Основные устройства компьютера

В ходе развития и совершенствования вычислительной техники фундаментальные принципы устройства компью­теров (вычислительных машин) изменились мало. (Рис.)

Процессор

Центральным устройством компьютера, которое выполня­ет обработку всех видов информации, является процессор. Каждый процессор может выполнять ограниченный (хотя и большой) набор инструкций, который называется систе­мой команд процессора. Работа компьютера состоит в вы­полнении последовательности таких команд, образующих программу.

Сам процессор состоит из нескольких тесно связанных устройств, реализованных в виде одной микросхемы. Среди них принято выделять арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические опе­рации, и устройство управления (УУ), отвечающее за вы­борку команд и порядок их выполнения. Выбор следую­щей программной инструкции для исполнения может зависеть от данных, обрабатываемых в данный момент.

Обрабатываемые данные процессор хранит во внутренних ячейках памяти, называемых регистрами. Число регист­ров процессора не очень велико. Сама программа и нуж­ные для ее работы данные не могут храниться внутри про­цессора. Для этой цели используются другие устройства, которые часто описывают общим термином память.

Память

Память разделяют на две категории: внутренняя (опера­тивная) и внешняя (долговременная). Нередко термин па­мять относят только к первой категории.

Оперативная память строится на основе быстродейству­ющих электронных схем. Сегодня для их изготовления применяют самые совершенные технологии. Оперативная память содержит данные, обрабатываемые процессором, и команды. Процессор может выбирать данные из памяти и записывать их в нее. Оперативную память можно предста­вить себе как большой массив ячеек, каждая из которых имеет определенный числовой адрес. Адреса ячеек памя­ти принято записывать шестнадцатеричными числами.

Процессор может обратиться к любой ячейке памяти. В персональных компьютерах минимальная адресуемая единица оперативной памяти — байт. Многие команды процессора работают с более крупными фрагментами опе­ративной памяти: словами (2 байта), двойными словами (4 байта), учетверенными словами (8 байт).

Наряду с оперативной памятью в адресное пространство процессора входят и некоторые другие виды памяти — из них он тоже может черпать как данные, так и программный код. В первую очередь это постоянная память (ПЗУ) – энергонезависимая память, доступная только для чте­ния. В виде ПЗУ реализован модуль системы ввода-выво­да. Он содержит средства са­мопроверки и запуска компь­ютера после включения.

Запоминающие устройства

При выключении питания компьютера вся находивша­яся в оперативной памяти информация теряется. Что­бы сохранить результаты ра­боты, применяют внешние за­поминающие устройства. Среди таких устройств наи­более распространены дисковые. В жестких и гибких дисках применяется магнитный способ записи и чтения данных, в других устройствах (на­пример, компакт-дисках) — оптическое считывание при помощи лазера.

В конструкции внешних запоминающих устройств имеются механические компоненты, из-за чего их быстро­действие заметно ниже, чем у электронной оперативной памяти. Это компенсируется огромными объемами внеш­них запоминающих устройств и способностью длительного хранения информации. Данные хранятся на внешних уст­ройствах в форме, удобной для компьютерной обработки. Человек не может использовать эти данные напрямую.

Устройства ввода-вывода

Система, состоящая из процессора и присоединенных к нему устройств памяти, уже работоспособна. Но она имеет важный недостаток — отсутствие связи с внешним миром. Компьютер должен принимать данные и команды извне и выдавать результаты своей работы в удобном для человека виде. Для взаимодействия с пользователем-человеком или с другими устройствами используются устройства ввода и вывода.

Наиболее универсальным устройством вывода, способным представлять текстовую и графическую информацию, является монитор. Другое распространенное устройство вывода отображает данные на бумаге — это принтер. Для вывода сложных чертежей и схем большого формата при­меняют плоттеры. Звуковую информацию воспроизводят с помощью акустических колонок или наушников.

Простейшим устройством ввода данных (или команд) является клавиатура. Она служит для ввода числовой и текстовой информации. Ввод графических данных и диа­логовое управление компьютером обеспечивают устрой­ства-манипуляторы. Они позволяют указать место ввода данных прямо на экране монитора. К ним относятся мышь, трекбол, джойстик и другие. Близки по назначению сенсорные устройства ввода: световое перо, графический планшет, сенсорный экран, сенсорный манипулятор (тач-пад).

