователи предъявляют несколько скромных требований:

· Энергонезависимость – т.е. не нуждаться в батарейках, неожиданная разрядка которых приведет к потере информации.

· Надежность – не потерять данные под воздействием грозы, падении или при попадании в лужу.

· Компактной – чтобы не размышлять, а стоит ли тащить все это с собой.

· Долговечной – чтобы не бегать в магазин каждый месяц за новой, т.к. старая отслужила свой срок.

· Универсальной – совместимой со множеством устройств, в которых могут потребоваться данные.

Пятнадцать лет назад компания Toshiba придумала технологию энергонезависимой полупроводниковой памяти, которую она назвала флэш-памятью. Микросхемы, сохраняющие данные после отключения питания были известны и ранее (BIOS), но с такой памятью было связанно много неудобств: для записи требовались специальные устройства-программаторы, а, чтобы стереть информацию приходилось применять ультрафиолетовое облучение кристалла. Флэш-память позволяет записывать и стирать данные без таких сложностей, благодаря чему обладает неплохим быстродействием и, к тому же, достаточно надежна.

Вскоре чипы флэш-памяти стали встраивать в различные устройства, а на их основе были созданы флэш-карты, с помощью которых можно было транспортировать различные данные.

Модемы

В настоящее время существуют два вида модемов: аналоговые и цифровые (технология xDSL).

Аналоговые модемы более популярны из-за своей дешевизны и используются в основном для выхода в сеть Internet, и только иногда (из-за невысокой (до 56 Кбит/с) скорости передачи данных) для связи с другими ПК. Цифровые же модемы довольно дорогие и используются для высокоскоростных соединений с сетью Internet, либо для организации локальной сети на больших расстояниях (xDSL модемы позволяют передавать и принимать информацию со скоростью до 5Мбит/с на расстоянии 5-7 км).

Модемы имеют несколько типов соединений с ПК: COM, USB или (для цифровых модемов) посредством сетевой карты. Модем, соединение которого идет через COM-порт, требует дополнительного источника (блока) питания, а при соединении при помощи USB-порта потребность в блоке питания отпадает. xDSL-модемы также требуют дополнительного источника питания.

Глава 2. Компоненты персонального компьютера

2.1 Блок питания

Компьютерный блок питания — блок питания, предназначенный для снабжения узлов компьютера электрической энергией. В его задачу входит преобразование сетевого напряжения до заданных значений, их стабилизация и защита от незначительных помех питающего напряжения. Также, будучи снабжён вентилятором, он участвует в охлаждении системного блока.

Основным параметром компьютерного блока питания является максимальная мощность, потребляемая из сети. В настоящее время существуют блоки питания с заявленной производителем мощностью от 200 до 1600 Вт.

Компьютерный блок питания для сегодняшней платформы PC обеспечивает выходные напряжения ±5 ±12 +3,3В Вольт. В большинстве случаев используется импульсный блок питания.

Хотя абсолютное большинство чипов использует не более 5 Вольт, введение линии 12 Вольт дает использовать большую мощность (импульсный блок питания без 12 Вольт не может выдавать более 210 Ватт), которая нужна для питания жёстких дисков, оптических приводов, вентиляторов, а в последнее время и материнских плат, процессоров, видеоадаптеров, звуковых карт.

Всё вышесказанное относится к наиболее распространённым ныне блокам питания стандарта ATX, который начал использоваться во времена процессоров Intel Pentium. Ранее (начиная с компьютеров IBM PC/AT до платформ на базе процессоров до Socket 370 включительно) на PC-платформе использовались блоки питания стандарта AT. Существовали материнские платы с процессорными разъёмами Socket 7 и Socket 370, которые поддерживали блоки питания и AT, и ATX (так называемые двухстандартные платы).

Стандарт AT

В блоках питания стандарта AT выключатель питания находится в силовой цепи и обычно выводится на переднюю панель корпуса отдельным проводом, питание дежурного режима (как, впрочем, и напряжение +3,3 V) отсутствует. Как следствие, автоматическое включение и выключение компьютера в большинстве случаев невозможно. Однако почти все материнские платы стандарта АТ+ATX имели выход управления блоком питания, а блоки питания, в то же время, вход, позволящий материнской плате стандарта АТ управлять им(включать и выключать). Также, при наличии данного выхода схему управления можно было собрать самому, так как она очень проста.

