Устройство персонального компьютера

Внешняя архитектура – видимые устройства

• центральный (системный) блок;

• п ериферия стандартной конфигурации: монитор, клавиатура, «Мышь»;

• периферия расширенной конфигурации: принтер, сканер, стример, модем…

Рисунок 2. Стандартная конфигурация ПК

Внутренняя архитектура – устройства, обеспечивающие протекание информационных процессов, большинство из которых расположены внутри системного блока.

Системный блок

Системный блок ПК включает в себя системную плату с основными электронными компонентами компьютера, поводы разнообразных накопителей, другие платы, блок питания компьютера и т.п.

На системной плате компьютера расположенные основные электронные компоненты компьютера: микропроцессор (МП), оперативная память (ОП), BIOS (базовая система ввода-вывода), вспомогательные микросхемы и т.п.

Существуют IBM PC–совместные персональные компьютеры, в которых на одной системной плате размещены все необходимые для работы компьютера элементы. Такие платы называют All-in-One (“все на одной”). Но большинство ПК имеют такие системные платы, на которые размещенные лишь основные узлы, а элементы связи, например, с монитором, накопителями и другими периферийными устройствами отсутствуют. В таком случае отсутствующие элементы размещаются на отдельных печатных платах, которые потом вставляются в специальные разъемы расширения. Тогда системную плату называют “материнской” (motherboard) , а дополнительные платы – “дочерними”. Функциональные устройства, которые выполнены на “дочерних” платах, часто называют “контроллерами”, или “адаптерами”, а сами дочерние платы – “платами расширения”. Разъемы расширения, в которые вставляются дочерние платы, связываются друг с другом на материнской плате совокупностью параллельных проводников (шин\шлейфов), которые служат для передачи данных и адресов, сигналов управления. Электрические, логические и временные характеристики всех этих сигналов всегда отвечают некоторому определенному стандарту.

Микропроцессоры. Важнейший компонент любого персонального компьютера – это его микропроцессор (МП). МП, как правило, представляет собой сложнейшую интегральную микросхему, реализованную на одном полупроводниковом кристалле, которая может выполнять функции центрального процессора. Часто МП называют чипами (CHIP). Степень интеграции МП определяется размерами кристалла и количеством реализованных в нем транзисторов (от сотен тысяч до нескольких миллионов). Сегодня безусловным лидером по созданию современных МП является фирма Intel (INTegrated Electronics).

МП характеризуется тактовой частотой, длиной слова или разрядностью (внутренней и внешней), архитектурой и набором команд. Первый процессор имел частоту 4,77 МГц, последние свыше 2ГГц. Процессоры могут быть таких типов: IBM, AMD, CELERON, PENTIUM (PRO, II, III, IV) и др.

Сопроцессор – это специализированная микросхема, назначение которой выполнять математические вычисления над числами с плавающей точкой.

Память. Персональные компьютеры используют разные виды памяти: оперативную (внутреннюю), кэш-память, постоянную и внешнюю.

Оперативная память (ОЗУ – оперативное запоминающее устройство) предназначена для сохранения сменной информации, то есть она допускает изменение своего содержимого во время выполнения микропроцессором вычислительных операций. Этот вид памяти обеспечивает режимы записи, чтение и сохранение информации. Так как в любой момент времени доступ может выполняться к любой ячейке памяти, то этот вид памяти называют памятью с произвольной выборкой RAM (Random Access Memory). Для построения запоминающих устройств типа RAM используют микросхемы статической (SRAM – Static RAM) и динамической (DRAM – Dynamic RAM) памяти. Емкость ОЗУ - 1, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024 Мб и более.

Постоянная память обычно удерживает информацию, которая не должна изменяться во время выполнения микропроцессором вычислений по программе. Такая память имеет название ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, что эта память обеспечивает только режимы чтения и сохранение информации. Постоянная память имеет такую особенность, как сохранение информации при отключении питания.

Кэш-память (буферная память) современных компьютеров предназначенная для согласования скорости работы медленных устройств, таких, как динамическая память с более быстрым микропроцессором. Это дает возможность исключить периоды ожидания в работе МП с оперативной памятью, которые снижало бы быстродействие всей системы. В IBM PC – совместных компьютерах технология использования кэш-памяти используется для обмена данными между процессором и оперативной памятью, а также между оперативной памятью и накопителями на сменных и встроенных носителях (дискетки, компакт-диски, жесткие магнитные диски), то есть с внешней памятью.

