Состав персонального компьютера. Назначение основных узлов
Состав персонального компьютера можно представить следующей схемой:
Комплектация современных ПК может быть различной, но все они в своем составе имеют три обязательных устройства:
- процессор – одно или несколько устройств, которые обеспечивают задаваемую программой обработку данных;
- память – группа устройств, которые обеспечивают хранение программ и данных;
- устройства ввода-вывода – группа устройств, которые обеспечивают обмен, данными между пользователем и машиной или между двумя и более машинами.
Все устройства, входящие в состав ПК, подсоединяются друг к другу с помощью стандартизированных и унифицированных аппаратных средств. Для обозначения совокупности устройств, которые могут быть включены в состав компьютера той или иной модели, а также средств их соединения используется термин аппаратное обеспечение.
Центральная, основная часть любого компьютера, содержащая в себе практически все основные устройства, - системный блок, к которому подключены главные устройства ввода-ввода информации – монитор, клавиатура, мышь.
На системной плате располагаются следующие элементы: 
– процессор;
– микросхемы быстрой памяти (Кэш);
– микропроцессорный комплект (чипсет) – набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств и определяющих основные функциональные возможности материнской платы (по обработке, например, 3х-мерной графики, 3D звука);
– шины – набор проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера.
– микросхема базовой системы ввода-вывода (BIOS) – постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), микросхема, предназначенная для длительного хранения данных, в том числе, когда компьютер выключен;
– разъемы для плат оперативной памяти;
– разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты) (дисководов, мониторов, мыши, клавиатуры, сканера, системы лазерного диска и т.д.).
 Системная плата компьютера класса Pentium | 1 — Разъём под центральный процессор; 2 — Дополнительный кэш объёмом 256 Кбайт; 3 — Разъём под дополнительный кэш; 4 — Контроллеры внешних устройств; 5 — Разъёмы накопителей на жёстких магнитных дисках; 6 — Разъёмы под оперативную память, 4 планки; 7 — Коннектор (соединитель) клавиатуры и мыши; 8 — Микросхема, обслуживающая флоппи-дисковод, последовательные порты и параллельный порт; 9 — Разъёмы 32-битной шины (для видеокарты, карты Интернет и др.); 10 —BIOS; 11 — Мультимедийная шина; 12 — Разъёмы 16-битной шины |
Процессор
Процессор — это микросхема, которая производит все операции компьютера, осуществляет управление всеми системами и элементами компьютера. Это выращенный по специальной технологии кристалл, который содержит в себе множество отдельных элементов: транзисторов, которые в совокупности и наделяют компьютер способностью «думать». Конструктивно процессор состоит из ячеек, в которых данные могут на только храниться, но и изменяться (в отличии от ячеек оперативной памати). Внутренние ячейки процессора называются регистрами.
На любом процессорном кристалле находятся:
– собственно процессор, главное вычислительное устройство, состоящее из миллиона логических устройств- транзисторов;
– сопроцессор – специальный блок для операций с плавающей запятой – для особо точных расчетов, для графических программ;
– КЭШ-память.
Кэш-память используется для ускорения операций с памятью компьютера. В кэш-память записывается та часть информации оперативной памяти, которая изменяется в данный момент. Процессор прогнозирует последующие шаги при выполнении программы и заранее записывает информацию, которая для них потребуется в кэш-память. Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение к оперативной памяти. Таким образом, уменьшается время поиска информации в памяти и увеличивается скорость выполнения программы.
Кэш-память бывает двух видов — внешняя и внутренняя.
Внутренняя кэш-память служит для ускорения работы с регистрами процессора и находится внутри процессора. Внешняя кэш-память служит для ускорения работы с оперативной памятью и реализована отдельными микросхемами.
Кэш первого уровня выполняется в том же кристалле, что и процессор, и имеет объем порядка десятков Кбайт. Кэш второго уровня находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле что и процессор, хотя и исполняется на отдельном кристалле. Кэш 1-го и 2-го уровня работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора.
Кэш третьего уровня выполняют на быстродействующих микросхемах (типа SRAM) и размещают на материнской плате вблизи процессора. Ее объем может достигать нескольких Мбайт, но работает она на частоте материнской платы.
Главными характеристиками процессора являются его разрядность, тактовая частота (в обиходе тактовую частоту иногда называют скоростью процессора и компьютера), размер кэш-памяти.
Внутри процессора есть области, которые называются регистрами — это внутренняя память, где процессор хранит обрабатываемые данные. Компьютер может оперировать одновременно ограниченным набором единиц информации. Этот набор зависит от разрядности внутренних регистров. Если компьютер за один раз может обработать 8 разрядов информации, то регистр и, следовательно, процессор 8-разрядный, если — 32 разряда, то процессор 32-разрядный и т.д. Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать за один раз.
