Персональный компьютер: состав и назначение основных компонентов

В базовый комплект ПК входят:

• системный блок;
• монитор;
• клавиатура;
• мышь (точнее – манипулятор типа «мышь»).

Системный блок – это устройство, содержащее в свой структуре все основные аппаратные компоненты ПК.

Внешне системный блок представляет собой металлический корпус (case), на лицевой панели которого размещены:

• кнопка сетевого выключателя (Power);
• кнопка перезагрузки (повторного запуска) компьютера (Reset);
• лицевые панели внешних накопителей (НГМД, НОД, накопителя на DVD-дисках);
• USB-порт (может отсутствовать).

На задней панели корпуса размещены разъемы для подключения различных внешних устройств.

В зависимости от размещения все компоненты ПК подразделяются на:

• внутренние – размещены внутри корпуса;
• внешние – устройства, размещаемые вне корпуса и подключаемые к нему через специальные разъемы;
• компоненты, имеющие и внутреннее, и внешнее исполнение.

Основные внутренние компоненты ПК:

· материнская плата,

· процессор,

· чипсет,

· системная и локальная шины,

· оперативная память,

· постоянная память,

· жесткий диск,

· дисковод для гибких магнитных дисков,

· видеокарта,

· звуковая карта,

· TV/FM-тюнер,

· вентилятор,

· сетевая карта,

· контроллеры устройств,

· блок питания.

Основные компоненты внутреннего (внешнего) исполнения:

· накопитель на оптических дисках;

· накопитель на DVD-дисках;

· модем.

Основные внешние компоненты ПК:

· мышь;

· клавиатура;

· монитор;

· принтер;

· колонки,

· наушники,

· сканер,

· графический планшет,

· игровые манипуляторы.

Внутренние компоненты:

· Материнская плата (системная плата) – плата больших размеров с установленными на нее микросхемами и разъемами для подключения различных устройств. На материнской плате размещены: процессор, модули ОЗУ и ПЗУ, чипсет, видео- и звуковая карта, прочие устройства.

· Процессор (центральный процессор, микропроцессор) – устройство, выполняющее арифметические и логические операции над данными в соответствии с программой обработки и управляющее другими устройствами ПК. Конструктивно процессор представляет собой микросхему – кристалл чистого кремния, на поверхности или в объеме которого находятся полупроводниковые элементы − транзисторы, соединенные миниатюрными металлическими «дорожками» из алюминия или меди. Площадь кристалла – не более 4-6 квадратных сантиметра; размер элементов – десятые доли микрона. Процессор размещается на материнской плате, подключаясь к ней через специальный разъем.

· Чипсет – набор из нескольких микросхем, обеспечивающий работу и взаимодействие всех устройств, подключаемых к материнской плате. В чипсет могут быть интегрированы: видеокарта, звуковая карта, контроллеры устройств (например, жесткого магнитного диска).

· Системная шина – это устройство передачи данных, управляющих сигналов и сигналов электрического питания между компонентами ПК. В составе системной шины выделяют функциональные части: шину адресов, шину данных, шину управления, шину электропитания. Для ускорения обмена данными с высокопроизводительными устройствами, например, с жестким магнитным диском, используются локальные шины. Конструктивно шины – это: совокупность параллельных проводов, расположенных на материнской плате; внешние провода; соединители.

· Оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) – устройство, предназначенное для хранения информации (данных и программ), непосредственно используемой в текущем сеансе работы процессором. Конструктивно ОЗУ выпускается в виде микросхем, собранных в единые модули памяти. Модули устанавливаются на материнскую плату через специальные разъемы. На большинстве материнских плат находится 4 разъема для подключения модулей ОЗУ.

· Постоянная память (постоянное запоминающее устройство, ПЗУ) – устройство, предназначенное для хранения неизменяемой (постоянной) в процессе эксплуатации ПК информации, как правило, системного характера. Конструктивно ПЗУ выпускается в виде электронной микросхемы, устанавливаемой на материнскую плату через специальный разъем.

• Жесткий магнитный диск(жесткий диск, винчестер) – устройство, предназначенное для длительного хранения больших объемов информации. Конструктивно жесткий диск - это не один диск, а группа соосных дисков, изготовленных керамики или алюминия, покрытых отполированным ферромагнитным слоем (ферролаком). Диски вместе с магнитными головками чтения-записи помещены в закрытый герметичный корпус (пакет). Работу жесткого диска обеспечивает привод, в состав которого входят: двигатель, механизм позиционирования головок, контроллер жесткого диска. Контроллер – это печатная плата, которая может быть отдельной платой или платой, интегрированной (встроенной) в чипсет на материнской плате.