BIOS и CMOS RAM. Базовая система ввода-вывода BIOS (Basic Input Output System) в IBM PC – совместных компьютерах реализована в виде одной, или двух микросхем, которые установленные на системной плате компьютера. Она включает в себя целый комплекс программ ввода-вывода, благодаря которым операционная система и прикладные программы могут сотрудничать как с разными устройствами компьютера, так и с устройствами, которые подключаются к нему. Кроме того, BIOS включает в себя также программу тестирования компьютера POST (Power-One-Self-Test) и программу начального загрузчика. Последняя программа нужна для загрузки операционной системы из соответствующего накопителя.

Системная BIOS в компьютерах, построенных на микропроцессорах Intel 80286 и выше, неразделимо связанна с сокращением CMOS RAM (Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor RAM). CMOS RAM – эта так называемая “постоянная” память, в которой сохраняется информация о текущих показателях часов, значение времени для будильника, конфигурацию компьютера: объем памяти, количество и тип накопителей, тип монитора и т.п., то есть той информации, которая нужна программным модулям системы BIOS.

Системная шина служит для передачи информации между микропроцессором и другими электронными компонентами компьютера. Системная шина – это совокупность сигнальных линий разного назначения (линии данных, адреса, управление). Передачей информации по шине руководит устройство, которое называют арбитром шины.

Системная шина первых IBM PC и IBM PC/XT была предназначена для одновременной передачи только 8 бит информации. Недавно были приняты новые стандарты для локальных шин: PCI-2 и AGP (Advanced Graphics Port). Первый из них разрешает повысить частоту передачи сигналов по локальной шине до 66 Мгц, второй – до 133 Мгц.

НАКОПИТЕЛИ

Для сохранения программ и данных в ІВМ РС – совместных компьютерах используют разнообразные накопители. Общая емкость таких накопителей в сотни и тысячи раз больше, чем емкость оперативной памяти. Накопитель можно рассматривать как совокупность носителя и соответствующего привода. В зависимости от типа носителя все накопители подразделяются на накопители на магнитной ленте и накопители на дисках. Первые также назваются “накопители последовательного доступа”. По способу записи и чтения информации на носителе дисковые накопители бывают магнитными, оптическими, магнитооптическими. Среди дисковых накопителей выделяют:

• накопители на гибких магнитных дисках;

• накопители на жестких магнитных дисках (винчестеры);

• накопители на магнитооптических дисках;

• накопители на оптических дисках с одноразовой записью и многоразовым чтением WORM (Write Once Read Many);

• накопители на оптических компакт-дисках CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory).

Винчестеры (НDD). Практически все IBM PC – совместные компьютеры имеют в своем составе хотя бы один накопитель на жестком диске или винчестере.

Р исунок 3. Винчестеры

В 1973 году фирма ІВМ разработала первый жесткий диск, который мог сохранять до 16 Кбайт информации. Так как этот диск имел 30 дорожек, любая из которых была разбитая на 30 секторов, то сначала это устройство имело название “30/30”. По аналогии с автоматическими винтовками, которые имело калибр 30/30 жесткие диски получили прозвище “винчестер”. Первые винчестеры имели плотность записи до 300 дорожек/дюйм и 5600 бит/дюйм.

Сегодня плотности записи может превышать 600 Гбайт на квадратный дюйм. Во время записи цифровая информация (в виде нулей и единиц) превращается в сменный электрический ток, который подается на магнитную головку записи-чтения. Так как магнитное покрытие диска представляет собой большое количество очень маленьких областей спонтанной намагниченности (доменов), то под действием внешнего магнитного поля, которое создается головкой, собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с его направлением. После снятия внешнего поля на поверхности диска в результате записи информации остаются зоны остаточной намагниченности в форме концентрических кругов – это и есть магнитные дорожки. Совокупность таких дорожек, размещенных на всех рабочих поверхностях дисков, называется цилиндром. Концентрические дорожки разбиваются на дуги (так называемые секторы), которые являются одной из основных единиц записи информации на жесткий диск. Для повышения числа бит записанных на одной дорожке используются разные методы кодирования и записи данных.

