Архитектура современного ПК

Содержание:

Введение

Компьютеры прошли долгую историю своего развития, пока не начали носить имя «персональные». Первые компьютеры представляли массивные структуры, размер которых мог соизмеряться с размером жилого дома. Но с развитием микроэлектроники и нанотехнологий их компоненты стали уменьшаться в размерах, тем самым уменьшались размеры и самого компьютера, что делало последних более доступными для обычных слоев населения. Так и появилось широко известное понятие «ПК» и наиболее привычный предмет домашнего обихода.

Персональный компьютер (ПК) – это настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения. ПК стал обязательным атрибутом в любом современном офисе. Экономист-профессионал XXI века должен обладать обширными знаниями в области информатики, иметь практические навыки по использованию современной вычислительной техники, систем связи и передачи информации, средств оргтехники, знать основы и перспективы развития новых информационных технологий, уметь оценивать информационные ресурсы для принятия оптимальных управленческих решений. Профессионалы, работающие вне компьютерной сферы, считают непременной составляющей своей компетентности знание аппаратной части персонального компьютера, хотя бы его основных технических характеристик.

Вместе с тем необходимо учитывать, что неотъемлемой частью профессиональной деятельности современного специалиста управления является его взаимодействие со специалистами в области компьютерных технологий. В этом плане важным фактором эффективности их взаимодействия являются владение специалистами управления основной терминологией компьютерной сферы деятельности, понимание реальных возможностей и особенностей применения компьютерных технологий, умение четко формулировать свои требования как пользователей к подобным компьютерным системам.

Цель: изучение архитектуры современного ПК, рассмотрение основных компонентов архитектуры современного ПК, их предназначения, работу взаимосвязи и взаимодействия, обеспечивающих эффективную работу ПК, рассмотреть перспективы развития персональных компьютеров.

Актуальность выбранной темы связана с тем, что современный рынок компьютерной техники столь разнообразен, что довольно не просто определить конфигурацию ПК с требуемыми характеристиками. Без специальных знаний здесь практически не обойтись.

1. Архитектура современного персонального компьютера

Архитектура компьютера обычно определяется совокупностью ее свойств, существенных для пользователя. Основное внимание при этом уделяется структуре и функциональным возможностям машины, которые можно разделить на основные и дополнительные.

Основные функции определяют назначение ЭВМ: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами.

Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций: обеспечивают эффективные режимы ее работы, диалог с пользователем, высокую надежность и др. Названные функции ЭВМ реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных средств.

Структура компьютера – это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.

Компьютер, как и человек, представляет собой систему, в которой уживаются «тело» и «душа».

«Тело» компьютера - это его «железная» аппаратная часть (hardware). Аппаратные средства современных ПК представляют собой совокупность электронных, электромагнитных и электронно-оптических устройств. Каждое устройство может выполнять определенный набор действий (функций). Какое именно действие из набора возможных выполняется в данный момент, определяется комбинацией входных управляющих электрических сигналов. Такая комбинация называется командой.

«Душа» - это оживляющие эту «груду железа» прикладные и системные программы (software).

Достоинствами ПК являются:

• малая стоимость, находящаяся в пределах доступности для индивидуального покупателя;
• автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;
• гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;
• «дружественность» операционной системы и прочего программного обеспечения, обусловливающая возможность работы с ней пользователя без специальной профессиональной подготовки;

ПК с технической точки зрения можно определить как единую систему, представляющую собой набор сменных компонентов, соединенных между собой стандартными интерфейсами. Компонентом здесь выступает отдельный узел (устройство), выполняющий определенную функцию в составе системы. Интерфейсом называют стандарт присоединения компонентов к системе. В качестве такового служат разъемы, наборы микросхем, генерирующих стандартные сигналы, стандартный программный код.

В компьютерной индустрии существует набор однотипных компонентов с разными функциональными возможностями (и, соответственно, с разной стоимостью), включаемых в систему по единому интерфейсу. Полное описание набора и характеристик устройств, составляющих данный компьютер, называется конфигурацией ПК.

Существует «минимальная» конфигурация ПК, т.е. минимальный набор устройств, без которых работа ПК становится бессмысленной. Это – системный блок, монитор, клавиатура, мышь. Обычно под набором комплектующих, объединенных понятием «типовой персональный компьютер», понимают следующий их состав: корпус с блоком питания; системная (материнская) плата; процессор; оперативная память; видеоконтроллер; монитор; жесткий диск; клавиатура; мышь; дисковод CD-ROM; дисковод гибких дисков; звуковая карта.