· Дисковод для гибких магнитных дисков (дисковод для флоппи-дисков) – устройство для чтения информации с гибких магнитных дисков (дискет, флоппи-дисков) и записи на них. Гибкий магнитный диск является носителем информации. Диск изготовлен из гибкого пластика (лавсана или майлара), покрытого ферролаком. Диск защищен от механических повреждений кассетой. Управление процессом считывания-записи информации на диск обеспечивает привод, в состав которого входят: двигатель, магнитные головки чтения-записи информации, механизм позиционирования головок, контроллер. Контроллер – это печатная плата со схемами управления позиционированием головок, усиления сигнала, электрического питания.

• Видеокарта (графический адаптер, графическая карта, видеоадаптер) – это устройство согласования работы процессора с монитором и управления работой монитора. Конструктивно видеокарта может быть либо интегрированной (встроенной) в чипсет, либо может представлять собой отдельную плату, которая вставляется в специальный разъем на материнской плате. На тыльной стороне видеокарты есть разъем для подключения монитора (причем к некоторым видеокартам можно подключать до трех мониторов одновременно). Появление и усложнение трехмерной (3D) графики потребовало размещения на видеокарте специализированной микросхемы – графического процессора, который берет на себя большую часть работы по формированию и обработке трехмерных образов и тем самым разгружает центральный процессор. Такую видеокарту в дальнейшем стали называть графическим ускорителем. Именно от типа графического процессора зависят производительность графического ускорителя и качество получаемого изображения. Кроме собственного процессора видеокарта содержит и собственную оперативную память (видеопамять), объем которой всего лишь в два-четыре раза меньше объема оперативной памяти самого ПК.

· Звуковая карта (аудиоадаптер, аудиокарта, soundcard) –это устройство, выполняющее операции, связанные с обработкой звуковых сигналов. Конструктивно аудиоадаптер может быть отдельной платой или платой, интегрированной (встроенной) в чипсет на материнской плате. Для сопряжения с аудиосредствами ввода-вывода звуковых сигналов (колонки, наушники, микрофон и др.) звуковая карта имеет два входа и один или два выхода.

· TV/FM-тюнер – устройство, позволяющее использовать монитор ПК для просмотра телевизионных передач, либо изображений, поступающих с видеомагнитофона или видеокамеры. Многие TV-тюнеры могут принимать радиопередачи FM-диапазона. Конструктивно TV/FM-тюнер может быть отдельной платой, устанавливаемой в разъем на материнской плате, либо он может быть совмещен с видеокартой. Появились TV/FM-тюнеры во внешнем исполнении, подключаемые через USB-порт.

· Вентилятор (кулер) – устройство охлаждения внутренних компонентов системного блока. Достаточно мощный вентилятор установлен в блоке питания ПК, однако его производительности недостаточно для понижения температуры некоторых компонентов (центрального процессора, графического процессора). На центральный процессор дополнительный вентилятор должен устанавливаться в обязательном порядке, на другие компоненты – по желанию.

· Сетевая карта – устройство, позволяющее связать при помощи кабеля 2 и более ПК в локальную сеть. В такой сети может быть организована передача данных между ПК, совместное использование каких-либо устройств (принтера, сканера, жесткого диска, дисководов и др.), выход в глобальную сеть Internet. Конструктивно сетевая карта может быть отдельной платой или может быть интегрирована в чипсет.

· Блок питания – устройство, преобразующее переменное напряжение 220 В электрической сети в постоянное напряжение 12 и 5 В, необходимое для питания большинства компонентов ПК.

Компоненты внутреннего (внешнего) исполнения:

· Накопитель на оптических дисках, накопитель на DVD-дисках – устройства, предназначенные для чтения информации с оптических дисков (компакт-дисков, CD) или DVD-дисков. Некоторые модели накопителей позволяют осуществлять и запись информации на диск.

· Модем – устройство сопряжения ПК с телефонной сетью, используемой для передачи данных, для выхода в глобальную сеть Internet. Модем преобразует данные из дискретной формы представления в аналоговую (на выходе) и из аналоговой в дискретную (на входе).

Внешние компоненты:

· Мышь(mouse) – устройство ввода команд пользователя, позволяющее быстро и точно переместить указатель мыши (курсор) в необходимую точку экранного пространства и подтвердить/отменить те или иные действия. Конструктивно мышь представляет собой небольшое устройство, которое удобно ложится под руку человека. Большинство мышей имеет в верхней части корпуса две кнопки. Есть модели, имеющие третью – программируемую кнопку, которая располагается в верхней или боковой части корпуса. Кроме того, мышь может иметь средство прокрутки изображения в виде кнопки-качельки, рычажка или колесика. Самый удобный вариант – колесико, причем в большинстве случаев его можно не только вращать, но и нажимать на него, как на отдельную кнопку. Есть модели с двумя колесиками – одно для вертикальной, а другое для горизонтальной прокрутки. По технологии отслеживания перемещения различают оптико-механические (механические) и оптические мыши. Оптико-механическая мышь отслеживает свое перемещение на рабочей поверхности с помощью специального шарика, расположенного в нижней части корпуса мыши. При движении такой мыши по поверхности шарик поворачивает пару роликов, ответственных за горизонтальное и вертикальное перемещение указателя мыши. Эти ролики, в свою очередь, передают сигнал о перемещении мыши на оптические датчики. Оптическая мышьопределяет свое перемещение путем высокоскоростного сканирования поверхности, на которой она находится. Сканирование производит небольшой источник/приемник света, расположенный в нижней части корпуса мыши.

