Основные компоненты персонального компьютера (ПК)

Архитектура ЭВМ включает как структуру, что отображает состав ПК, так и программно–математическое обеспечение. Структура ЭВМ - совокупность элементов и связей между ними. Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. Основы учения об архитектуре вычислительных машин были заложены Джоном фон Нейманом. Совокупность этих принципов породила классическую (фон-неймановскую) архитектуру ЭВМ.

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, представленную на рис. 1.

Рис.1 Логическая схема компьютера

Разнообразие современных компьютеров чрезвычайно большое, однако в общем ее структура базируется на общих логических принципах, которые позволяют выделить в любом компьютере основные устройства.

Положение фон Неймана:

· Компьютер состоит из нескольких основных устройств (запоминающее устройство, процессор, устройство ввода и вывода).

Запоминающее устройство, к функциям которого относятся:

а) прием информации от других устройств;

б) запоминание информации;

в) выдача информации по запросу в другие устройства ПК.

· Данные, которые хранятся в запоминающем устройстве, представленные в двоичной форме

· Программа, которая задает работу компьютера, и данные хранятся в одном и том же запоминающем устройстве

Процессор реализует такие функции:

а) обработки данных с помощью заданной программы путем выполнения арифметических и логических операций.

· Арифметико-логическое устройство – выполняет логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации, которая хранится в памяти;

· б) программного управления работой устройств компьютера:

· Устройство управления – обеспечивает управление и контроль всех устройств компьютера (управляющие сигналы указаны пунктирными стрелками)

· Устройства ввода и вывода для введения и выведения информации.

Перечисленные устройства объединены каналами связи, которыми передается информация.

Один из самых важных принципов – принцип программности – требует, чтобы программа хранилась в память машины так же, как в ней хранится начальная информация.

Арифметико-логическое устройство и устройство управления в современных компьютерах образуют процессор ЭВМ. Процессор, который состоит из одной или нескольких больших интегральных схем называется микропроцессором или микропроцессорным комплектом.

Процессор – функциональная часть ЭВМ, выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Процессор является преобразователем информации, которая поступает из памяти и внешних устройств. Запоминающие устройства обеспечивают хранение начальных и промежуточных данных, результатов вычислений, а также программ. Они включают:

· оперативные (ОЗУ)

· сверхоперативные (СОЗУ)

· постоянные (ПЗУ)

· внешние (ВЗУ) запоминающие устройства.

Оперативные ЗУ хранят информацию, с которой компьютер работает непосредственно сейчас (резидентная часть операционной системы, прикладная программа, обрабатываемые данные). В СОЗУ хранится чаще всего используемые процессором данные. Только та информация, которая хранится в СОЗУ и ОЗУ, непосредственно доступная процессору.

Проанализируем данную логическую схему. Для решения определенной задачи на компьютере составляется программа, которая вместе с данными, которые подлежат обработке, размещается в запоминающем устройстве. После размещения программы происходит ее выполнение: в устройство управления поступают коды операций (что делать), а в арифметико-логическое устройство – данные (с чем работать). Устройство управления образует сигналы, которые поступают на другие устройства, которые обеспечивают выполнение данной операции. Потом с запоминающего устройства выбирается другая команда и организуется ее выполнение. Этот процесс продолжается до окончания всей программы.

Любой компьютер рассматриваются как совокупность его функциональных элементов и взаимосвязей между ними. Структура компьютера графически изображается в виде структурных схем (рис.2), с помощью которых можно предоставить описание компьютера на любом уровне детализации.

Рис.2 Структурная схема ПК

Итак, современный ПК состоит из таких основных конструктивных компонентов:

· системного блока;

· монитора;

· клавиатуры;

· манипуляторов;

· дополнительных устройств (сканер, принтер, Web-камера и тому подобное).

В системном блоке размещаются:

· материнская плата;

· процессор;

· система охлаждения;

· оперативное запоминающее устройство;

· постоянное запоминающее устройство;

· блок питания;

· накопитель на жестких магнитных дисках;

· кадр-ридер;

· платы расширения;

· видео-адаптер;

· звуковая карта;

· накопитель CD-ROM, DVD-ROM, Blu-ray Disc и тому подобное.

Аппаратное обеспечение современных ПК строится на принципе открытой архитектуры, который заключается:

· регламентируется и стандартизируется только описание принципов действия компьютера и его конфигурации. Т.е., компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-производителями;

· компьютер легко расширяется и модернизируется за счет наличия внутренних слотов расширения, которые отвечают определенному стандарту.