Поверхность нового магнитного носителя не подготовлена к работе. Для того чтобы на магнитном носителе получить нужную структуру диска (дорожки, цилиндры, секторы) над ним должна быть выполненная операция, которая называется физическим (physical), или низкого уровня (low-level) форматированием. Во время выполнения этой процедуры контроллер МД записывает на носитель служебную информацию, которая делает разметку цилиндров диска на секторы и нумерует их. Как правило, структура формата включает в себя байты синхронизации, которые указывают на начало каждого сектора, идентификационные заголовки, которые состоят из номеров головки, сектора и цилиндра, а также байтов циклического контроля парности (CRC, Cyclic Redundancy Check) и коды, которые предназначенные для поиска ошибок (ECC, Error Correction Code). К форматированию низкого уровня относят также маркировку дефектных секторов для того, чтобы исключить обращения к ним в процессе эксплуатации диска.

Кроме своих геометрических размеров винчестеры характеризуются такими параметрами как емкость, среднее время доступа к данным, скорость передачи данных, среднее время безотказной работы. Емкость диска измеряется в мегабайтах, среднее время доступа к данным на диске измеряется в миллисекундах, скорость передачи данных (внутренняя и внешняя) измеряется в мегабитах или в мегабайтах за секунду, а среднее время безотказной работы в тысячах часов (например, 200 000 часов, то есть более чем 20 лет).

Сектор стандартного размера винчестера сохраняет 512 байт данных. Каждый системный диск содержит собственную систему для сохранения файлов, которая называется таблицей размещения файлов (File Allocation Table - FAT).

На логическом уровне вся совокупность секторов рассматривается как непрерывная однородная последовательность с номерами секторов. Один или несколько секторов с соседними номерами образуют логическую единицу распределения внешней памяти (кластер). Размер всех кластеров на одном диске одинаковый и зависит от размера диска:

Размер диска Размер кластера

0,016 - 8 Гб 4096

8 - 16 Гб 8192

16 - 32 Гб 16384

> 32 Гб 32768

Винчестер обладает высокой надежностью и большим объемом сохраняемой информации (стандартные 10,2; 17,2; 25; 40; 60; 80 Gb…). Винчестер вращается с очень большой скоростью (частота вращения шпинделя составляет 5400-7200 и 10000 мин^-1) и представляет собой маховик. Поэтому даже небольшой толчок во время работы компьютера может привести к поломке дорогостоящего винчестера и потере всей информации. Поэтому никогда нельзя передвигать включенный компьютер.

Используемая в винчестере кэш-память значительно увеличивает (на 40-90%) быстродействие винчестера и имеет объем от 64 Кб до 2 Мб.

Еще одной важной характеристикой накопителей является их способ подключения к компьютеру (интерфейс). Так, для подключения накопителей к IBM PC–совместных компьютеров сегодня используются интерфейсы IDE (Integrated Drive Electronics), ATA (AT Attachment), SCSI (Small Computer System Interface).

Интерфейс SCSI был разработан еще в конце 70-х лет консорциумом Shugart Associates под названием SASI (Shugart Associates System Interface). После его стандартизации в 1986 году, он получил имя SCSI и стал одним из самых распространенных промышленных стандартов для подключения к компьютерам таких периферийных устройств как винчестеры, стримеры, сменные жесткие и оптические диски и т.п. Так как SCSI выполняет параллельную пересылку данных, то это разрешает ему существенно увеличить скорость обмена данными. К шине SCSI можно подключать до 8 разных устройств как ведущих так и ведомых. Физически SCSI – шина представляет собой плоский кабель с 50-контактными разъемами для подключения периферийных устройств. Одним из этих устройств является основной (хост) адаптер SCSI. Шина SCSI имеет 8 линий данных, которые дополняются линией парности и 9 линий для сигналов управления. По этой шине можно выполнять как синхронные так и асинхронные передачи данных. Скорость передачи данных по 8 – разрядной SCSI-шине достигает 1.5 Мбайтов/с в асинхронном и 3-4 Мбайтов/с в синхронном режимах.

Дальнейшим развитием спецификации SCSI стал стандарт SCSI-2, к которому были включенные команды поддержки таких устройств как приводы СD-ROM, сканеры, коммутационные устройства, оптические накопители и т.п..

