Состав и назначение основных элементов персонального компьютера, их характеристики

1 . Системный блок – это основной блок, который содержит самые главные части компьютера:

• системную или материнскую плату;

• блок питания

• жесткий диск – винчестер

• дисководы (для дискет, компакт-дисков)

2. Клавиатура – устройство для ввода информации

3. Монитор – устройство для вывода, отображения информации.

Кроме того, в состав ПК входят манипулятор “мышь” и периферия - принтер, джойстик, динамики, модем, сканер и т.п..

По расположению устройств компьютерной системы их делят на внешние и внутренние. Внешние устройства, их так же называют периферийные, подключаются к системному блоку с помощью кабелей и разъемов. Внутренние располагаются внутри системного блока. Как правило, внешние устройства служат для ввода и вывода информации, а внутренние для ее хранения и обработки.

Все компьютерные устройства, во-первых, питаются от электрической сети с помощью силового кабеля. (Обычно любое оборудование периферии имеет свой силовой кабель, кроме клавиатуры и мыши. Клавиатура и мышь получают питание непосредственно от системного блока) Во-вторых, обмениваются информацией в виде электрических импульсов, с помощью сигнального кабеля. Сетевой кабель — это сигнальный кабель, соединяющий  компьютер  с другими  компьютерами.

Устройство современного компьютера

В современных персональных компьютерах, как правило, используется принцип открытой архитектуры. Он заключается в том, что все устройства компьютера взаимодействуют и соединяются между собой стандартным, известным образом и любой производитель, руководствуясь ими, может начать производство какого-либо устройства.

Преимущества открытой архитектуры:

• возможность выбора необходимой конфигурации компьютера

• возможность расширять и модернизировать компьютерную систему

Архитектура современных персональных компьютеров (ПК) основана на магистрально-модульном принципе. Компьютер состоит из разрозненных частей – модулей. Модулем ПК будем называть любое относительно самостоятельное устройство компьютера (процессор, оперативная память, контроллер, дисплей, принтер, сканер и т.д.) Для того чтобы компьютер работал как единый механизм, необходимо осуществлять обмен данными между различными устройствами, за это отвечает системная (магистральная) шина.

Системная шина осуществляет обмен информацией по трем многоразрядным шинам, соединяющим модули:

• шина данных,

• шина адресов,

• шина управления (инструкций).

Центральные устройства подсоединены к шине непосредственно, а периферийные – через устройства сопряжения (контроллеры или адаптеры)

Схема аппаратной части компьютера

Системная или материнская плата Motherboard – это основная электронная плата в компьютере. На ней обычно располагается:

1. Центральный процессор и сопроцессор

Центральный процессор (микропроцессор) - CPU (Central Processing Unit), он управляет работой всех узлов ПК и программой, описывающей алгоритм решаемой задачи.

Функции процессора:

• обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;

• программное управление работой устройств компьютера.

Микропроцессор имеет сложную структуру в виде электронных логических схем. В качестве его компонент можно выделить два основных блока:

АЛУ – арифметико-логическое устройство, предназначенное для выполнения процесса вычислений;

УУ – центральное устройство управления – устройство, обеспечивающее управление всеми процессами в компьютере.

Общая схема процессора

В состав микропроцессора входят:

Устройство управления (УУ) - формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти. Используемых выполняемой операцией, и передаёт эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов.

арифметико-логическое устройство (АЛУ) - предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический процессор).

В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами.

Регистр выполняет 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.

Микропроцессорная память (МПП) - служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. VGG строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывая информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Регистры - быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие) интерфейсная система микропроцессора - реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода - вывода (ПВВ) и системной шиной. Интерфейс (Interface) - совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. Порт ввода - вывода (I/O - Input / Output port) - аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК.

Для расширения возможностей ПК и повышения функциональных характеристик микропроцессора дополнительно может поставляться математический сопроцессор, служащий для расширения набора команд МП. Например, математический сопроцессор IBM-совместимых ПК расширяет возможности МП для вычислений с плавающей точкой; сопроцессор в локальных сетях (LAN-процессор) расширяет функции МП в локальных сетях.

Самой важной характеристикой процессора является его быстродействие (производительность, тактовая частота) — количество операций, выполняемых в секунду. Посредством выработки и передачи другим его компонентам управляющих импульсов, поступающих от кварцевого тактового генератора, который при включении ПК начинает вибрировать с постоянной частотой (100 МГц, 200-400 МГц и выше). Эти колебания и задают темп работы всей системной платы;

Генератор тактовых импульсов

Он генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины.Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определённое количество тактов.

Память

Функции памяти:

• приём информации из других устройств;

• запоминание информации;

• выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – RAM – Random Access Memory – это запоминающее устройство, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и временного хранения  выполняемых программ и данных.

ОЗУ обеспечивает хранение информации лишь в течение сеанса работы с ПК – после выключения компьютера из сети данные, хранимые в ОЗУ, теряются безвозвратно, то есть ОЗУ – энергозависимое устройство.