Блок питания стандарта AT подключается к материнской плате двумя одинаковыми шестиконтактными разъёмами, включающимися в один 12-контактный разъём на материнской плате. К разъёмам от блока питания идут разноцветные провода, и правильным считается подключение, когда контакты разъёмов с чёрными проводами сходятся в центре разъёма материнской платы. Цоколёвка AT-разъёма на материнской плате следующая:

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
	-
PG	пустой	+12V	-12V	общий	общий	общий	общий	-5V	+5V	+5V	+5V

Как правильно подключить кабель питания к кнопке в корпусе AT? Следует подключить кабели так, чтобы при замыкании контактов соединялись:

Белый с коричневым, Чёрный с синим

ИЛИ Чёрный с коричневым, Белый с синим

НО НЕ! Чёрный с белым, Синий с коричневым

размеры для обычных компьютеров обычно 85*150 мм. стандартная "глубина" 138 мм. бп повышеной мощности часто бывают увеличеной глубины.

Стандарт ATX

Основные отличия блоков ATX от AT:

· наличие контакта Standby Voltage (фиолетовый), который позволяет запитывать устройства напряжением +5В (от 500mA). Именно это позволяет включать компьютер клавиатурой, из сети (Wake on LAN), а также от других периферийных устройств;

· наличие запускающего контакта Power Switch On (зелёный), который позволяет запускать блок питания.

Стандарт ATX v 1.x (20-контактный)

Блок питания стандарта ATX в настоящее время имеет несколько разъёмов, подключаемых к материнской плате. Основной разъём содержит 20 контактов, расположенных в 2 ряда. Цоколёвка приведена ниже, указаны типично используемые цвета.

номер	цвет провода		значение напряжения	Описание
1	оранжевый		+3.3V
2
3	чёрный		GND
4	красный		+5V
5	чёрный		GND
6	красный		+5V
7	чёрный		GND
8	серый		PWR_OK	Уровень логической единицы.
9	фиолетовый		+5V	Standby Voltage (от 500mA) - напряжение присутствует даже при отключенном блоке питания.
10	жёлтый		+12V
11	оранжевый		+3.3V
12	синий		−12V
13	чёрный		GND
14	зелёный		Power Switch On	Вход управления — при замыкании с GND БП включается, при размыкании - отключается
15	чёрный		GND
16
17
18	белый		−5V
19	красный		+5V
20	красный		+5V

Стандарт ATX12V 2.0 (24-контактный)

Считается, что стандарт создан для поддержки материнских плат с шиной PCI Express. Большинство материнских плат, работающих на ATX12V 2.0, поддерживают также блоки питания ATX v1.x (4 контакта остаются незадействованными).

Также повышены требования к +5VSB - теперь БП должен отдавать ток не менее 2А, перекосом выходный мощности: раньше основным был канал +5В, теперь были продиктованы требования по минимальному току +12В. Требования были обусловлены дальшейшим ростом мощности комплектующих(в основном, видеокарты), чьи требования не могли быть удовлетворены линиями +5В из-за очень больших токов в этой линии (Закон Ома). До введения этого стандарта, нередкими были случаи оплавления контакторв разъёма АТХ на материнских платах для процессоров AMD Athlon XP, вследствие их чрезмерного энергопотребления.

Расположение контактов на коннекторе блока питания

номер	цвет провода		значение напряжения	описание
1	оранжевый		+3.3V
2
3	чёрный		GND
4	красный		+5V
5	чёрный		GND
6	красный		+5V
7	чёрный		GND
8	серый		PWR_OK	Уровень логической единицы. Означает что блок питания закончил переходные процессы и напряжения на его выходе стабильны.
9	фиолетовый		+5V	Standby Voltage (min 2A) - напряжение присутствует даже при отключенном блоке питания.
10	жёлтый		+12V
11	жёлтый		+12V	Отсутствует в ATX v 1.x
12	оранжевый		+3.3V	Отсутствует в ATX v 1.x
13	оранжевый		+3.3V
14	синий		−12V
15	чёрный		GND
16	зелёный		Power Switch On	Вход управления — при замыкании с GND БП включается, при размыкании - отключается
17	чёрный		GND
18
19
20	белый		−5V
21	красный		+5V
22	красный		+5V
23	красный		+5V	Отсутствует в ATX v 1.x
24	чёрный		GND	Отсутствует в ATX v 1.x

Стандарт BTX

Стандарт BTX (Balanced Technology Extended) был разработан компанией Intel, и первый раз был представлен в 2003 году на Intel Developer Forum. Финальные спецификации были приняты 26 июля 2004 года (v 1.0). В 2006 году Intel прекращает продвижение стандарта BTX.