· Клавиатура (keyboard) – это устройство для ввода: символьных данных, команд, управляющих сигналов. Конструктивно клавиатура представляет собой набор клавиш, закрепленных в пластмассовом корпусе. Непосредственное управление клавиатурой осуществляет контроллер клавиатуры, подключаемый к материнской плате. Стандартная клавиатура имеет 100 клавиш, функционально распределенных на следующие группы: алфавитно-цифровые клавиши, функциональные клавиши (F1-F12), специальные клавиши (Esc, Tab, Caps Lock, Shift, Ctrl, Alt, Backspace, Enter, Print Screen, Scroll Lock, Pause/Break), клавиши управления курсором (Insert, Delete, Home, End, Page Up, Page Down, клавиши со стрелками), клавиши дополнительной (малой цифровой) клавиатуры. Практически все современные клавиатуры имеют специальные клавиши, предназначенные для ускорения работы с операционной системой Windows. Они расположены в нижней части клавиатуры, рядом с клавишами Ctrl и Alt. Кроме этого, у некоторых моделей современных клавиатур есть дополнительные клавиши: управления питанием ПК, управления программами Internet, мультимедиа-клавиши.

• Монитор (дисплей) – устройство для визуального отображения информации на экране. По физическим принципам формирования изображения на экране различают: мониторы на базе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), жидкокристаллические мониторы, газоплазменные мониторы, электролюминесцентные мониторы. Мониторы на базе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ или Cathode Ray Tube, CRT) – это наиболее распространенный тип мониторов для ПК. Эти мониторы по принципу действия напоминают цветные телевизоры, но имеют чуть меньший размер и обладают очень четким изображением. В качестве устройства, формирующего изображение, используется ЭЛТ (кинескоп). Лицевая поверхность ЭЛТ изнутри покрыта люминофором – веществом, элементы (зерна) которого испускают свет при попадании на них разогнанных электронов. Каждая точка на экране монитора состоит из трех расположенных рядом друг с другом зерен люминофора. Каждое зерно из этой триады благодаря попаданию на него разогнанных электронов светится с определенной интенсивностью собственным цветом (красным, зеленым или синим – RGB). Общий результат свечения зерен такой триады виден человеческому глазу как цветная точка. Работа жидкокристаллических мониторов (Liquid Crystal Display, LCD) основана на изменении ориентации молекул жидких кристаллов (и, как следствие, изменении их оптических свойств) под воздействием внешнего электрического поля. Тонкий слой жидких кристаллов находится между двумя поляризаторами (горизонтальными и вертикальными электродами) и представляет собой матрицу миниатюрных жидкокристаллических элементов. Каждый жидкокристаллический элемент может светиться нужным цветом. В газоплазменных мониторах между поляризаторами (горизонтальными и вертикальными электродами) находится инертный газ, области которого могут светиться под воздействием внешнего электрического поля.

· Наушники и колонки предназначены для качественного воспроизведения звука, поступающего как напрямую, с выхода звуковой карты ПК или с внешнего аудиовыхода привода CD, так и через внешний усилитель.

• Принтер – устройство для вывода данных (текста, изображения) на бумагу или подобный носитель. По технологии вывода различают матричные, струйные, лазерные, светодиодные принтеры. Печатающая головка матричных принтеров содержит ряд тонких штифтов (иголочек), которые ударяют по бумаге через красящую ленту. Пишущая головка струйных принтеров разбрызгивает на бумагу маленькие капельки краски. Принцип действия лазерного принтера основан на притягивании частиц краски к наэлектризованным участкам специального барабана, который затем прокатывается по листу бумаги, перенося на него краску. Нагретые штифты печатающей головки светодиодных принтеров, соприкасаясь со специальной светочувствительной бумагой, оставляют на ней контрастные точки.
• Сканер – устройство, позволяющее вводить данные (текст, изображение) с листа бумаги или подобного носителя в память ПК в виде оцифрованной графической копии. Если отсканированное графическое изображение содержит текст, то распознать и сохранить его уже в текстовом формате можно с помощью специальных программ (программ распознавания образов). Сканеры бывают ручными, протяжными и планшетными. Для сканирования ручным сканером его необходимо вручную медленно и плавно перемещать по листу бумаги. Сканеры протяжного типа сами прокручивают внутри себя лист, который нужно отсканировать. С помощью сканера планшетного типа можно сканировать не только отдельные, но и сброшюрованные листы (книгу), помещая их под крышку на специальную стеклянную поверхность.