Кэш-память или сверхоперативная память. Скорость обработки информации центральным процессором уже так высока, что современные устройства ОЗУ не справляются с функцией посредника между ЦП и внешней памятью. Поэтому было добавлено еще одно устройство – кэш-память – служащее посредником между ОЗУ и ЦП. Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память.

Постоянное внутреннее запоминающее устройство (ПЗУ) – предназначено для хранения оперативной информации, обеспечивающей запуск компьютера.

Блок ПЗУ состоит из двух частей:

• BIOS (Basic Input/Output System) – базовая система ввода и вывода. В ней хранится постоянная информация, заложенная на заводе-изготовителе, обеспечивающая запуск ПК.

• СМOS – переменная часть ПЗУ, где хранится информация о конфигурации ПК (перечень устройств, входящих в комплект ПК и их характеристики).

После выключения питания компьютера, информация в ПЗУ сохраняется, за счет энергии от специальных автономных батарей. Таким образом, ПЗУ является энергонезависимой памятью.

Внешняя память. Внешние запоминающие устройства

Диски относятся к носителям информации с прямым доступом, т.е. ПК может обратиться к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию, непосредственно.

Магнитные диски (МД)— в качестве запоминающей среды используются магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два направления намагниченности. Каждому из этих состояний ставятся в соответствие двоичные цифры — 0 и 1. Информация на МД записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей - дорожек.

Гибкие магнитные диски – дискеты или флоппи-диски - магнитный слой наносится на гибкую основу

Винчестер (англ. HDD - Hard Disk Drive) представляет собой единое электронно-механическое устройство предназначенное для постоянного хранения программ и базы данных. Винчестер или накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД)– важнейший элемент современного компьютера. От его надежности зависит стабильность операционной системы компьютера и сохранность базы данных. Внешне это небольшая прямоугольная коробочка с металлической крышкой сверху и электронной платой с микросхемами снизу. На узкой стороне этого устройства расположены 4-pin разьем питания, сигнальный разьем (IDE или SATA) и четыре пары контактов для установки джамперов(перемычка устанавливающая приоритет винчестера в компьютере). Стандартный винчестер состоит из герметичного моноблока (HDA - Head Disk Assembly) и электронной платы контроллера. В состав блока HDA входят шасси, магнитные диски, механизм привода с двигателями. На электронной плате контроллера находится вся электроника управляющая механизмом винчестера и процессом чтения/записи в устройство. Исключение составляют предварительные усилители сигнала магнитных головок, которые расположены внутри герметичного блока вблизи самих головок и соединяются с платой контроллера с помощью гибкого шлейфа.

Основными элементами конструкции современного винчестера (HDD) являются: - Магнитные диски; - Головки чтения/записи; - Механизм привода головок; - Двигатель привода дисков; - Печатная плата с электронной схемой управления; - Разъемы, элементы конфигурирования и монтажа.

В нутри винчестера находятся несколько дисков накопителя с зеркальной поверх-ностью установленных на единой оси и набор магнитных головок с приводами управления. Диски представляют собой пластины из алюминия, стекла или керамики с нанесенным на них слоем высококачественного ферромагнетика. Состав магнитного покрытия достаточно сложен - оно, как правило, наносится путем напыления или вакуумного осаждения. В первых дисках использовалось покрытие из оксида железа, сегодня в качестве материалов для магнитного покрытия используются как материалы на основе железа и его окислов, так и пленки других магнитных металлов. Покрытия на основе окислов железа и бариевых ферритов являются достаточно мягкими, поэтому их использование в новых разработках почти прекратилось. Металлические пленочные покрытия обеспечивают более высокую плотность записи и прочность поверхности диска. Прочность покрытия особенно важна при использовании дисков в переносных компьютерах, где велика вероятность ударов. После нанесения покрытия диски подвергаются специальной обработке для обеспечения высококачественной поверхности. Обработанные диски собирают в один пакет от 2 до 12 дисков и закрепляют на оси привода. У каждого диска две рабочих поверхности, однако в некоторых устройствах внешние поверхности крайних дисков пакета не используются из конструктивных соображений. Для надежной и качественной работы винчестера важно обеспечить отсутствие пыли в корпусе блока дисков и головок, для чего широко используются барометрические фильтры, выравнивающие давление внутри и снаружи блока дисков.

Скорость вращения магнитных дисков накопителя соответствует 3600 об/мин в первых устройствах, 5400 об/мин и 7200 об/мин. в современных винчестерах. Повышение скорости вращения обеспечивает более высокую скорость чтения/записи винчестера. Рост скорости вращения ограничен механической прочностью, качеством и точностью балансировки дисков.

Информация на магнитных дисках винчестера храниться в секторах расположенных на обеих поверхностях дисков. Сектора в свою очередь располагаются на дорожках (цилиндрах), которых на одной дорожке может быть от 17 до 150 и выше. В начале каждого сектора записывается его заголовок (префикс), по которому определяется начало и номер сектора. В конце каждого сектора записывается заключение (суффикс) содержащее контрольную сумму для проверки целостности данных. Префикс и суффикс являются необходимой служебной информацией, которая записывается при форматировании, данные располагаются между ними.