2.2 Материнская плата

Материнская плата — это сложная многослойная печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера (центральный процессор, контроллер ОЗУ и собственно ОЗУ, загрузочное ПЗУ, контроллеры базовых интерфейсов ввода-вывода). Как правило, материнская плата содержит разъёмы (слоты) для подключения дополнительных контроллеров, для подключения которых обычно используются шины USB, PCI и PCI-Express.

Основные компоненты, установленные на материнской плате:

· ЦПУ

· набор системной логики (англ. chipset ) — набор микросхем, обеспечивающих подключение ЦПУ к ОЗУ и контроллерам периферийных устройств. Как правило, современные наборы системной логики строятся на базе двух СБИС: «северного» и «южного мостов».

· Северный мост («англ. Northbridge »), MCH (Memory controller hub), системный контроллер — обеспечивает подключение ЦПУ к узлам, использующим высокопроизводительные шины: ОЗУ, графический контроллер.

Для подключения ЦПУ к системному контроллеру могут использоваться такие FSB-шины, как Hyper-Transport и SCI.

Обычно к системному контроллеру подключается ОЗУ. В таком случае он содержит в себе контроллер памяти. Таким образом, от типа применённого системного контроллера обычно зависит максимальный объём ОЗУ, а также пропускная способность шины памяти персонального компьютера. Но в настоящее время имеется тенденция встраивания контроллера ОЗУ непосредственно в ЦПУ (например, контроллер памяти встроен в процессор в AMD K8), что упрощает функции системного контроллера.

В качестве шины для подключения графического контроллера на современных материнских платах используется PCI Express. Ранее использовались общие шины (ISA, VLB, PCI) и шина AGP.

· Южный мост («англ. Southbridge »), ICH (I/O controller hub), периферийный контроллер — содержит контроллеры периферийных устройств (жёсткого диска, Ethernet, аудио), контроллеры шин для подключения периферийных устройств (шины PCI, PCI-Express и USB), а также контроллеры шин, к которым подключаются устройства, не требующие высокой пропускной способности (LPC — используется для подключения загрузочного ПЗУ; также шина LPC используется для подключения мультиконтроллера (англ. Super I/O ) — микросхемы, обеспечивающей поддержку «устаревших» низкопроизводительных интерфейсов передачи данных: последовательного и параллельного интерфейсов, контроллера клавиатуры и мыши).

Как правило, северный и южный мосты реализуются в виде отдельных СБИС, однако существуют и одночиповые решения. Именно набор системной логики определяет все ключевые особенности материнской платы и то, какие устройства могут подключаться к ней.

· ОЗУ

· загрузочное ПЗУ — хранит ПО, которое исполняется сразу после включения питания. Как правило, загрузочное ПЗУ содержит BIOS, однако может содержать и ПО, работающие в рамках EFI.

2.3 Процессор

Центральный процессор (CPU — central processing unit , дословно — центральное вычислительное устройство ) — исполнитель машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающий за выполнение операций, заданных программами.

Современные ЦП, выполняемые в виде отдельных микросхем (чипов), реализующих все особенности, присущие данного рода устройствам, называют микропроцессорами. С середины 1980-х последние практически вытеснили прочие виды ЦП, вследствие чего термин стал всё чаще и чаще восприниматься как обыкновенный синоним слова «микропроцессор». Тем не менее, это не так: центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем.

Изначально термин Центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.

Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и миникомпьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (интерфейсы, порты ввода/вывода, таймеры, и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретённого Джоном фон Нейманом.

Д. фон Нейман придумал схему постройки компьютера в 1946 году.

Важнейшие этапы этого процесса приведены ниже. В различных архитектурах и для различных команд могут потребоваться дополнительные этапы. Например, для арифметических команд могут потребоваться дополнительные обращения к памяти, во время которых производится считывание операндов и запись результатов. Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти.

Этапы цикла выполнения:

1. Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса, и отдаёт памяти команду чтения;

2. Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных, и сообщает о готовности;

3. Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её;

4. Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды;

5. Снова выполняется п. 1.

Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).

Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм полезной работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода — тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды останова или переключение в режим обработки аппаратного прерывания.

Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы.

Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой.

