Аппаратное обеспечение вычислительной системы

К аппаратному обеспечению вычислительных систем относятся устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию.

Согласование между отдельными узлами и блоками выполняется с помощью переходных аппаратно-логических устройств, называемых аппаратными интерфейсами. Стандарты на аппаратные интерфейсы в вычислительной технике называют протоколами. Таким образом, протокол – это совокупность технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств, для успешного согласования их работы с другими устройствами.

1. Базовая конфигурация персонального компьютера

Персональный компьютер – универсальная техническая система, его конфигурацию можно гибко изменять по мере необходимости. Тем не менее, существует понятие базовой (типовой) конфигурации. В настоящее время в базовую конфигурацию входят четыре устройства:

• системный блок;

• монитор;

• клавиатура;

• мышь.

1.1. Системный блок

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными.

По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса. Корпуса персональных компьютеров выпускают в горизонтальном и вертикальном исполнении. Корпуса персональных компьютеров поставляются вместе с блоком питания, и таким образом, мощность блока питания также является одним из параметров корпуса.

Материнская плата

Материнская плата – основная плата персонального компьютера. На ней размещаются:

• процессор – основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций;

• микропроцессорный комплект (чипсет) – набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы;

• шины – наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;

• ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) – набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен.

• ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) – микросхема, предназначенная для длительного хранения данных, в том числе и когда компьютер выключен;

• разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты).

Процессор

Процессор – основная микросхема компьютера, в которой и производятся вес вычисления.

Основными параметрами процессоров являются:

• рабочая тактовая частота, определяющая количество элементарных операций (тактов), выполняемых процессором за единицу времени. Тактовая частота современных процессоров измеряется в ГГц (1 Гц соответствует выполнению одной операции за одну секунду). Чем больше тактовая частота, тем больше команд может выполнить процессор, и тем больше его производительность.

• разрядность показывает, сколько бит данных процессор может принять и обработать в своих регистрах за один такт. Разрядность процессора определяется разрядностью командной шины, то есть количеством проводников в шине, по которой передаются команды.

• рабочее напряжение обеспечивается материнской платой, поэтому разным маркам процессоров отвечают разные материнские платы. Рабочее напряжение процессоров не превышает 3 В. Снижение рабочего напряжения позволяет уменьшить размеры процессоров, а также уменьшить тепловыделение в процессоре, что дает возможность увеличить его производительность без угрозы перегрева.

• коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты – это коэффициент, на который умножается тактовая частота материнской платы, для достижения частоты процессора. Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая из чисто физических причин не может работать на таких высоких частотах, как процессор.

• размер кэш-памяти. Обмен данными внутри процессора происходит намного быстрее, чем обмен данными между процессором и оперативной памятью. Поэтому, для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают так называемую сверхоперативную или кэш-память. Когда процессору нужны данные, он сначала обращается к кэш-памяти, и только тогда, когда там отсутствуют нужные данные, происходит обращение к оперативной памяти.

Шины

С другими устройствами процессор связан группами проводников, которые называются шинами. Основных шин три:

• шина данных – по ней происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и наоборот.

• адресная шина – данные, которые передаются по этой шине, трактуются как адреса ячеек оперативной памяти. Именно из этой шины процессор считывает адреса команд, которые необходимо выполнить, а также данные, с которыми оперируют команды.

• командная шина – по этой шине из оперативной памяти поступают команды, выполняемые процессором. Команды представлены в виде байтов. Простые команды вкладываются в один байт, но есть и такие команды, для которых нужно два, три и больше байта.

Шины на материнской плате используются не только для связи с процессором. Все другие внутренние устройства материнской платы, а также устройства, которые подключаются к ней, взаимодействуют между собой с помощью шин.

Внутренняя память

Под внутренней памятью понимают все виды запоминающих устройств, расположенные на материнской плате. К ним относятся:

• оперативная память (RAM) – это массив кристаллических ячеек, способных сохранять данные. Она используется для оперативного обмена информацией между процессором, внешней памятью и периферийными системами. Из нее процессор берет программы и данные для обработки, в нее записываются полученные результаты. Название «оперативная» происходит оттого, что эта память работает очень быстро и процессору не нужно ждать при считывании и записи данных. Однако данные в ней сохраняются лишь временно при включенном компьютере. Основными характеристиками оперативной памяти являются объем памяти и время доступа (измеряется в миллиардных долях секунды – наносекундах, нс).