Данные и служебная информация на диски записывается с помощью магнитных головок. Принцип действия головок винчестера аналогичный головкам обычного магнитофона, однако требования к ним предъявляются значительно более жесткие. Отличаются головки дисковых накопителей и своими малыми размерами.

Головка винчестера не касается поверхности диска, а всегда находится на некотором расстоянии (около 0.13мкм), обеспечиваемом за счет потока воздуха при быстром вращении диска (головка "летит"). Уменьшение зазора между головкой и поверхностью диска увеличивает сигнал при считывании и позволяет снизить ток записи, однако сильно снижает устойчивость устройства к вибрациям и ударам. Тем не менее, работы по уменьшению зазора между диском и головкой не прекращаются ведущими производителями винчестеров и по прогнозам в ближайшие пять лет зазор может быть уменьшен до 0.05мкм. При выключении питания компьютера головки винчестера "паркуются”, т.е. автоматически перемещаются за пределы рабочей зоны дисков во избежание повреждения поверхности диска или головки при их механическом контакте. В первых винчестерах для парковки головок при выключении компьютера запускалась специальная программа возвращающая головки в исходное положение. В современных компьютерах головки винчестера паркуются автоматически. Головки винчестеров изготавливают по двум технологиям: композитные головки; тонкопленочные головки Композитные головки выполнены из феррита на подложке из стекла или твердой керамики. Тонкопленочные головки создаются методом фотолитографии. Магнитный сердечник головки осаждается на керамическую поверхность, что позволяет создать головки с очень малым магнитным зазором. Такая технология дает самую высокую плотность записи и позволяет уменьшить ширину дорожек . Важнейшим элементом устройства винчестера является привод магнитных головок. От типа привода зависит время позиционирования головок (seek time), а значит и производительность винчестера. Поворотный механизм привода с подвижной катушкой используется почти всеми фирмами- производителями накопителей на жестких дисках, т.к. эта конструкция очень легкая и обеспечивает более быстрое позиционирование головок на дорожки, а значит и высокую производительность винчестера. При поворотном приводе головки перемещаются по дуге окружности как в обычном электропроигрывателе, линейный привод обеспечивает перемещение головок по радиусу диска (аналогично проигрывателям с тангенциальным тонармом). Управляет всей работой механизма герметичного моноблока (HDA) контроллер, собранный на печатной плате, крепится снизу к моноблоку. Печатная плата контроллера, элементы конфигурации и монтажные детали съемные. На печатной плате монтируются электронные схемы управления шпиндельным двигателем и приводом головок, схема для обмена данными с контроллером. В большинстве накопителей используются два напряжения питания (5В и 12В), а в малогабаритных портативных компьютерах - лишь 5В. Напряжение 12В необходимо для схемы управления шпиндельным двигателем и приводом магнитных головок. Для обеспечения идеальной чистоты воздуха внутри моноблока винчестера применяются два воздушных фильтра: один из них - фильтр рециркуляции, второй - барометрический. Они не сменные, поэтому располагаются внутри HDA. Фильтр рециркуляции служит для очистки внутренней "воздуха” от небольших частиц и крошек магнитного слоя. Барометрический фильтр служит для выравнивания давления изнутри и снаружи гермоблока. Таким образом, HDA плотно закрыт, но не герметизирован. Через вентиляционные отверстия и фильтр также проникает и влага, появляющаяся в результате конденсации или испарения. Это приводит к необходимости акклиматизации носителей. Например, полная акклиматизация винчестера, принесенного с улицы при температуре -1°С занимает 15 часов. Так устроен винчестер (HDD) - важнейшая составляющая современных компьютеров и ноутбуков.

Накопители на оптических дисках – двоичная информация представляется последовательным чередованием углублений и основного слоя. Оптические делятся на:

• не перезаписываемые лазерно-оптические диски или компакт-диски.

• перезаписываемые RW-диски имеют возможность перезаписывать информацию

Магнитооптические диски (ZIP) - запись на такой диск производится под высокой температурой намагничиванием активного слоя, а считывание - лучом лазера.

Любое периферийное устройство нуждается в специальных программах (для управления каждым устройством - своя). Такие программы называются “драйверами” (от английского drive - приводить в движение, управлять).

Слоты – разъемы для подключения дополнительных устройств.

Слоты расширения представляют собой расположенные на системной плате разъемы для подключения дополнительных устройств внутри системного блока компьютера (например, подключение звуковой карты, видеоадаптера).

Слоты расширения представляют собой расположенные на системной плате разъемы для подключения дополнительных устройств внутри системного блока компьютера (например, подключение звуковой карты, видеоадаптера). Их наличие и количество являются характеристикой материнской платы, а не процессора.

Порт – Внешние (периферийные) устройства, такие как сканер или принтер, подключаются через порты, снабженные разъемами снаружи системного блока.

COM – порты компьютера обеспечивают синхронную и асинхронную передачу данных.

Шина заземления – это проводник с достаточно большим поперечным сечением, к которому подключают соответствующий вывод каждой микросхемы, расположенной на плате, например  системной плате. Шины - USB, PCI, PCI-E, AGP, ISA, EISA. Назначением шин компьютера является соединение между собой его функциональных элементов и устройств.