Конвейерная архитектура

Конвейерная архитектура (pipelining ) была введена в центральный процессор с целью повышения быстродействия. Обычно для выполнения каждой команды требуется осуществить некоторое количество однотипных операций, например: выборка команды из ОЗУ, дешифрация команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ, выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера. Например, конвейер микропроцессора с архитектурой MIPS-I содержит четыре стадии:

· получение и декодирование инструкции (Fetch)

· адресация и выборка операнда из ОЗУ (Memory access)

· выполнение арифметических операций (Arithmetic Operation)

· сохранение результата операции (Store)

После освобождения k -й ступени конвейера она сразу приступает к работе над следующей командой. Если предположить, что каждая ступень конвейера тратит единицу времени на свою работу, то выполнение команды на конвейере длиной в n ступеней займёт n единиц времени, однако в самом оптимистичном случае результат выполнения каждой следующей команды будет получаться через каждую единицу времени.

Действительно, при отсутствии конвейера выполнение команды займёт n единиц времени (так как для выполнения команды по прежнему необходимо выполнять выборку, дешифрацию и т. д.), и для исполнения m команд понадобится единиц времени; при использовании конвейера (в самом оптимистичном случае) для выполнения m команд понадобится всего лишь n + m единиц времени.

Факторы, снижающие эффективность конвейера:

1. простой конвейера, когда некоторые ступени не используются (напр., адресация и выборка операнда из ОЗУ не нужны, если команда работает с регистрами);

2. ожидание: если следующая команда использует результат предыдущей, то последняя не может начать выполняться до выполнения первой (это преодолевается при использовании внеочередного выполнения команд, out-of-order execution);

3. очистка конвейера при попадании в него команды перехода (эту проблему удаётся сгладить, используя предсказание переходов).

Некоторые современные процессоры имеют более 30 ступеней в конвейере, что увеличивает производительность процессора, однако приводит к большому времени простоя (например, в случае ошибки в предсказании условного перехода.)

Многоядерные процессоры

Содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (на одном или нескольких кристаллах).

Процессоры, предназначенные для работы одной копии операционной системы на нескольких ядрах, представляют собой высокоинтегрированную реализацию системы «Мультипроцессор».

Двухядерность процессоров включает такие понятия, как наличие логических и физических ядер: например двухядерный процессор Intel Core Duo состоит из одного физического ядра, которое в свою очередь разделено на два логических. Процессор Intel Core 2 Quad состоит из четырёх физических ядер, что существенно влияет на скорость его работы.

10 сентября 2007 года были выпущены в продажу нативные (в виде одного кристалла) четырёхьядерные процессоры для серверов AMD Quad-Core Opteron, имевшие в процессе разработки кодовое название AMD Opteron Barcelona. 19 ноября 2007 года вышел в продажу четырёхьядерный процессор для домашних компьютеров AMD Quad-Core Phenom. Эти процессоры реализуют новую микроархитектуру K8L (K10).

На данный момент массово доступны двух- и четырехядерные процессоры имеющем больший обьем кэша и рабочие частоты.

Компания AMD пошла по собственному пути, изготовляя четырехядерные процессоры единым кристаллом (в отличие от Intel, процессоры которой представляют собой фактически склейку двух двухядерных кристаллов). Несмотря на всю прогрессивность подобного подхода первый «четырёхядерник» фирмы, получивший название AMD Phenom X4, получился не слишком удачным. Его отставание от современных ему процессоров конкурента составляло от 5 до 30 и более процентов в зависимости от модели и конкретных задач.

На настоящий момент обе компании обновили свои линейки четырёхядерных процессоров. Intel представила семейство Core i, состоящее из трех моделей, работающих на разных частотах. Основными изюминками данного процессора является использование трехканального контроллера памяти (типа DDR-3) и технологии эмулирования восьми ядер (полезно для некоторых специфических задач). Кроме того, благодаря общей оптимизации архитектуры удалось значительно повысить производительность процессора во многих типах задач. Слабой сторной платформы, использующей Core i7 является её чрезмерная стоимость, так как для установки данного процессора необходима дорогая материнская плата на чипсете Intel-X58 и трехканальный набор памяти типа DDR3, также имеющий на данный момент высокую стоимость.