Тактовая частота — это количество операций, которое процессор может выполнить в секунду. Т.е. чем больше тактов или операций в секунду может выполнять процессор, тем быстрее он работает. Обозначается цифрой в названии компьютера, напр. Pentium IV 1200, т.е. процессор Pentium 4-го поколения с тактовой частотой 1200МГц.
Существует два типа тактовой частоты — внутренняя и внешняя.
Внутренняя тактовая частота — это тактовая частота, с которой происходит работа внутри процессора.
Внешняя тактовая частота — это тактовая частота, с которой происходит обмен данными между процессором и оперативной памятью компьютера.
Общая шина
Для того чтобы процессор мог обрабатывать информацию и выдавать результаты обработки, а также, чтобы записывать результат в память компьютера, процессор должен иметь линии связи с остальными устройствами компьютера. Эти линии связи объединены под названием общая шина.
Шина — это система проводников и вспомогательных элементов для связи процессора со всеми элементами компьютера.
Общая шина делится на три отдельные шины по типу передаваемой информации: шина адреса, шина данных и шина управления.
Шина данных— это система проводников и вспомогательных элементов для передачи информации из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. Шина данных имеет разрядность. Разрядность шины данных влияет на скорость передачи информации и, следовательно, на скорость работы компьютера. Ширина шины данных в современных ПК составляет 64 разряда.
Адресная шина — это система проводников и вспомогательных элементов для определения места в памяти компьютера, где хранится и куда можно занести информацию. Адресная шина также имеет разрядность. Разрядность адресной шины влияет на объем памяти, к которому может обращаться процессор. Если ширина шины адреса равна n, то количество адресуемой памяти 2n. В современных ПК составляет 32 разряда.
Шина управления включает в себя все линии, которые обеспечивают работу общей шины. Ее ширина зависит от типа шины и определяется алгоритмом ее работы. В современных ПК составляет 64-128 разряда.
Шина расположена на системной плате. Если исключить все остальные элементы системной платы (процессор, разъемы для плат оперативной памяти, микросхемы кэш-памяти, микросхема BIOS, разъемы для плат расширения), то все остальные элементы платы и являются шиной.
Память.
Одним из важнейших функциональных устройств компьютера является память (запоминающее устройство). Важнейшей характеристикой памяти является ее объем. Объем памяти измеряется в байтах. В составе компьютера имеется несколько уровней, разновидностей памяти. Важнейшими для работы компьютера видами памяти являются:
· постоянная память (ПП);
· оперативная память (ОП);
· внешняя память (ВП).
Постоянная память - это устройство компьютера, предназначенное для постоянного хранения наиболее важных и часто используемых служебных программ (тестирование и начальная загрузка ПК, управление внешними устройствами). Эта память является энергонезависимой (сохраняет информацию и после выключения). Такую память называют постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) или ROM (Read Only Memory). Запись в нее осуществляется на заводе-изготовителе и в дальнейшем она доступна только для чтения (различают ПЗУ, программируемые однократно, и перепрограммируемые ПЗУ). Комплекс программ, входящих в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода (BIOS – Base Input Output System).
Оперативная память - это устройство компьютера, предназначенное для хранения выполняющихся в текущий момент времени программ, а также всех данных, необходимых для их выполнения. ОП часто обозначают RAM (Random Access Memory – память произвольного доступа). Синонимы: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), основная оперативная память (ООП), основная память (ОП). Существует несколько типов оперативной памяти, но с точки зрения ее физического принципа действия различают динамическую память (DRAM) и статистическую память (SRAM). После выключения компьютера содержимое оперативной памяти стирается, т.е. это энергозависимый вид памяти.
Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках, называемых модулями (см. рисунок). Модули оперативной памяти вставляются в соответствующие разъемы на материнской плате. Известны три типа модулей оперативной памяти: устаревшие SDRAM (SIMM-модули), DDR SDRAM (DIMM-модули), RDRAM (RIMM-модули).
Основными характеристиками модулей оперативной памяти являются объем памяти (256-512 Мбайт) и скорость передачи данных, иногда в качестве определенной характеристики используется время доступа.
Кроме оперативной памяти в состав ПК входит кэш-память или кэш. Это сверхбыстрая память сравнительно небольшого объема (сверхоперативная память). Кэш используется как промежуточное звено между процессором и ОП, которое обеспечивает повышение скорости вычислений (см. выше).
Внешней памятью называется группа устройств, которые предназначены для хранения массивов информации – программ и данных. Главное функциональное отличие внешней памяти от ОП является то, что процессор не имеет к ней непосредственного доступа. Это значит, что программа, находящаяся во внешней памяти, не может в ней выполняться, данные не могут быть каким-либо образом обработаны. Перенос программы из внешней памяти в оперативную называется загрузкой программы, а инициирование (начало) ее выполнения называют запуском программы или передачей управления этой программе.
В настоящее время в качестве внешней памяти в основном используются гибкие магнитные, жесткие магнитные (винчестеры) и оптические (лазерные) диски, flash-память.