Существует множество других устройств, предназначенных для ввода информации в компьютер. Например, для ввода в компьютер изображений применяют сканеры и цифровую фото- и видеотехнику. Вариантом сканера явля­ется устройство распознавания штрих-кодов и других специальных меток.

При наличии микрофона в компьютер могут быть введе­ны звуковые данные. Некоторые устройства могут распо­знавать речь и превращать произнесенные слова в текст.

Устройства связи

Для современных компьютеров также крайне важно нали­чие устройств связи. Такие устройства организуют взаи­модействие компьютеров между собой без посредничества человека. Сетевые адаптеры служат для передачи данных между компьютерами по специально проложенным линиям. Применение модемов и родственных устройств (кабельных модемов, xDSL-модемов и других) позволяет передавать данные по телефонным линиям.

Соединение устройств

Современные компьютеры построены по модульному принципу. Для соединения устройств между собой исполь­зуются специальные линии связи, которые принято назы­вать шинами (это инженерный термин). Современный пер­сональный компьютер насчитывает внутри до девяти различных шин, из которых самой важной является так называемая локальная шина — она связывает между собой процессор и оперативную память. Прочие шины подклю­чаются через систему устройств, называемых «мостами», и служат для связи с другими внутренними устройствами.

Локальная шина процессоров Intel Pentium конструктив­но состоит из трех шин:

♦ шина адреса (32-разрядная, имеет 32 дорожки) — с ее помощью процессор подключается к конкретным ячей­кам оперативной памяти;

♦ шина данных (64-разрядная) — по ней процессор копи­рует данные между своими регистрами и ячейками опе­ративной памяти (разрядность шины также называют шириной шины — она определяет, сколько бит данных процессор может скопировать в ту или иную сторону за одно обращение);

♦ шина управления (32-разрядная) — по ней процессор получает команды программы, размещенной в опера­тивной памяти (программа хранится отдельно от дан­ных).

Различные устройства предназначены для последователь­ной или параллельной передачи данных. При последова­тельной передаче данные передаются побитно. Параллель­ная передача данных позволяет передавать данные группами, по несколько бит. Объем одной порции данных определяется шириной шины данных.

Материнская плата

Связь всех компонентов персонального компьютера между собой обеспечивает материнская плата. Набор микросхем (чипсет) материнской платы организует взаимодействие процессора и памяти, а также обеспечивает подключение всех остальных устройств компьютера. На материнской плате размещаются все системные шины и мосты.

Кроме того, в состав материнской платы входят контрол­леры (микропроцессорные компоненты, обладающие сво­ими внутренними регистрами), служащие для управления внутренними устройствами компьютера, подключаемыми к шинам материнской платы. В частности, стандартные контроллеры обслуживают работу клавиатуры, мыши, дисководов.

Внутренние устройства

Для взаимодействия с некоторыми устройствами обычно применяют карты расширения. Эти карты (платы) под­ключаются к шинам материнской платы путем их размеще­ния в специальных гнездах, имеющихся на материнской плате. Например, для выдачи информации на монитор применяют видеоадаптер. Современные видеоадаптеры содержат видеопроцессор и видеопамять. Видеопроцессор участвует в построении изображения, снижая нагрузку на основной процессор. Видеопамять нужна для хранения образа экрана и вспомогательных данных, необходимых при формировании изображения.

Для работы со звуком современные компьютеры оснащены звуковыми картами. Звуковая карта позволяет подклю­чить к компьютеру звуковые колонки или наушники, внеш­ний усилитель звука, микрофон или даже электронный музыкальный инструмент.

Периферийные устройства

Устройства, расположенные вне корпуса компьютера, называют периферийными. Чаще всего периферийные устройства используются для ввода или вывода данных. Периферийные устройства подключаются к отдельным разъемам, которые обычно располагаются на задней стенке компьютера. Принято говорить о портах для подключения внешнего оборудования. Понятие «порт» включает в себя не только разъем, но и управляющий контроллер и пред­полагает возможность программного управления.

Исторически, персональные компьютеры имеют последо­вательные порты (СОМ-порты), к которым обычно под­ключают мышь или модем, и параллельный порт (LPT-порт) для подключения принтера. У современных компьютеров появились и другие стандартные порты. Например, порты PS/2 служат для подключения современ­ных моделей мыши или клавиатуры, а порты USB пред­ставляют собой новое поколение высокоскоростных пор­тов последовательного доступа.