Апаратне і програмне забезпечення пк. Основні блоки персонального комп'ютера

До початку 70-х років обчислювальні машини були доступні дуже обмеженому колу фахівців, а їхнє застосування, як правило, було окутане завісою таємності і мало відоме широкій публіці. Але у 1971 р. відбулася подія, що змінила ситуацію і з фантастичною швидкістю перетворила комп'ютер у повсякденний робочий інструмент десятків мільйонів людей. У тому, поза всяким сумнівом, знаменному році ще майже нікому не відома фірма Intel з невеликого американського містечка з красивою назвою Санта-Клара (шт. Каліфорнія) випустила перший мікропроцесор. Саме йому ми зобов'язані появою нового класу обчислювальних систем - персональних комп'ютерів, який тепер використовують, власне кажучи, усі – від учнів початкових класів, бухгалтерів до відомих вчених і інженерів. Ці машини, що не займають і половини поверхні звичайного письмового столу, виконують все нові і нові класи завдань, що раніше були доступні (а з економічних міркувань, часто і недоступні - занадто дорого тоді коштував машинний час мейнфреймів і міні-еом) лише системам, що займали не одну сотню квадратних метрів. Напевно, ніколи раніше людина не мала у своїх руках інструменту, що володіє настільки колосальною міццю при настільки мікроскопічних розмірах.

15 листопада 1971 р. можна вважати початком нової ери в електроніці. У цей день компанія почала постачати перший у світі мікропроцесор Intel 4004 (саме таке позначення отримав перший прилад, що став відправною точкою абсолютно нового класу напівпровідникових пристроїв).

Створивши новий ринок і захопивши на ньому панівні висоти, Intel, проте, прагнула розширити його межі, і за ці роки процесори пройшли воістину гігантський шлях.

Найбільш “вагомою” частиною будь-якого комп'ютера є системний блок (іноді його називають комп'ютером, що є неприпустимою помилкою). Усередині нього розташовані блок живлення, плата з центральним процесором (ЦП), відеоадаптер, жорсткий диск, дисководи гнучких дисків і інші пристрої введення/виводу інформації. Найчастіше відеоадаптер і контролери введення/виводу розташовані просто на платі. У системному блоці можуть розташовуватись засоби мультимедіа: звукова плата і пристрій читання оптичних дисків - CD-ROM, CD-RW, DVD-ROM, DVR-RW. Крім того, у поняття “комп'ютер” входить клавіатура, “мишка” і монітор.

Системний блок комп'ютера містить всі основні пристрої:

• електронні схеми, які керують роботою комп'ютера (мікропроцесор, оперативна пам'ять, контролери зовнішніх пристроїв та ін.);

• блок живлення;

• накопичувачі (дисководи) для гнучких магнітних дисків;

• накопичувач на жорсткому магнітному диску (вінчестері).

Процесор - основна частина комп'ютера. Він призначений для опрацювання інформації програми, яка занесена в оперативну пам'ять, та керування пристроями вводу-виводу. Основна характеристика процесора - його швидкодія.

Розглянемо типи процесорів, що застосовувалися у свій час.

Процесор і80286 був анонсований 1 лютого 1982 р. Архітектура і характеристики чіпа виявилися вражаючими. Залишившись 16-розрядним приладом за продуктивністю новий ЦП у 3—6 разів перевершив свого попередника (i8086) при тактовій частоті першої модифікації 8 Мгц. Завдяки використанню багатовивідного корпуса конструктори змогли застосувати схему з роздільними шинами адрес і даних. 24 розряди адреси дозволили звертатися до фізичної пам'яті обсягом до 16 Мбайт (таку ж ємність мали тоді і старші моделі більшості мейнфреймів). Вбудована система керування пам'яттю і засоби її захисту відкривали широкі можливості використання МП у багатозадачних середовищах. Крім того, апаратура і80286 забезпечувала роботу з віртуальною пам'яттю обсягом до 1 Гбайт.