Компания AMD в свою очередь представила линейку процессоров Phenom II X4. При её разработке компания учла свои ошибки: был увеличен объем кэша (явно недостаточный у первого «Фенома»), а производство процессора было переведено на 45 нм техпроцесс, позволивший снизить тепловыделение и значительно повысить рабочие частоты. В целом AMD Phenom II X4 по производительности стоит вровень с процессорами Intel предыдущего поколения (ядро Yorkfield) и весьма значительно отстает от Intel Core i7. Однако, принимая во внимание умеренную стоимость платформы на базе этого процессора, его рыночные перспективы выглядят куда более радужно чем у предшественника.

Кэширование

Кэширование — это использование дополнительной быстродействующей памяти (кеш-памяти) для хранения копий блоков информации из основной (оперативной) памяти, вероятность обращения к которым в ближайшее время велика.

Различают кэши 1-, 2- и 3-го уровней (обозначаются L1, L2 и L3 — от Level 1, Level 2 и Level 3). Кэш 1-го уровня имеет наименьшую латентность (время доступа), но малый размер, кроме того кэши первого уровня часто делаются многопортовыми. Так, процессоры AMD K8 умели производить 64-бит запись + 64-бит чтение либо два 64-бит чтения за такт, AMD K8L может производить два 128-бит чтения или записи в любой комбинации, процессоры Intel Core 2 могут производить 128-бит запись + 128-бит чтение за такт. Кэш 2-го уровня обычно имеет значительно большие латентности доступа, но его можно сделать значительно больше по размеру. Кэш 3-го уровня самый большой по объёму и довольно медленный, но всё же он гораздо быстрее, чем оперативная память.

История развития процессоров

Первым общедоступным микропроцессором был 4-разрядный Intel 4004. Его сменили 8-разрядный Intel 8080 и 16-разрядный 8086, заложившие основы архитектуры всех современных настольных процессоров. Но из-за распространённости 8-разрядных модулей памяти был выпущен 8088, клон 8086 с 8-разрядной шиной памяти. Затем проследовала его модификация 80186. В процессоре 80286 появился защищённый режим с 24-битной адресацией, позволявший использовать до 16 Мб памяти. Процессор Intel 80386 появился в 1985 году и привнёс улучшенный защищённый режим, 32-битную адресацию, позволившую использовать до 4 Гб оперативной памяти и поддержку механизма виртуальной памяти. Эта линейка процессоров построена на регистровой вычислительной модели.

Параллельно развиваются микропроцессоры, взявшие за основу стековую вычислительную модель.

Современная технология изготовления

В современных компьютерах процессоры выполнены в виде компактного модуля (размерами около 5×5×0,3 см) вставляющегося в ZIF-сокет. Большая часть современных процессоров реализована в виде одного полупроводникового кристалла, содержащего миллионы, а с недавнего времени даже миллиарды транзисторов. В первых компьютерах процессоры были громоздкими агрегатами, занимавшими подчас целые шкафы и даже комнаты, и были выполнены на большом количестве отдельных компонентов.

В начале 1970-х годов благодаря прорыву в технологии создания БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем), микросхем, стало возможным разместить все необходимые компоненты ЦП в одном полупроводниковом устройстве. Появились так называемые микропроцессоры. Сейчас слова микропроцессор и процессор практически стали синонимами, но тогда это было не так, потому что обычные (большие) и микропроцессорные ЭВМ мирно сосуществовали ещё по крайней мере 10-15 лет, и только в начале 80-х годов микропроцессоры вытеснили своих старших собратьев. Надо сказать что переход к микропроцессорам позволил потом создать персональные компьютеры, которые теперь проникли почти в каждый дом.

Первый микропроцессор Intel 4004 был представлен 15 ноября 1971 года корпорацией Intel. Он содержал 2300 транзисторов, работал на тактовой частоте 108 кГц и стоил 300 долл.

За годы существования технологии микропроцессоров было разработано множество различных их архитектур. Многие из них (в дополненном и усовершенствованном виде) используются и поныне. Например Intel x86, развившаяся вначале в 32 бит IA32 а позже в 64 бит x86-64. Процессоры архитектуры x86 вначале использовались только в персональных компьютерах компании IBM (IBM PC), но в настоящее время всё более активно используются во всех областях компьютерной индустрии, от суперкомпьютеров до встраиваемых решений.

Также можно перечислить такие архитектуры как Alpha, POWER, SPARC, PA-RISC, MIPS (RISC — архитектуры) и IA-64 (EPIC-архитектура).

Большинство процессоров используемых в настоящее время являются Intel-совместимыми, то есть имеют набор инструкций и пр., как процессоры компании Intel.