Разнообразные устройства компьютера соединены между собой с помощью интерфейса.

Интерфейс – это совокупность средств и правил, которые обеспечивают взаимодействие двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласовываются между собой.

Каждый из функциональных элементов (память, монитор или др. устройства) связан с шиной определенного типа – адресной, управляющей или шиной данных. Для согласования интересов периферийные устройства подключаются к шине не непосредственно, а через свои контролеры (адаптеры) и порты по схеме:

Основные электронные компоненты компьютера, которые определяют архитектуру процессора, размещаются на главной плате, которая называется системной или материнской (англ.—MotherBoard). Контролери и адаптеры дополнительных устройств выполняются в виде плат расширения (англ. – DaughterBoard) и присоединяются к шине с помощью слотов расширения.

Материнская плата является главной в системном блоке и содержит такие компоненты:

· центральный процессор;

· постоянная и оперативная память;

· кэш-память;

· контролеры;

· интерфейсные схемы шин;

· слоты расширения;

· обязательные системные средства ввода-вывода и др.

Системные платы выполняются на основе набора микросхем, которые называются чипсетами (англ. – ChipSets).

В слоты расширения системной платы устанавливаются платы таких периферийных устройств, как модем, сетевая плата, видеоплата и др.

Центральный микропроцессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) – небольшая микросхема, которая выполняет все вычисления и обработку информации) – это ядро ПК. В компьютерах типа IBM PC используются микропроцессоры фирмы Intel и совместимые с ними микропроцессоры других фирм.

Компоненты микропроцессора:

· АЛУ выполняет логические и арифметические операции;

· шина данных и шина адресов;

· Устройство управления - управляет всеми устройствами ПК

· Регистры используются для хранения данных и адресов;

· Счетчики команд;

· Кэш – быструю память малого объема (до 2 Мбайт);

· Математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

· Схема управления шиной и портами – осуществляет подготовку устройств к обмену данными между микропроцессором и портом ввода – вывода, а также управляет шиной адреса и управления.

Основные характеристики процессора:

· Разрядность – число двоичных разрядов, одновременно обрабатываемых при выполнении одной команды. Большинство современных процессоров – это 32–разрядные процессоры, но выпускаются и 64 - разрядные процессоры.

· Тактовая частота – количество циклов работы устройства за единицу времени (МГц). Чем выше тактовая частота, тем выше производительность.

· Наличие встроенного математического сопроцессора

· Наличие и размер Кеш- памяти.

Оперативная память

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM) - область памяти, предназначенная для хранения информации на протяжении одного сеанса работы с компьютером. Конструктивно ОЗУ выполнено в виде интегральных микросхем.

Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов – битов, объединенных в группы по 8 битов, которые наз. байтами. Все байты пронумерованы, номер байта наз. его адресом.

Из нее процессор прочитывает программы и начальные данные для обработки в свои регистры, у нее записывает полученные результаты. Название “оперативная” эта память получила потому, что она работает очень быстро, в результате процессору не приходится ожидать при чтении или записи данных в память.

Однако быстродействие ОЗУ ниже быстродействия регистров процессора, поэтому перед выполнением команд процессор переписывает данные из ОЗУ в регистры. По принципу действия различают динамическую память и статическую.

Ячейки динамической памяти являются микроконденсаторами, которые накапливают заряд на своих обкладках. Ячейки статической памяти являются триггерами, которые могут находиться в двух устойчивых состояниях.

Различают два вида памяти: внутреннюю и внешнюю.

1. В состав внутренней памяти входят:

· Оперативная память;

· Кэш-память;

· Специальная память.

Оперативная память (ОЗУ, англ. –RAM, Random Access Memory память с произвольным доступом) – это быстрое ззапоминающее устройство небольшого объема, которое непосредственно связанно с центральным микропроцессором и предназначено для записи, считывания и хранения данных и программ.

Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ (до выключения компьютера). Доступ к элементам ОП прямой, то есть каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.

Основные параметры, которые характеризуют ОЗУ – это ёмкость и время обращения к памяти. ОЗУ типа DDR SDRAM (синхронная память с двойной скорость передачи данных) считается самой перспективной для ПК. На сегодня объем ОЗУ составляет от 512 Мбайт до 4 Гбайт.

Кэш-память (англ. Cash)

Компьютеру необходимо обеспечить быстрый доступ к оперативной памяти, иначе микропроцессор будет простаивать, и быстродействие компьютера уменьшится. Поэтому современные компьютеры оснащаются Кэш-памятью или сверхоперативной памятью.