Первісток 32-розрядних систем i80386 був представлений 17 жовтня 1985 р. і мав всі права на звання процесора - ЕОМ загального призначення. Використання технології з проектними нормами 1 мкм і двома рівнями металізації дозволило розташувати на кристалі 275 тис. транзисторів і реалізувати цілком 32-розрядну архітектуру ЦП. 32-розрядні адреси забезпечили адресацію фізичної пам'яті обсягом до 4 Гбайт і віртуальної пам'яті ємністю до 64 Тбайт. Крім роботи з віртуальною пам'яттю, допускалися операції з пам'яттю, що мала сторінкову організацію. Попередня вибірка команд, буфер на 16 інструкцій, конвеєр команд і апаратна реалізація функцій перетворення адреси значно зменшили середній час виконання команди. Завдяки цим архітектурним особливостям, процесор міг виконувати 3 - 4 млн. команд за секунду, що приблизно у 6 - 8 разів перевищувало аналогічний показник для МП і8086. Безумовно, новий прилад залишився сумісним зі своїми попередниками на рівні об'єктних кодів.

Стрімкий ріст програмного забезпечення і постійне розширення сфери застосування комп'ютерів постійно вимагали істотного росту обчислювальної потужності центральних процесорів ПК. До всього іншого, на п'яти почали наступати і RISC-процесори. Хоча наприкінці 80-х років деякі експерти пророкували близький кінець кристалів CISC, корпорація Intel цілком справедливо визначила, що до цього ще далеко й у мікропроцесорах використані не всі можливості СISC-архітектури. Крім того, фірмі навряд чи вибачили б відмову від програмної сумісності з попередніми моделями - вартість накопиченого системного і прикладного ПО вже вимірювалася в мільярдах доларів.

27 березня 1995 р. Intel представила мікропроцесор шостого покоління, що одержав назву Pentium Pro. Прагнення вичавити з CISC-архітектури прак­тично все, на що він здатен, змусило тих, хто розробляв цей продукт, ви­користовувати майже всі технічні рішення, що раніше застосовувалися в су­пер-ЕОМ. Насамперед мова йде про використання механізму динамічного поділу порядку виконання команд декількох багатоступінчастих конвеєрів замість двох 5-східчастих конвеєрів, характерних для Pentium. Новий ЦП має їх три, у кожному з яких 14 ступенів. Подібний багатофазовий конве­єр дозволив забезпечити високу тактову частоту процесора (133 Мгц у пер­шій моделі). Для здійснення постійного завантаження конвеєра необхідний високоефективний набір кеш-команд і високоякісна схема пророкування переходів. Тому, на відміну від свого попередника, що мав двовхідний асо­ціативний кеш, Pentium Pro володіє більш ефективним чотиривхідним ке­шем, а також схемою пророкування розгалужень на 512 входів. Крім того, для підвищення продуктивності була застосована буферна пам'ять друго­го рівня ємністю 256 Кбайт, розташована в окремому чіпі і змонтована в то­му ж корпусі, що і процесор. Кристал кеша пов'язаний із процесором влас­ною синхронною 64-розрядною шиною, що працює на тактовій частоті процесора.

Як і процесор Pentium Pro, процесор Pentium II використовує архітектуру подвійної незалежної шини, що підвищує роздільну здатність і продуктивність. Використовує нову технологію корпусів - картридж з одностороннім контактом (Single Edge Contact - S.E.C.), який оптимізований для роботи з 32-розрядними додатками й операційними системами, 32 Кб (16K/16K) кешу, що не блокується, першого рівня, 512Кб загального кешу, що не блокується, другого рівня. Для масштабуємих систем забезпечується підтримка двох процесорів і до 64 Гб фізичної пам'яті.

Процесор Pentium II має додаткові можливості роботи з бізнес-додатками з інтенсивним використанням засобів зв'язку, мультимедіа і Internet. Програми, розроблені для технології Intel MMX, забезпечують повно екранне живе відео, розширену колірну гаму, реалістичну графіку й інші можливості мультимедіа. У системи на базі процесорів Pentium II включені нові функції, що спрощують керування системою і знижують сукупну вартість володіння ПК як у малому, так і у великому бізнесі.

Пізніше з’явились модернізовані процесори Pentium III, IV та V.

Практично всі комп'ютери використовують три види пам'яті: оперативну, постійну і зовнішню.

Оперативна пам'ять призначена для збереження змінної інформації, ос­кільки вона допускає зміну свого вмісту в ході виконання мікропроцесо­ром обчислювальних операцій. Таким чином, цей вид пам'яті забезпечує режими запису, зчитування і збереження інформації. Оскільки в будь-який момент часу доступ може здійснюватися до довільно обраного осеред­ку, то цей вид пам'яті називають також пам'яттю з довільною вибіркою – RAM (Random Access Memory). Для побудови запам'ятовуючих пристроїв типу RAM використовують мікросхеми статичної і динамічної пам'яті.