Наиболее популярные процессоры сегодня производят фирмы Intel, AMD и IBM. Среди процессоров от Intel: 8086, i286 (в компьютерном сленге называется «двойка», «двушка»), i386 («тройка», «трёшка»), i486 («четвёрка»), Pentium («пень», «пенёк», «второй пень», «третий пень» и т. д. Наблюдается также возврат названий: Pentium III называют «тройкой», Pentium 4 — «четвёркой»), Pentium II, Pentium III, Celeron (упрощённый вариант Pentium), Pentium 4, Core 2 Duo, Xeon (серия процессоров для серверов), Itanium, Core i3, Core i5, Core i7 и др. AMD имеет в своей линейке процессоры x86, Duron, Sempron, Athlon, Athlon 64, Athlon 64 X2, Opteron и др.

Заключение

Вместе с развитием вычислительных систем, стремительно развиваются и другие отрасли цифрового мира. На сегодняшний день среди многообразия цифровых устройств можно встретить некоторые устройства, которые еще несколько лет назад не имели ни малейшего отношения к персональным компьютерам.

К таким устройствам можно отнести цифровые фотоаппараты.

Фотографии с таких фотокамер очень легко можно перенести на компьютер, при наличии USB-кабеля.

При помощи компьютера можно загружать различные картинки или понравившиеся мелодии в современные мобильные телефоны.

Свою маленькую домашнюю киностудию несложно сделать, если дома есть компьютер и цифровая видеокамера.

С каждым днем цифровые технологии все больше входят в нашу жизнь. Я считаю, что в недалеком будущем различные цифровые устройства станут неотъемлемой частью обихода каждого человека.

Список литературы

1. Могилев А.В. Практикум по информатике [Текст]: учеб. пособие / А.В. Могилев, Н.И. Пак, Е.К. Хеннер. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - ISBN: 5-7695-2247-Х.

2. Норенков И.П. Телекоммуникационные технологии [Текст]: учеб. пособие / И.П. Норенков, В.А. Трудоношин. - М: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. - ISBN: 5-7038-1564-9.

3. Гинзбург А. Периферийные устройства: принтеры, сканеры, цифровые камеры / А. Гинзбург, М. Милчев, Ю. Солоницын. - СПб.: Питер, 2001. - 444 с. - ISBN 5-272-00352-7.

4. Лыскова В.Ю. Логика в информатике [Текст]: Метод. пособие / В.Ю. Лыскова, Е.А. Ракитина. - М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001. - 160 с. - ISBN 5-93208-105-8.

5 . А. Жигарев. Основы компьютерной грамоты [Текст]: Метод. пособие / А. Жигарев, Наталия Макарова, М. Путинцева. - М.: Машиностроение, 1987. - 256 с. - ISBN 5-217-000657-9.

6. Энди Ратбон. Модернизация и ремонт ПК для чайников [Текст]: Метод. пособие /Энди Ратбон. - М.: Вильямс, 2014. - 384 с. - ISBN 978-0-470-12102-3.

7. Евгений Рудометов. Современное железо [Текст]: Метод. пособие / Евгений Рудометов. - М.: БХВ-Петербург, 2001. - 464 с. - ISBN 978-5-9775-0456-0.

8. Сергей Глушаков. Персональный компьютер [Текст]: Метод. пособие / Сергей Глушаков, Игорь Мельников. - М.: Фолио, Феникс, 2000. - 520 с. - ISBN 966-03--0964-3.

9. Алекс Экслер. Из чего состоит компьютер [Текст]: Метод. пособие / Алекс Экслер. - М.: НТ Пресс, 2005. - 184 с. - ISBN 5-477-00005-8.

10. Юрий Беньяш. Персональный компьютер [Текст]: Метод. пособие / Юрий Беньяш. - М.: Горячая Линия - Телеком, 2000. - 580 с. - ISBN 5-93517-036-1.

11. Антон Трасковский. Устройство, модернизация, ремонт IBM PC [Текст]: Метод. пособие / Антон Трасковский. - М.: БХВ-Петербург, 2003. - 608 с. - ISBN 5-94157-273-5.

12. Валентин Соломенчук. Железо ПК 2011 [Текст]: Метод. пособие / Валентин Соломенчук, Павел Соломенчук. - М.: БХВ-Петербург, 2011. - 384 с. - ISBN 978-5-9775-0670-0.