При наличии Кэш-памяти данные с ОЗУ сначала переписываются в нее, а затем в регистры процессора. При повторном обращении к памяти сначала производится поиск нужных данных в Кэш-памяти и необходимые данные из Кэш-памяти переносятся в регистры, поэтому повышается быстродействие. Современные микропроцессоры имеют встроенную память, так называемый кэш первого уровня (8, 16, 32 Кбайт). Кроме того, на системной плате может быть установлен кэш второго уровня емкостью до 2 Мбайт.

Кэш-памятью управляет специальное устройство – контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предусмотреть, какие данные и команды понадобятся в ближайшее время процессору, и загружает их в кэш-память.

К устройствам специальной памяти принадлежат:

· постоянная память(ПЗУ, ROM)

· перепрограммированная постоянная память (Flash Memory)

· память CMOS RAM, которая питается от батареи

Постоянная память (ПЗУ. англ. ROM, Read Only Memory – память только для чтения) – энергонезависимая память, которая используется для хранения неизменных данных. С ПЗУ можно только читать.

Перепрограммированная постоянная память (Flash Memory) – которая допускает многократную перезапись ячеек памяти с дискеты.

Самая важная микросхема постоянной или Flash-памяти – модуль BIOS (англ. Basic Input/Otput System – базовая система ввода вывода) – это совокупность программ, предназначенных для тестирования устройств после включившее компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память.

CMOS RAM – это память с низкой скоростью и минимальным энергопотреблением от батареи, используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера. Содержание CMOS изменяется специальной программой Setup, которая находится в BIOS.

Видеопамять (VRAM) для хранения графической информации, ее содержание доступно одновременно двум устройствам – процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране изменяется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.

Накопитель на жестких магнитных дисках (англ. HDD – Hard Disk Drive), или винчестерный накопитель - этозапоминающееустройство большой емкости, в котором носителями информации служат круглые алюминиевые пластины, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Рабочие поверхности пластины разделены на кольцевые концентрические дорожки, а дорожки – на сектора. Имеют большой объем памяти – до 400 Гбайт. Винчестерный накопитель связан с процессором через контролер жесткого диска.

В накопителях на оптических дисках носителем информации выступает CD-ROM (Compact Disk Read-Only Memory – компакт-диск, из которого существует возможность только чтения).CD-ROM – прозрачный полимерный диск диаметром 12 см и толщиной 1.2 мм, на одну сторону которого напилен слой алюминия, защищенный от повреждения слоем прозрачного лака. Информация на диске представлена в виде последовательности углублений и выступов, размещенных на спиральной дорожке. Емкость CD достигает 780 Мбайт. В связи со стремительным развитием информационных технологий, на смену технологиям CD-ROM пришли технологии CD-R и CD-RW (возможность соответственно записи и перезаписи дисков) а также технологии цифровых видеодисков DVD. DVD-диски имеют тот же размер, но вмещают данные объемом до 17 Гбайт (двухслойные, двусторонние диски).

Следующим поколением формата оптических дисков есть технология Blu-ray (Blu-rayDisc или сокращен BD). Они аналогичны CD-дискам, имеет большую информационную емкость: на один слой – 25 вместо 15 Гбайт в DVD.

Флэш-память – разновидность полупроводниковой энергонезависимой памяти. Преимуществом является отсутствие подвижной части, поэтому она более компактная, дешевая и обеспечивает более быстрый доступ. Недостатком является малый объем.

Монитор – это устройство визуального отображения информации (в виде текста, таблиц, рисунков и т.п.). До недавнего времени большинство мониторов были сконструированы на базе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) и принцип их работы был аналогичный принципу работы телевизора на базе ЭЛТ. Сегодня широкого распространенияприобрели жидкокристаллические мониторы. Жидкие кристаллы – это особенное жидкое состояние некоторых органических веществ, в котором они способны образовывать пространственные структуры. Жидкие кристаллы могут изменять свою структуру и светооптические свойства под действием электрического напряжения. Современные 17-дюймовые ЖК-мониторы имеют разрешающую способность 1280*1024, занимают в 3-4 раза меньше места, и в столько же раз легче, потребляют меньше электроэнергии и не излучают электромагнитных волн.

Клавиатура – для введения информации и управления работой ПК. Наиболее распространенная клавиатура с раскладкой клавиш QWERTY («кверти»).

Компьютерная клавиатура имеет такие части:

1. функциональные клавиши

2. управляющие клавиши

3. малая цифровая клавиатура

4. алфавитно-цифровые клавиши.