Постійна пам'ять звичайно містить таку інформацію, що не повинна змінюватися в ході виконання мікропроцесорів програми. Постійна пам'ять має, власне, назву - ROM (Read Only Memory), що вказує на те, що вона забезпечує тільки режими зчитування і збереження. Постійна пам'ять має ту перевагу, що може зберігати інформацію і при відключеному живленні. Ця властивість отримала назву енергонезалежність. Усі мікросхеми постійної пам'яті за методом занесення в них інформації (програмування) поділяються на масові (ROM), програмовані виробником, одноразово програмовані користувачем (Programmable ROM) і багаторазово програмовані користувачем (Erasable PROM).

Кеш-пам'ять призначена для узгодження швидкості роботи порівняно повільних пристроїв, таких, наприклад, як динамічна пам'ять з відносно швидким мікропроцесором. Використання кеш-пам'яті дозволяє уникати циклів простоїв в його роботі, що знижують продуктивність усієї системи.

За допомогою технології обробки, що використовує кеш-пам'ять, робиться спроба погодити роботу повільних зовнішніх пристроїв зі швидким процесором. У перекладі з англійської слово “сасhе” означає не що інше, як притулок чи схованка. Ці значення, мабуть, можна тлумачити по-різному: і як те, що кеш, по суті, є проміжним буферним запам'ятовуючим пристроєм, і як те, що робота кеш-пам'яті практично прозора (тобто невидима) для користувача. До речі, у вітчизняній літературі синонімом кеш-пам'яті є термін “поверхоперативна пам'ять”.

Відповідний контролер кеш-пам'яті повинен слідкувати за тим, щоб коман­ди і дані, що будуть необхідні мікропроцесору у визначений момент ча­су, виявлялися в кеш-пам'яті саме до цього моменту. При деяких зверненнях до оперативної пам'яті відповідні значення заносяться в кеш. У ході нас­тупних операцій читання по цих кеш-адресах пам'яті звернення відбувається тільки до кеш-пам'яті, без витрати процесорного часу, що неминуче при роботі з основною динамічною пам'яттю. У персональних комп'ютерах тех­нологія використання кеш-пам'яті знаходить застосування насамперед при обміні даними між мікропроцесором і оперативною пам'яттю, а також між основною пам'яттю і зовнішньою (накопичувачами на магнітних носіях).

Базова система вводу-виводу BIOS (Basic Input-Output System) називається так тому, що містить у собі великий набір програм вводу-виводу, завдяки яким операційна система і прикладні програми можуть взаємодіяти з різними пристроями як самого комп'ютера, так і з пристроями, підключеними до нього.

Накопичувачі на жорсткому диску (вінчестери) призначені для постійного збереження ін­формації, яка використовується при роботі з комп'ютером: програм операційної системи, час­то використовуваних пакетів програм, редакторів документів, трансляторів з мов прог­ра­му­вання і т.д. Наявність жорсткого диску значно підвищує зручність роботи з комп'ютером.

Для користувача накопичувачі на жорстких дисках відрізняються один від одного насамперед своєю ємністю, тобто тим, скільки інформації міститься на диску. На сьогодні використовуються жорсткі диски з інтерфейсом SCSI.

Жорсткий диск (вінчестер), як правило, вмонтований в системний блок, служить для запису та зберігання великої кількості інформації.

Дисководи - для гнучких дисків - пристрої для введення інформації на гнучких дисках.

Монітор (дисплей) комп'ютера IBM PC призначений для виводу на екран текстової і графічної інформації. Монітори можуть працювати в одному з двох режимів: текстовому чи графічному.

У текстовому режимі екран монітора умовно розбивається на ділянки - знакомісця, найчастіше на 25 рядків по 80 символів. У кожне знакомісце може бути введений один з 256 символів. У число цих символів входять великі і малі латинські букви, цифри, визначені символи, а також псевдографічні символи, використовувані для виводу на екран таблиць і діаграм, побудови рамок навколо ділянок екрана і таке інше.

Графічний режим призначений для виводу на екран графіків, малюнків і т.ін. Звичайно, в цьому режимі можна виводити і текстову інформацію у вигляді різних написів, причому ці написи можуть мати довільний шрифт, розмір і ін.

Отже, монітор - пристрій для відображення текстової та графічної інформації на екрані. Основні характеристики моніторів - розмір екрана по діагоналі та чіткість зображення (кількість точок на 1 см² ).

