История развития персонального компьютера

Введение

В настоящее время уровень развития информационно-технических средств обработки, хранения и передачи информации развит настолько, что их использование встречается практически во всех сферах деятельности человека. Современные условия развития общества требуют от специалистов быстрого поиска и принятия правильных решений сложившихся задач. Основным средством, выступающим в роли помощника, в подобных случаях является компьютер.

Однако для нормальной работы необходимо чётко и ясно представлять, из чего состоит компьютер.

1. История развития персонального компьютера.

Слово «компьютер» означает «вычислитель», т.е. многофункциональное электронное автоматическое устройство для накопления, обработки и передачи информации. Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно. Тысячи лет назад для счета использовались счетные палочки, камешки и т.д. Потом для облегчения вычислений были придуманы счеты.

В 1642 г. Блез Паскаль изобрел устройство, которое механически выполняло сложение чисел, а вскоре после него в 1673 г., Готфрид Вильгельм Лейбниц сконструировал арифмометр, с помощью которого можно выполнять все  четыре арифметических действия. Начиная с XIX в. арифмометры получили очень широкое распространение, на них стали выполнять даже достаточно сложные расчеты. Появилась и специальная профессия — счетчик, т.е. человек, работающий с арифмометром, быстро и точно выполняющий определенную последовательность инструкций (такую последовательность позже стали называть программой). Однако многие расчеты все равно производились очень медленно, десятки счетчиков должны были работать по нескольку недель. Причина этого в том, что при таких расчетах выбор выполняемых действий и запись результатов производились все-таки человеком.

В первой половине XIX в. английский математик Чарльз Бэббидж попытался построить универсальное вычислительное устройство — Аналитическую машину, которая должна была работать без участия человека. Для этого она должна была уметь исполнять программы, которые вводились с помощью перфокарт - карт из плотной бумаги, информация на которые наносилась с помощью отверстий, и иметь «склад» для запоминания данных (память). Однако Бэббидж не смог довести свою работу до конца, для техники того времени она оказалась слишком сложной. Однако он разработал все основные идеи, и в 1943 г. американец Говард Эйкен на основе его работ смог построить на одном из предприятий IBM такую машину под названием «Марк - 1». Еще раньше, в 1941 г., немец Цузе построил аналогичную машину.

С 1943 г. группа специалистов стала конструировать такие компьютеры, однако для того, чтобы задать им программу, приходилось в течение нескольких часов подключать нужные провода. Поэтому были сконструированы новые машины, которые могли хранить программы в своей памяти.

Компьютеры 40-х и 50-х годов были очень большими устройствами- огромные помещения были заставлены шкафами с электронным оборудованием. Они стоили чрезвычайно дорого, поэтому были доступны только крупным компаниям и учреждениям. Однако началась борьба за покупателей, и фирмы, производившие компьютеры и электронные оборудования для них, стали стремиться сделать свою продукцию быстрее, компактнее и дешевле. Современные компьютеры- результат этой многолетней работы.

Уменьшение размеров компьютера стало возможным с изобретением в 1948 г. Транзисторов - миниатюрных электронные приборов, которые заменили в компьютерах электронные лампы. Поэтому во второй половине 50-х годов появились компьютеры, основанные на транзисторах, в сотни раз меньше ламповых компьютеров той же производительности. К середине 60-х годов появились и значительно более компактные внешние устройства для компьютеров, что позволило выпустить в 1965 г. Первый мини-компьютер размером с холодильник и стоимостью 20 тыс. долларов. Нок этому времени были изобретены интегральные схемы, которые позволили сделать машину еще меньше.

В 1959 г. Роберт Нойс, будущий основатель фирмы INTEL изобрел электронные интегральные схемы (чипы), в которых на одной пластине были собраны и транзисторы, и все необходимые соединения между ними. В 1968 г. Был выпущен первый компьютер на интегральных схемах.

Следующий шаг к персональному компьютеру был сделан, когда была сконструирована интегральная схема, аналогичная по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ, его мозгу. Так появился первый микропроцессор.

В конце 70-х годов началось распространение персональных компьютеров. Поэтому фирма IBM, выпускавшая большие ЭВМ, решила попробовать свои силы на рынке ПК. В 80-е годы компьютеры фирмы IBM стали самыми популярными у покупателей. Однако сейчас эта фирма оказалось не монополистом в выпуске разработанных ею компьютеров. Сейчас большинство компьютеров делается в Юго-Восточной Азии.

2. Структура персонального компьютера.

Все многообразие персональных компьютеров можно поделить на три основные группы:

1. Стационарные персональные компьютеры;
2. Мобильные персональные компьютеры (ноутбуки);
3. Карманные персональные компьютеры (КПК, коммуникаторы, смартфоны).