• постоянная память (ROM) – в момент включения компьютера в его оперативной памяти отсутствуют любые данные, поскольку оперативная память не может сохранять данные при отключенном компьютере. Но процессору необходимы команды, в том числе и сразу после включения. Поэтому процессор обращается по специальному стартовому адресу, который ему всегда известен, за своей первой командой. Этот адрес указывает на память, которую принято называть постоянной памятью ROM или постоянным запоминающим устройством (ПЗУ). Микросхема ПЗУ способна продолжительное время сохранять информацию, даже при отключенном компьютере. Программы, находящиеся в ПЗУ, записываются туда на этапе изготовления микросхемы. Комплект программ, находящийся в ПЗУ образовывает базовую систему ввода/вывода BIOS (Basic Input Output System). Основное назначение этих программ состоит в том, чтобы проверить состав и трудоспособность системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жесткими и гибкими дисками.

• энергонезависимая память (CMOS) – для своей работы программы BIOS требуют всю информацию о текущей конфигурации системы. Эту информацию нельзя сохранять в оперативной или постоянной памяти. Специально для этих целей на материнской плате есть микросхема энергонезависимой памяти, которая называется CMOS. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не исчезает при отключении компьютера, а от постоянной – тем, что данные можно заносить туда и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы. Микросхема памяти CMOS постоянно питается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. Таким образом, программы BIOS считывают данные о составе компьютерной системы из микросхемы CMOS, после чего они могут осуществлять обращение к жесткому диску и другим устройствам.

Накопитель на гибком магнитном диске

Для оперативного переноса небольших объемов данных используют так называемые гибкие магнитные диски (дискеты), которые вставляют в специальный накопитель – дисковод.

Информация на дискету записывается по концентрическим окружностям, называемым дорожками. Дорожки, в свою очередь, делятся на отдельные секторы, между которыми имеются так называемые межсекторные промежутки.

Основными параметрами гибких дисков являются технологический размер (измеряется в дюймах) и полная емкость.

Гибкие диски – ненадежные носители данных. Пыль, грязь, влага, температурные перепады и внешние электромагнитные поля очень часто становятся причиной частичной или полной утраты записей, хранившихся на гибком диске. Поэтому использовать гибкие диски в качестве основного средства хранения данных недопустимо. Их используют только для транспортировки данных или в качестве дополнительного (резервного) средства хранения.

Накопитель на жестком магнитном диске

Жесткий диск – основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ. На самом деле это не один диск, а группа составных дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой скоростью. Таким образом, этот «диск» имеет не две поверхности, а 2n поверхностей, где n – число отдельных дисков в группе.

Над каждой поверхностью располагается головка, предназначенная для чтения-записи данных. При высоких скоростях вращения дисков в зазоре между головкой и поверхностью образуется аэродинамическая подушка, и головка парит над магнитной поверхностью на высоте, составляющей несколько тысячных долей миллиметра. При изменении силы тока, протекающего через головку, происходит изменение напряженности динамического магнитного поля в зазоре, что вызывает изменения в стационарном магнитном поле ферромагнитных частиц, образующих покрытие диска. Так осуществляется запись данных на магнитный диск.

Управление работой жесткого диска выполняет специальное аппаратно-логическое устройство – контроллер жесткого диска. В настоящее время функции контроллеров дисков выполняют микросхемы, входящие в микропроцессорный комплект (чипсет), хотя некоторые виды высокопроизводительных контроллеров жестких дисков по-прежнему поставляются на отдельной плате.

Основными характеристиками жестких дисков являются информационная емкость, плотность записи, число дорожек, время доступа, наружные габариты.

Жесткие диски несменяемы. Они требуют очень бережного обращения, поскольку даже при незначительной тряске или ударах головки легко могут быть повреждены.

