Тема: Назначение и основные характеристики устройств, входящих в персональный компьютер
Цель работы:Повторение назначения и характеристик основных узлов персонального компьютера.
Компьютер (англ. computer — вычислитель) представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи преобразования и передачи информации.
Существует два основных класса компьютеров:
цифровые компьютеры, обрабатывающие данные в виде двоичных кодов; аналоговые компьютеры, обрабатывающие непрерывно меняющиеся физические величины (электрическое напряжение, время и т.д.), которые являются аналогами вычисляемых величин.
Поскольку в настоящее время, подавляющее большинство компьютеров являются цифровыми, далее будем рассматривать только этот класс компьютеров и слово "компьютер" употреблять в значении "цифровой компьютер".
Основу компьютеров образует аппаратное обеспечение (HardWare), построенное, в основном, с использованием электронных и электромеханических элементов и устройств и программное обеспечение (SoftWare). Принцип действия компьютеров состоит в выполнении программ— заранее заданных, четко определённых последовательностей арифметических, логических и других операций.
Разнообразие современных компьютеров очень велико. Но их структуры основаны на общих логических принципах, позволяющих выделить в любом компьютере следующие главные устройства:
· память (запоминающее устройство, ЗУ), состоящую из перенумерованных ячеек;
· процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ);
· устройства ввода;
· устройства вывода.
Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация. Основные устройства компьютера и связи между ними представлены на схеме (рис. 1.1). Жирными стрелками показаны пути и направления движения информации, а простыми стрелками — пути и направления передачи управляющих сигналов. 
Рис. 1.1. Общая схема компьютера
Основные устройства, находящиеся в системном блоке:
· блок питания; главная (материнская) плата;
· процессор; оперативная память;
· видеоплата; звуковая плата;
· жёсткий диск; накопители на гибких дисках;
· накопители для CD-R/RW дисков/ DVD-R/RW дисков;
· порты ввода-вывода; динамик.
Блок питания служит для преобразования напряжения сети (220 В) в напряжение, используемое устройствами компьютера (3.3, 5, 12 В). Основные характеристики – выходная мощность блока, размер блока, вид вентилятора. Вентиляторы бывают 2 типов: с постоянной скоростью вращения и терморегулируемые. Терморегулируемый включается, когда температура окружающего его воздуха поднимается выше определённой границы. Материнская плата обеспечивает связь между всеми элементами. Изготавливается из стекловолокна, состоит из нескольких листов, на которые наносятся контакты. На ней располагаются:
· процессор; оперативная память;
· кварц; набор управляющих микросхем;
· память BIOS; кэш-память;
· шины; слоты расширения;
· батарейка;
· разъёмы для параллельных, последовательных портов.
Функции памяти:
· приём информации из других устройств;
· запоминание информации;
· выдача информации по запросу в другие устройства машины.
Функции процессора:
· обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;
· программное управление работой устройств компьютера.
Та часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется устройством управления (УУ).
Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены. В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами.
Регистрвыполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, "вырезать" отдельные части команды для последующего их использования или выполнять определенные арифметические операции над числами.
Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд двоичного кода).
Регистр,представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом, общей системой управления.
Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:
· сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции;
· счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;
· регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов.
Современные процессоры создаются в виде микропроцессоров.
Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему —тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.
Микропроцессор Intel Pentium 4 — наиболее совершенный и мощный процессор выпуска 2003 г. с тактовой частотой до 2 Гигагерц, представлен на рис. 1.2 примерно в натуральную величину. Он предназначен для работы приложений, требующих высокой производительности процессора, таких, как передача видео и звука по Интернет, создание видео-материалов, распознавание речи, обработка трехмерной графики, игры.
Рис. 1.2. Микропроцессор Pentium 4. Вид сверху (слева) и вид снизу (справа)
В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называются многопроцессорными.
При рассмотрении компьютерных устройств, принято различать их архитектуру и структуру.
Архитектуройкомпьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.
Структура компьютера —это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.
Наиболее распространены следующие архитектурные решения.
Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа (рис. 1.1). Это однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.
Физически магистральпредставляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.
Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления периферийными устройствами.
Контроллер —устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.
В состав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-память и специальная память.
Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory — память с произвольным доступом) — это быстрое запоминающее устройство не очень большого объёма, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами.
Эта память используется только для временного хранения данных и программ, так как, когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой — это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.
Объем ОЗУ обычно составляет от 32 до 512 Мбайт. Для несложных административных задач бывает достаточно и 32 Мбайт ОЗУ, но сложные задачи компьютерного дизайна могут потребовать от 512 Мбайт до 2 Гбайт ОЗУ. Модули памяти характеризуются такими параметрами, как объем —(16, 32, 64, 128, 256 или 512 Мбайт), число микросхем, паспортная частота(100 или 133 МГц), время доступа к данным (6 или 7 наносекунд) и число контактов (72, 168 или 184). С 2001 г. начался выпуск модулей памяти на 1 Гбайт и опытных образцов модулей больше 2 Гбайта.
Кэш (англ. cache), или сверхоперативная память —очень быстрое ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью.
Кэш-памятью управляет специальное устройство — контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. При этом возможны как "попадания", так и "промахи". В случае попадания, то есть, если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает её непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования. Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти SRAM (Static RAM), более быстродействующих, дорогих и малоёмких, чем DRAM (SDRAM). Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память, так называемый кэш первого уровня размером 8, 16 или 32 Кбайт. Кроме того, на системной плате компьютера может быть установлен кэш второго уровня ёмкостью 256, 512 Кбайт и выше.
Специальная память
К устройствам специальной памяти относятся постоянная память (ROM), перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory), память CMOS RAM, питаемая от батарейки, видеопамять и некоторые другие виды памяти.
Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory —память только для чтения) — энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом "зашивается" в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.
Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) —энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого с дискеты.
Прежде всего, в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.
Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти — модуль BIOS. Роль BIOS двоякая: с одной стороны это неотъемлемый элемент аппаратуры, а с другой стороны — важный модуль любой операционной системы.
BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода) —совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память.
Разновидность постоянного ЗУ — CMOS RAM.
CMOS RAM —это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы.
Рис. 1.3. Интегральные схемы BIOS и CMOS. Микросхемы памяти RIMM (сверху) и DIMM (снизу)
Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS (англ. Set-up — устанавливать, читается "сетап").
Для хранения графической информации используется видеопамять.
Видеопамять (VRAM) —разновидность оперативного ЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам — процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.