Современные персональные компьютеры обычно состоят из следующих основных блоков:

• Системный блок;
• Дисплей (монитор);
• Клавиатура;
• Манипулятор (мышь);
• Периферийные устройства.

1. Системный блок.

Основной частью любого компьютера является системный блок. Внутри него расположены блок питания, системная плата с центральным процессором (ЦП), видеоадаптер, жесткий диск, дисководы гибких дисков и другие устройства ввода/вывода информации. Зачастую видеоадаптер и контроллеры ввода/ вывода размещены прямо на плате ЦП. В системном блоке могут размещаться средства мультимедиа: звуковая плата и устройство чтения оптических дисков - CD-ROM. Кроме того, в понятие “компьютер” входит клавиатура, мышь и монитор.

Системный блок состоит из следующих деталей:

Материнская плата (системная плата) – это плата, по средствам которой центральный процессор получает электропитание, а также доступ к оперативной памяти и прочим устройствам системы.

К материнской плате подключаются следующие устройства:

• Центральный процессор – устройство, выполняющее программы на персональном компьютере. ЦП – это сердце и мозг компьютера, центральный элемент, определяющий скорость его работы (производительность). На первый взгляд процессор - просто выращенный по специальной технологии кристалл кремния, который содержит в себе множество отдельных элементов - транзисторов, которые в совокупности и наделяют компьютер способностью "думать".

Процессор состоит из следующих компонентов:

• Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – выполняет логические и арифметические операции (сложение, вычитание, умножение, деление) и операции программной логики (сравнение, условный переход, повторение).

Арифметико-логическое устройство может работать только с регистрами процессора;

• Устройство управления – контролирует последовательность выполнения команд программы размещенной в оперативной и кэш-памяти.

Устройство управления может обмениваться информацией с различными устройствами компьютера;

• Регистры процессора – специальный вид памяти, небольшого объема, необходимый для временного хранения данных с которым работает процессор;
• Кэш-память процессора – оперативная память процессора, в которой хранятся часто вызываемые фрагменты программ и часто используемые ими данные.

Кэш-память процессора имеет значительно меньший объем, но зато работает в разы быстрее обычной оперативной памяти. Она необходима для увеличения производительности процессора;

• И другие.

Основные параметры процессора.

1. Скорость работы. Общепринятым показателем скорости процессора служит его рабочая частота, измеряемая в МГц.
2. Поколение - скорость работы процессора зависит не только от его тактовой частоты, но и от поколения, к которому принадлежит процессор. Уже сменилось свыше 7 поколений процессоров фирмы Intel: 8088, 286, 386, 486, Pentium, Pentium II, Pentium III, AMD Athlon II X4, Phenom II X4, Intel Core i3, Core i5, Core i7. Каждое поколение процессоров отличается не просто скоростью, но ещё и формой, внешним видом и внутренним устройством.
3. Архитектура процессора. Кэш-память, в неё компьютер помещает все часто используемые данные. Кэш-памятей на компьютере несколько. Одна - самая быстрая и маленькая, встроена непосредственно в процессор. Это - кэш-память первого уровня. Есть ещё более медленная, но зато гораздо большая по размеру: кэш-память 2-го уровня. Именно кэш-память едва ли не самый дорогой элемент процессора.
4. Форм-фактор. Процессоры разных поколений отличаются типом разъёма на материнской плате.

Для нормальной работы процессора нужно охлаждение – кулер.

• 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;
• Устройство системного времени – необходимо для работы программ и процессора с системным временем;
• Видеокарта – данная карта (плата) предназначена для обработки и вывода графической информации на дисплей персонального компьютера.

Совместно с монитором видеокарта образует видеоподсистему персонального компьютера. Видеокарта не всегда была компонентом ПК. На заре развития персональной вычислительной техники в общей области оперативной памяти существовала небольшая выделенная экранная область памяти, в которую процессор заносил данные, изображении. Специальный контроллер экрана считывал данные об яркости отдельных точек экрана из ячеек памяти этой области и в соответствии с ними управлял разверткой горизонтального луча электронной пушки монитора.

С переходом от черно-белых мониторов к цветным и с увеличением разрешения экрана (количества точек по вертикали и горизонтали) области видеопамяти стало недостаточно для хранения графических данных, а процессор перестал справляться с построением и обновлением изображения. Тогда и произошло выделение всех операций, связанных с управлением экраном, в отдельный блок, получивший название видеоадаптер. Физически видеоадаптер выполнен в виде отдельной дочерней платы, которая вставляется в один из слотов материнской платы и называется видеокартой. Видеоадаптер взял на себя функции видеоконтроллера, видеопроцессора и видеопамяти.