2. Основные блоки персонального компьютера. Состав и их значение

Наиболее важными компонентами любого ПК, обусловливающими его основные характеристики, являются: микропроцессор, системная (материнская) плата, интерфейс.

Микропроцессор (МП, Central Processing Unit (CPU)) – функционально законченное программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем и находящуюся внутри системного блока и установленную на материнской плате. МП – это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

Рисунок 1 Микропроцессор

В состав микропроцессора входят:

• устройство управления (УУ) - формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов;
• арифметико - логическое устройство (АЛУ) - предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор);
• микропроцессорная память (МПП) - служит для кратковременного характера, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины.

Выбор конфигурации ПК начинается с выбора системной платы. На материнской плате размещаются:

• процессор - основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций;

Рисунок 2 Центральный процессор

• шины - наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;
• оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) или RAM (random access memory) – служит для оперативного хранения программ и данных, сохраняемых только на период работы ПК. Она энергозависима, при отключении питания информация теряется.

Рисунок 3 ОЗУ

• ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) или ROM (read only memory), которое содержит - постоянную информацию, сохраняемую даже при отключенном питании, которая служит для тестирования памяти и оборудования компьютера, начальной загрузки ПК при включении. Запись на специальную кассету ПЗУ происходит на заводе фирмы-изготовителя ПК и несет черты его индивидуальности. Объем ПЗУ относительно невелик - от 64 до 256 Кб.

Рисунок 4. Чип ПЗУ

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

Рисунок 5 Чипсет

• разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты).

Рисунок 6 Слоты

При выборе материнской платы необходимо учитывать следующие ее характеристики: 

• возможные типы используемых МП с учетом их рабочих частот;
• число и тип разъемов системной шины;
• базовый размер платы;
• возможность наращивания оперативной и кэш-памяти (имеет малое время доступа, служит для временного хранения промежуточных результатов и содержимого наиболее часто используемых ячеек ОП и регистров МП).
• возможность обновления базовой системы ввода-вывода (BIOS).

Интерфейс – совокупность средств сопряжения и связи, обеспечивающая эффективное взаимодействие систем или их частей. Все интерфейсы можно разделить на:

• внутримашинный - система связи и сопряжения узлов и блоков. Представляет собой совокупность электрических линий связи (проводов), схем сопряжений с компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразований сигналов. Существует  два варианта организации внутримашинного интерфейса: многосвязной интерфейс (каждый блок ПК связан с прочими блоками своими локальными проводниками, интерфейс применяется, как правило, только в простейших бытовых ПК) и односвязной интерфейс ( все блоки ПК связаны друг с другом через общую или системную шину).
• внешний – обеспечивает связь ПК с внешними (периферийными) устройствами и другими ПК.

В подавляющем большинстве современных ПК в качестве системного интерфейса используется системная шина.

Системная шина находится непосредственно на материнской плате. Функционально системная шина предназначена для передачи информации между МП и остальными компонентами ПК. По шине проходит не только обмен информацией, но и передача адресов, служебных сигналов. Шина характеризуется типом, разрядностью (это максимальное количество одновременно передаваемой информации), частотой (кол-во циклов срабатывания шины в единицу времени) и количеством подключаемых внешних устройств. Основных шин три:

• Шина данных (ШД). По ней данные передаются между различными устройствами в любом направлении. Разрядность шины определяется разрядностью МП, т.е. количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или передаваться МП одновременно. Разрядность МП постоянно увеличивается по мере развития компьютерной техники.
• Шина адреса (ША). Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес, который передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении - от МП к оперативной памяти и устройствам. Разрядность шины постоянно увеличивается и в современных ПК составляет 36 бит.
• Шина управления (ШУ). По ней передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают какую операцию, считывание или запись информации из памяти нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами.

В качестве системной шины в разных ПК использовались и могут использоваться:

• шины расширений - шины общего назначения, позволяющие подключать большое число самых разнообразных устройств;
• локальные шины, специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса и используются для увеличения производительности системы;
• периферийные шины, обеспечивают связь центральных устройств машины с внешними устройствами (дисковые накопители, клавиатура, мышь, сканер и др.)