Накопители на компакт-дисках

Накопители на сменных компакт-дисках СD-RОМ (Сoтраct Disc Read-0п1у Метоry – постоянное запоминающее устройство на основе компакт-диска) являются популярным видом накопителей, необходимых для использования систем мультимедиа. Принцип действия этого устройства состоит в считывании числовых данных с помощью лазерного луча, отражающегося от поверхности диска. Цифровая запись на компакт-диске отличается высокой плотностью. Накопители на сменных компакт-дисках обеспечивают относительно медленный доступ к данным. Информации на обычные компакт-диски записывается единожды в процессе изготовления.

Накопители CD-R (CD-Recordable) внешне похожи на накопители CD-ROM и совместимые с ними по размерам дисков и форматам записи. Позволяют выполнить одноразовую запись и неограниченное количество считываний.

Накопители CD-RW (CD-ReWritable) используются для многоразовой записи данных, причем можно как дописать новую информацию на свободное пространство, так и полностью перезаписать диск новой информацией.

Накопители DVD (Digital Video Disk) – устройства для чтения цифровых видеозаписей. DVD-диски отличаются большой информационной емкостью, допускают перезапись информации.

Flash-память – это энергонезависимый тип памяти, позволяющий записывать и хранить данные в микросхемах. Карты flash-памяти не имеют в своем составе движущихся частей, что обеспечивает высокую сохранность данных при их использовании в мобильных устройствах.

Flash-память представляет собой микросхему, помещенную в миниатюрный плоский корпус. Для считывания или записи информации карта памяти подключается к компьютеру через USB-порт.

1.2. Монитор

Монитор – это стандартное устройство вывода, предназначенное для визуального отображения текстовых и графических данных. В зависимости от принципа действия, мониторы делятся на:

• мониторы с электронно-лучевой трубкой;

• дисплеи на жидких кристаллах.

Монитор с электронно-лучевой трубкой похож на телевизор. Электронно-лучевая трубка представляет собой электронно-вакуумное устройство в виде стеклянной колбы, в горловине которой находится электронная трубка, на дне – экран со слоем люминофора. При нагревании, электронная пушка излучает поток электронов, которые с высокой скоростью двигаются к экрану. Поток электронов (электронный луч) проходит через фокусирующую и отклоняющую катушку, которая направляет его в определенную точку люминофорного покрытия экрана. Под действием электронов, люминофор излучает свет, который видит пользователь. Электронный луч двигается довольно быстро, расчерчивая экран строками слева направо и сверху вниз.

В дисплеях на жидких кристаллах (Liquid Crystal Display – LCD) поляризационный фильтр создает две разные световые волны. Световая волна проходит сквозь жидкокристаллическую ячейку. Каждая ячейка имеет свой цвет. Жидкие кристаллы представляют собой молекулы, которые могут перетекать как жидкость. Это вещество пропускает свет, но под действием электрического заряда, молекулы изменяют свою ориентацию. Для таких мониторов характерна низкая мощность потребления электроэнергии.

С точки зрения пользователя, основными характеристиками монитора являются размер по диагонали, разрешающая способность, частота регенерации (обновление) и класс защиты.

Размер монитора. Экран монитора измеряется по диагонали в дюймах. В настоящее время наиболее универсальными являются мониторы размером 17 и 19 дюймов. Мониторы большого размера лучше использовать для настольных издательских систем и графических работ, в которых нужно видеть все детали изображения.

Разрешающая способность. В графическом режиме работы изображение на экране монитора состоит из точек (пикселов). Количество точек по горизонтали и вертикали, которые монитор способный воссоздать четко и раздельно называется его разрешающей способностью. Чем больше разрешающая способность, тем лучше качество изображения.

Частота регенерации (частота кадровой развертки) показывает, сколько раз в секунду монитор может полностью обновить изображение на экране. Частота регенерации измеряется в герцах (Гц). Чем больше частота, тем меньше усталость глаз и больше времени можно работать непрерывно. Этот параметр зависит и от характеристик видеоадаптера – платы расширения, обеспечивающей формирование изображения на экране монитора на основе информации, передаваемой от процессора.

Класс защиты монитора определяется стандартом, которому отвечает монитор с точки зрения требований техники безопасности. Общепринятыми считаются международные стандарты, ограничивающие уровни электромагнитного излучения, устанавливающие жесткие нормы, по параметрам, определяющим качество изображения (яркость, контрастность, мерцание, антибликовые свойства покрытия), эргометрические и экологические нормы, в рамках, безопасных для здоровья человека.