Если видеокарта не является встроенной в материнскую плату – она имеет свой процессор и оперативную память, в противном случае выводом графической информации занимается материнская плата, используя для этого ресурсы центрального процессора и основной оперативной памяти.

• Слоты – разъемы для подключения дополнительных устройств.
• Звуковая карта – данная карта (плата) предназначена для ввода/вывода звуковой информации через микрофон и динамики соответственно.

Звуковая карта, также, может быть встроена в материнскую плату.

• Оперативная память (ОЗУ, оперативное запоминающее устройство) – устройство необходимое для временного хранения выполняемых программ и данных, с которыми эти программы взаимодействуют. Поскольку в любой момент времени доступ может осуществляться к произвольно выбранной ячейке, то этот вид памяти называют также памятью с произвольной выборкой - RAM (Random Access Memory).
• Системные накопители информации – устройства необходимые для долговременного хранения информации. Постоянная память имеет собственное название - ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, что ею обеспечиваются только режимы считывания и хранения.

В отличии от оперативной памяти, данные сохраненные на таких накопителях не исчезают в отсутствии электропитания.

В стационарных персональных компьютерах и ноутбуках в качестве системных накопителей используются жесткие магнитные диски («винчестер», Hard Disk Drive, HDD).

Жесткий диск — основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ. На самом деле это не один диск, а группа соосных дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой скоростью. Таким образом, этот «диск» имеет не две поверхности, как должно быть у обычного плоского диска, а 2n поверхностей, где n - число отдельных дисков в группе.

Для пользователя накопители не жёстком диске отличаются друг от друга прежде всего своей ёмкостью, т.е. тем, сколько информации помещается на диске.

Скорость работы диска характеризуется двумя показателями:

1. Временем доступа к данным на диске.

2. Скоростью чтения и записи данных на диск

Разработчики персональных компьютеров в будущем планируют заменить жесткие диски флэш-памятью, т.к. флэш-память надежнее жестких дисков, ее относительный объем с каждым годом неуклонно растет, скорость чтения/записи постоянно возрастает, а цена на нее неизбежно падает. Устройства, имеющие системные накопители информации на основе флэш-памяти, не боятся магнитных полей и вибрации, расходуют существенно меньше энергии из-за отсутствия магнитных дисков и необходимости их вращения, а из-за отсутствия трущихся деталей они более надежны и долговечны.

CD-ROM. Принцип работы дисковода напоминает принцип работы обычных дисководов для гибких дисков. Поверхность оптического диска (CD-ROM) перемещается относительно лазерной головки постоянной линейной скоростью,  а угловая скорость меняется в зависимости от радиального положения головки. Луч лазера направляется на дорожку, фокусируясь при этом с помощью катушки. Луч проникает сквозь защитный слой пластика и попадает на отражающий слой алюминия на поверхности диска. При попадании его на выступ, он отражается на детектор и проходит через призму, отклоняющую его на светочувствительный диод. Если луч попадает в  ямку он рассеивается и лишь малая часть излучения отражается обратно и доходит до светочувствительного диода. На диоде световые импульсы преобразуются в электрические, яркое излучение преобразуется в нули слабое - в единицы. Таким образом ямки воспринимаются дисководом как логические нули, а гладкая поверхность как логические единицы.

Производительность дисководов CD-ROM. Производительность CD-ROM обычно определяется его скоростными характеристиками при непрерывной передаче данных в течение некоторого промежутка времени и средним временем доступа к данным, измеряемыми соответственно в Кбайт/с и мс. Существуют одно-, двух-, трех-, четырех-, пяти, шести и восьмискоростные дисководы, обеспечивающие считывание данных со скоростью 150, 300, 450, 600, 750, 900, 1200 Кбайт/с соответственно. В настоящий момент распространены двух- и четырехскоростные дисководы. В общем случае дисководы с четырехкратной скоростью обладают более высокой производительностью, однако оценить чистое преимущество дисковода с четырехкратной скоростью по сравнению с дисководом с удвоенной скоростью бывает не так просто. Прежде всего это зависит от того с какой операционной системой и с каким типом приложения ведется работа.

Для повышения производительности дисководов их снабжают буферной памятью (стандартные объемы КЭШа: 64, 128, 256, 512, 1024 Кбайт). Буфер дисковода представляет собой память для кратковременного хранения данных, после считывания их с CD-ROM, но до пересылки в плату контролера, а затем в ЦП. Такая буферизация дает возможность дисковому устройству передавать данные в процессор небольшими порциями, а не занимать его время медленной пересылкой постоянного потока данных. Например, согласно требованиям стандарта MPC уровня 2 накопитель CD-ROM удвоенной скоростью должен занимать не более 60% ресурсов ЦП.