12 МикропроцессорЫ

Процессор (центральный процессор, микропроцессор) конструктивно представляет собой микросхему – кристалл чистого кремния, на поверхности или в объеме которого находятся полупроводниковые элементы − транзисторы, соединенные миниатюрными металлическими «дорожками» из алюминия или меди. Площадь кристалла – не более 4-6 квадратных сантиметра; размер элементов – десятые доли микрона. Процессор размещается на материнской плате, подключаясь к ней через специальный разъем.

Структура микропроцессора:

• арифметико-логическое устройство (АЛУ) – составная часть микропроцессора, выполняющая арифметические и логические операции над данными;
• устройство управления (УУ) − составная часть микропроцессора, вырабатывающая внутренние и внешние сигналы управления;
• регистры микропроцессорной памяти (МПП) – это отдельные регистры общего или специального назначения, которые служат для временного хранения: адресов данных и команд, самих данных и команд, промежуточных результатов, прочей информации.

Структура и основные связи микропроцессора показаны на рисунке:

Обозначения: ШУ – шина управления; ША – шина адресов; ШД – шина данных; ШЭ – шина электропитания.

Процессор работает в двухфазном режиме:

• выборка команды и данных;
• исполнение команды.

Принципы выполнения команд:

· последовательный – следующая команда (данные) выбирается из памяти только после завершения выполнения текущей команды;

· конвейерный – выборка следующей команды (данных) производится параллельно с исполнением текущей команды.

Совокупность команд, которые может выполнять процессор, называется системой команд процессора. Чем шире система команд процессора, тем длиннее формальная запись команды (в байтах), тем выше средняя продолжительность исполнения одной команды. В зависимости от набора системных команд, различают:

• процессоры с расширенной системой команд – CISC -процессоры (CISC – Complex Instruction Set Computing);
• процессоры с сокращенной системой команд – RISC -процессоры (RISC – Reduced Instruction Set Computing).

При CISC-архитектуре в систему входит несколько сотен (иногда более тысячи) команд. При RISC-архитектуре количество команд в системе намного меньше, и каждая из них выполняется намного быстрее. Оборотная сторона сокращенного набора команд состоит в том, что сложные операции процессору приходится эмулировать последовательностью из нескольких простейших команд сокращенного набора. В результате конкуренции этих двух архитектур сложилось следующее распределение сфер их применения: CISC-процессоры используют в универсальных вычислительных системах; RISC-процессоры используют в специализированных вычислительных системах или устройствах, ориентированных на выполнение единообразных операций.

В настоящее время появились процессоры с гибридной архитектурой.

Основные характеристики процессора:

1. Рабочее напряжение – не превышает 3 В. По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения. Это позволяет уменьшить расстояние между структурными элементами в кристалле процессора, не опасаясь электрического пробоя. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать его производительность без угрозы перегрева.

2. Разрядность процессора – количество бит данных, которое процессор может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Разрядность процессора определяется разрядностью (т.е. числом параллельных линий) шины управления – ШУ. Современные процессоры являются 32, 64 и 128-разрядными.

3. Тактовая частота работы процессора – величина, измеряемая в мегагерцах (МГц) или гигагерцах (ГГц), показывающая, сколько инструкций способен выполнить процессор в течение 1 секунды. Тактовая частота работы современных процессоров составляет от 600 МГц до 2,6 ГГц. В ПК тактовые импульсы задает тактовый генератор – специальная микросхема, входящая в состав чипсета. Однако процессор получает тактовые сигналы по системной шине от материнской платы, которая в отличие от процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводников и микросхем. Поэтому по чисто физическим причинам материнская плата не может работать со столь высокими частотами, как процессор. Частота системной шины составляет от 100 до 800 МГц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение частоты системной шины на коэффициент 3; 3,5; 4; 4,5; 5 и более.

4. Размер кэш-памяти −...(см. Внутренняя память ПК)

5. Форм-фактор процессора – тип «внешнего» исполнения корпуса процессора и способа его подключения к материнской плате. Существует два основных форм-фактора корпуса процессоров:

· квадратной формы, подключение через разъем типа «сокет» (Socket);

· прямоугольной формы, подключение через разъем типа «слот» (Slot).

Форм-фактор не влияет на производительность процессора, однако влияет на совместимость процессора с материнской платой.

Производители: AMD, Intel, Cyrix.