3. Внутренние устройства персонального компьютера

В корпусе системного блока заключено большинство элементов отвечающих за работу компьютера. Внутри системного блока размещена материнская плата, на которой установлены: процессор, модуль оперативной памяти, видеокарта и другие карты расширения.

С помощью специального шлейфа к материнской плате подключены жесткий диск, привод компакт-дисков, картридер и дисковод. Подробнее о внутренних устройствах:

• Материнская плата – это большая печатная плата, которая содержит слоты (гнезда) для установки важнейших компонентов компьютера и периферийных устройств. Служит  логической и электрической основной для всех компонентов компьютера.

Рисунок 7 Материнская плата

• Процессор – это главная аппаратная составляющая компьютера, представляет собой микросхему, которая имеет определенное количество контактов, расположенных в строгой последовательности, совпадающей с конфигурацией гнезда на материнской плате. Для предотвращения перегревания процессора на него устанавливается кулер – это устройство, состоящее из радиатора и вентилятора, обеспечивающее охлаждение процессора во время работы.
• Оперативная память – это быстрое запоминающее устройство, связанное с процессором и предназначенное для временного хранения данных и команд с последующей передачей их процессору для обработки. Модуль ОП представляет собой микросхему выполненную в виде планки, которая устанавливается в специальный слот на материнской плате. Таких слотов может быть несколько, что позволяет увеличивать объем памяти путем установки дополнительных планок.

Карты расширения – это устройства, выполненные в виде печатных плат, которые устанавливаются в специальные шины на материнской плате для обеспечения компьютера дополнительными возможностями. Это может быть видеокарта, звуковая карта, сетевая карта, модем, ТВ-тюнер.

• Видеокарта предназначена для обработки видеоданных, находящихся в памяти компьютера, и передачи изображения на монитор. На металлическую планку выведены разъемы для подключения монитора. Звуковая карта является устройством вывода звукового сигнала на устройство вывода, колонки, наушники и др. Чаще всего, звуковая карта бывает встроенная в материнскую плату, но её можно установить и отдельную. Сетевая плата используется для выхода подключения компьютера к интернету или соединения компьютеров в локальную сеть, обычно она интегрирована в материнскую плату.

Рисунок 8 Видеокарта

Рисунок 9 Звуковая карта

• Блок питания устанавливается в специальный отсек в корпусе системного блока для обеспечения электропитания всех компонентов компьютера.
• Жесткий диск – это основное устройство для хранения данных.Свое название оно получило, потому что запись информации происходит на жесткие алюминиевые диски, покрытые слоем ферромагнитного материала. Для установки жесткого диска в корпусе системного блока имеется специальный отсек, прилегающий с внутренней стороны к передней панели системного блока. Жесткий диск иногда называют аббревиатурой НМЖД (Накопитель на жёстких магнитных дисках), часто говорят «винчестер», а на английском языке hard disk drive или HDD.

Рисунок 11 Жесткий диск

• Оптический привод (DVD-привод, optical disc drive или ODD) нужен для чтения и записи DVD и CD дисков. Как и жесткий диск, оптический привод устанавливается в специальный отсек системного блока.

Рисунок 12 Оптический привод

• Дисковод гибких дисков (флоппи диск) – устройство предназначенное для чтения и записи дискет. Прорезь для дискеты находится на передней панели корпуса системного блока. Дискета представляет собой гибкую пластинку, заключенную в пластиковый корпус. На сегодняшний день этот носитель практически не используется.

Рисунок 13 Флоппи дисковод

Современные компьютеры комплектуются еще и картридерами. Это устройство для чтения карт памяти, оно имеет несколько разъемов для различных карт.

Рисунок 14 Картридер

4. Внешние устройства персонального компьютера

Внешние (периферийные) устройства персонального компьютера составляют важнейшую часть любого вычислительного 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;

Рисунок 15 Дигитайзер

• 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);

Рисунок 16 Трекбол

Рисунок 17 Световое перо

• сенсорные экраны — для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в компьютер.

К устройствам вывода информации относятся:

• Монитор - устройство визуального представления данных. Это не единственно возможное, но главное устройство вывода. Его основными потребительскими параметрами являются: размер и шаг маски экрана, максимальная частота регенерации изображения, класс защиты.
• графопостроители (плоттеры) — для вывода графической информации на бумажный носитель;

Рисунок 18 Плоттеры

• 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 принтеры 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 мельчайшие капельки чернил. Матрица печатающей головки обычно содержит от 12 до 64 сопел. В настоящее 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.