Важной характеристикой дисковода является степень заполнения буфера, которая влияет на качество воспроизведения анимационных изображений и видеофильмов. Эта величина определяется как отношение числа блоков данных, переданных в буфер из накопителя и хранящихся в нем до момента начала их выдачи на системную шину, к общему числу блоков, которые способен вмещать буфер. Слишком большая степень заполнения может привести к задержкам при выдаче из буфера на шину; с дугой стороны, буфер со слишком малой степенью заполнения будет требовать больше внимания со стороны процессора. Обе эти ситуации приводят к скачкам и срывам изображения во время воспроизведения.

      Дискеты. Любой компьютер (предназначенный для серьезной работы) оснащен так называемыми устройствами внешней памяти. К этим устройствам относятся в первую очередь накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) и накопители на жестких магнитных дисках (НМД).

Устройства внешней памяти предназначены для долговременного хранения информации. НГМД и НМД относятся к дисковым магнитным устройствам памяти, так как информация в этих устройствах записывается на вращающихся дисках, покрытых магнитным материалом, напоминающем покрытие лент обычных аудио- и видеокассет. И хотя по своему составу магнитное покрытие, используемое в дисковых накопителях, отличается от покрытия обычных бытовых магнитных лент, в них используется аналогичный принцип записи информации.

В обычных бытовых магнитофонах на магнитную ленту записывается аналоговый сигнал непосредственно с микрофона, проигрывателя пластинок, компакт-дисков или другого источника. Компьютер записывает на магнитные диски биты информации. Если надо записать несколько байт данных, все биты этих байтов записываются последовательно на одну дорожку.

Дорожки образуют на магнитных дисках концентрические круги. Блок специальных магнитных головок перемещается по радиальной оси к центру или от центра диска, прочерчивая по поверхности диска воображаемые круги. Компьютер может произвольно устанавливать блок магнитных головок на любую дорожку диска, однако сами данные на дорожке просматриваются компьютером последовательно по мере вращения  диска. Конструктивно НГМД выполнен таким образом, что вы можете менять установленные в нем магнитные диски. Такие сменные магнитные диски называются гибкими магнитными дисками или флоппи-дисками (их также называют дискетами) и расположены в специальном картонном конверте, защищающем их от повреждения.

Флоппи-диски нельзя подвергать нагреву, располагать вблизи сильных электромагнитных полей (понятно почему - информация будет стерта). Для лучшей сохранности данных старайтесь держать дискеты подальше от сильных магнитов и видеомонитора. Нельзя также касаться пальцами поверхности диска, так как вы можете загрязнить ее жиром, который всегда есть на коже.

В настоящее время используются флоппи-диски двух типов - диаметром 5,25. В зависимости от конструкции диска и материала магнитного покрытия вы можете записать на флоппи-диск от 360 Кбайт до 2,88 Мбайт данных. Больше всего распространены флоппи-диски диаметром 3,5" и емкостью 1,44 Мбайт, диаметром 5,25" и емкостью 1,2 Мбайт, а также диаметром 5,25" и емкостью 360 Кбайт.

Емкость флоппи-дисков можно определить из обозначения на коробке.

Сетевая карта – данная карта (плата) предназначена для соединения компьютеров в локальную и/или глобальную сеть.

Радио-модуль Bluetooth – устройство необходимое для передачи данных между различными устройствами, поддерживающими данную технологию, среди которых:

• Мобильные телефоны;
• Беспроводные гарнитуры для мобильных телефонов, коммуникаторов и смартфонов;
• Беспроводная мышь и клавиатура;
• И другое.

Далеко не все разновидности указанных устройств поддерживают данную технологию.

С помощью двух и более компьютеров имеющих данные радио-модули можно организовать беспроводную локальную сеть. Также применяя Bluetooth можно, к примеру, использовать GPRS-модем мобильного телефона для выхода в Интернет через персональный компьютер (только при наличии указанных технических возможностей в мобильном телефоне).

Рекомендуемое расстояние между радио-модулями Bluetooth не должно превышать 10-ти метров.

Обычно в стационарных персональных компьютерах и ноутбуках идет как внешнее устройство.

Инфракрасный порт (ИК-порт, IrDA) – необходим для передачи данных между устройствами, посредствам инфракрасных лучей, невидимых человеком.

Для передачи данных, эти устройства (ИК-порты) должны находиться в пределах прямой видимости и на расстоянии не более 1-го метра.