Накопители на гибких магнитных дисках (FDD). Большинство IBM PC–совместных компьютеров оснащается приводами для сменных гибких магнитных дисков (флоппи-дисков, НГМД). Носителем информации в таких накопителях являются небольшие гибкие пластиковые диски с магнитным покрытием (рисунок 4), которые помещаются в специальном жестком бумажном конверте (диаметр диска 5,25 дюйма) или в пластмассовом корпусе (диаметр диска 3,5 дюйма).

Р исунок 4. Гибкие магнитные диски ПЭОМ

Сокращения на дисках означают: DD (Double Density) двойная плотность, HD (High Density) высокая плотность, DS (Double Sides) двусторонний, bpi (bit per inch) плотность записи в битах на дюйм, tpi (track per inch) – количество дорожек на дюйм. Наиболее распространенными в настоящее время являются дискеты 2HD (3,5”) с объемом хранимой информации 1,44Мб.

В последнее время для резервного копирования информации жестких дисков стали использовать накопители с сверхвысокой плотностью записи VHD (Very High Density). VHD дискетки напоминают 3,5” дискетки, но плотность записи на них намного выше. Емкость таких дискет от 2,88 Мб до 20,8 Мб.

С тримеры. Среди всех накопителей на магнитной ленте для ПЭОМ особое место занимают стримеры (Streamers). Вообще стример – это специальный механизм протяжки ленты, которая работает в инерционном режиме.

Рисунок 5. Стримеры

Магнитная лента шириной 4мм или 8мм размещается в кассете (картридже). Существует несколько стандартов записи информации на ленту стримера. Наиболее известны среди них QIC-40 и QIC-80 (QIC, Quarter Inch Cartridge). Стандартное устройство QIC-80 может поддерживать без уплотнения данных резервное копирование емкостью до 400 Мб, а новый стандарт QIC-3010 – более 800 Мб.

Накопители на сменных жестких дисках (ZIP, JAZ). Среди накопителей на сменных жестких дисках (Removable Hard Disk Drives) заметное место занимают устройства фирмы SyQuest. Носители информации таких дисков, нанесенные на жесткую металлическую основу, носят название картриджей. Приводы для этих носителей извне похожи на привоводы внешних накопителей для 5,25” или 3,5” дискет. Скорость обращения диска составляет близко 3000 оборотов в минуту, а время доступа изменяется от 20 до 13,5 мс. Емкость одного сменного диска колеблется от 44 до 270 Мб.

Накопители на компакт-дисках (оптических дисках). Благодаря маленьким размерам, большой емкости (~ 700 Мб), надежности и долговечности компакт-дисков (Compact Disk Read Only Memory или CD-ROM) подобные накопители с успехом используются как устройства внешней памяти. Информация на них записывается и читается с помощью лазерного луча.

С корость передачи данных CD-ROM определяется скоростью вращения диска и плотностью записанных на нем данных и составляет от 150 Кбайт/с, 600 Кбайт/с, 3 Мбайт/с и выше.

Рисунок 6. Накопитель CD-ROM

Достаточно удобно пользоваться перезаписываемыми компакт-дисками CD-R (CD-Recordable), которые дают возможность записывать (или дописывать посредством мультисессии) на них информацию пользователем, а также CD-RW, которые позволяют записывать на них информацию многократно.

DVD (Digital Versatile Disk) – универсальный цифровой диск для записи видео и аудиоинформации, а также для компьютерных данных.

Магнитооптические накопители. Магнитооптические накопители записывают информацию, которая представлена в виде колебаний магнитного поля на соответствующий носитель с помощью дополнительного магнитного поля и луча лазера. В отличие от компакт-диска у магнитооптического диска используются обе стороны. Емкость одного двустороннего носителя может достигать от сотен мегабайт до нескольких гигабайт. Геометрические размеры магнитооптических дисков такие же как и в НГМД (5,25 ли 3,5 дюйма). Время сохранения информации на магнитооптических дисках от 30 до 50 лет и более.

Название устройства	НDD	FDD	CD-ROM	CD-RW	Стример	магнито-оптичес-кий диск	ZIP-диск	JAZ-диск
Приблизи-тельная емкость	>120Gb	1,44Мb	~ 680 Mb	~ 680 Mb	< 70 Gb	< 3 Gb	< 250 Мb	< 1 Gb