Технология Bluetooth постепенно вытесняет технологию IrDA, из-за своей надежности и относительно большой скорости передачи данных.

ИК-порт не встраивается в стационарные персональные компьютеры, т.к. идет в виде периферийного устройства.

USB-порт (Universal Serial Bus, универсальная последовательная шина) – универсальный порт предназначенный для подключения большого количества устройств, причем подключать эти устройства можно прямо во время работы компьютера, и это не приведет к сбою системы. С каждым годом все большее количество устройств подключается к персональному компьютеру через USB-порт.

Блок электропитания – трансформаторный блок, преобразовывающий переменный ток с высоким напряжением, необходимым для питания персонального компьютера.

Система вентилирования – система призванная охлаждать нагревающиеся части персонального компьютера, среди которых:

• Центральный процессор;
• Процессор видеокарты;
• Блок электропитания;
• Жесткий диск (не во всех моделях).

Скорость выполнения программ на персональном компьютере зависит от следующих факторов:

• От производительности, величины тактовой частоты и количества ядер процессора;
• От производительности и объема оперативной памяти;
• От производительности видеокарты и объема ее оперативной памяти;
• От скорости обмена данными между процессором, оперативной памятью, видеокартой, накопителями информации и периферийными устройствами.

2. Устройства ввода вывода информации

Дисплей

В различных типах персональных компьютеров дисплей представлен по-разному, а именно:

В стационарных компьютерах он представлен в виде отдельного модуля называемого монитором.

Монитор (дисплей) компьютера IBM PC предназначен для вывода на экран текстовой и графической информации.

Мониторы бывают светолучевыми и жидкокристаллическими. В скором времени все стационарные компьютеры будут оснащаться жидкокристаллическими мониторами, из-за их компактности, четкости изображения и относительно меньшей опасности для глаз.

Они могут работать в одном из двух режимов: текстовом или графическом.

Текстовый режим. В текстовом режиме экран монитора условно разбивается на отдельные участки - знакоместа, чаще всего на 25 строк по 80 символов             (знакомест). В каждое знакоместо может быть введён один из 256 заранее  символов. В число этих символов входят большие и малые латинские буквы, цифры, определённые символы, а также псевдографические символы, используемые для вывода на экран таблиц и диаграмм, построения рамок вокруг участков экрана и так далее.

     В число символов, изображаемых на экране в текстовом режиме,

могут входить и символы кириллицы. На цветных мониторах каждому знакоместу может соответствовать свой цвет символа и фона, что позволяет выводить красивые цветные надписи на экран.

На монохромных мониторах для выделения отдельных частей текста и участков экрана используется повышенная яркость символов, подчёркивание и т. д.

Графический режим. Графический режим предназначен для вывода на экран графиков, рисунков и так далее. Разумеется, в этом режиме можно выводить и текстовую информацию в виде различных надписей, причём эти надписи могут иметь произвольный шрифт, размер и др.

В графическом режиме экран состоит из точек, каждая из которых может быть тёмной или светлой на монохромных мониторах и одного или нескольких цветов - на цветном. Количество точек на экране называется разрешающей способностью монитора в данном режиме. Следует заметить что разрешающая способность не зависит от размеров экрана монитора.

Часто используемые мониторы.  Наиболее широкое распространение на компьютерах IBM PC получили мониторы типа MDA, CGA, Herkules, EGA и VGA.

В настоящее время мониторы MDA и CGA практически не используются, так как они не обладают надлежащей разрешающей способностью, что приводит к быстрому утомлению глаз. Кроме того, они не имеют программной загрузки шрифтов символов, поэтому для изображения букв кириллицы приходится заменять микросхемы, хранящие шрифты символов.

В основном на компьютерах используют мониторы SVGA, что позволяет добиться нужного качества изображения.

Клавиатура.

Как известно, клавиатура является пока основным устройством ввода информации в компьютер. В техническом аспекте это устройство представляет собой совокупность механических  датчиков, воспринимающих давление на клавиши и замыкающих тем или иным способом определённую электрическую цепь.

    Надо сказать, что эволюция клавиатур для IBM PC не была недолгой. Сначала использовались 83-х клавишные клавиатуры затем вместе с АТ появилась 84-х клавишная. Подавляющее большинство современных IBM PC  совместимых используют расширенную клавиатуру. Основные улучшения по сравнению с АТ-клавиатурой касается общего числа (101 и выше) и расположения клавиш. Наиболее стандартным является расположение QWERTY: порядка 60 клавиш с буквами,  цифрами, знаками пунктуации и другими символами и ещё около 40 функциональных клавиш.