Клавіатура - пристрій для введення алфавітної і цифрової інформації. Стандартні клавіатури ІВМ РС поділяються на 84 - і 105- клавішні. Існує розширена 107 - клавішна клавіатура, створена спеціально для Internet.

Як відомо, клавіатура є основним пристроєм введення інформації в комп'ютер. У тех­нічному аспекті цей пристрій являє собою сукупність механічних датчиків, що сприймають тиск на клавіші і замикають тим чи іншим методом визначений електричний ланцюг.

Розглянемо значення клавіш:

ESC – відміна виконання дії;

F1–F10 – функціональні клавіші;

Pause – тимчасова зупинка виконання програми чи дії;

Tab – режим табуляції (відступи, абзаци);

Caps Lock – вмикає/вимикає режим набору великих літер;

Shift – одночасний натиск цієї клавіші з іншою виводить символ верхнього регістру або велику літеру;

Space – пробіл, пусте місце;

Enter – виконати дію; перевести курсор на новий рядок;

Backspace – знищує символ вліво від курсору;

Delete – знищує символ вправо від курсору;

Insert – вмикає режим вставки символів між іншими або режим заміни символів;

Home – переводить курсор на початок рядка;

End – переводить курсор на кінець рядка;

Page Up – переводить курсор на одну екранну сторінку вверх;

Page Down – переводить курсор на одну екранну сторінку вниз;

Num Lock – вмикає/вимикає режим набору цифр додаткової клавіатури.

Миша - пристрій, виготовлений у вигляді пластмасової коробочки з вмонтованою кулькою і, як правило, двома (трьома) клавішами. При переміщенні миші по робочому столі вка­зів­ник миші переміщується по екрану монітора. Аналогічні пристрої - трекбол і трекпойнт.

Миші і трекболи є координаторними пристроями введення інформації в комп'ютер. Звичайно, цілком замінити клавіатуру вони не можуть. Не секрет, що своєю популярністю миша зобов'язана поширенню графічного інтерфейсу й в основному компанії “Microsoft”.

Принтер - пристрій для друку текстової, а часто і графічної інформації. Принтери бувають матричні, струменеві, лазерні.

Коли говорять про матричні принтери, звичайно мають на увазі пристрої ударної дії, наприклад, усім відомі моделі Epson, Star і Microcline.

У послідовних матричних друкувальних пристроїв вертикальний ряд голок (2 ряди), або молоточків, забиває барвник зі стрічки прямо в папір, формуючи послідовно символ за символом. Голчасті мають посередню якість друку, невисоку ціну видаткових матеріалів і паперу, та й ціна самих пристроїв не висока.

Струменеві чорнильні принтери належать до класу послідовних матричних друкувальних пристроїв. Вони ж, у свою чергу, підрозділяються на пристрої безупинної і дискретної дії. Останні ж можуть використовувати або бульбашкову технологію, або п’єзоефект. Майже всі сучасні пристрої цього класу використовують дві останні технології. При друці високої якості швидкість друку не перевершує звичайно 4-8 (близько 200 знаків у секунду), хоча максимальні значення можуть досягати навіть 12 сторінок за хвилину. Як правило, струменеві принтери дозволяють симулювати роботу найбільш популярних моделей ударних пристроїв і підтримувати відповідне програмне забезпечення.

У лазерних принтерах використовується електрографічний спосіб створення зобра­жен­ня – приблизно така же, як і в ксероксах.

Крім лазерних, існують LED - принтери, що одержали свою назву через те, що напівпровідниковий лазер у них був замінений “гребінцем” дрібних світлодіодів.

Також до комп'ютера можуть підключатися інші пристрої.

Модем - пристрій, що дозволяє комп'ютеру виходити на зв'язок з іншим комп'ютером за допомогою телефонних ліній.

Факс-модем - модем, що дозволяє також приймати і відправляти факсимільні повідомлення.

Сканером називається пристрій, що дозволяє вводити у комп’ютер образи зображень, представлених у виді тексту, малюнків, слайдів, фотографій та іншої графічної інформації. На даний час усі відомі моделі можна розбити на два типи: ручний і настільний. Існують і комбіновані пристрої, що сполучать у собі можливості і тих, і інших.

Мережний адаптер дає можливість підключити комп'ютер у локальну мережу.

Стример – пристрій для швидкого збереження інформації, що знаходиться на жорсткому диску.

Зараз у комп'ютерах використовуються накопичувачі для дискет розміром 3,5” (89 мм) і місткістю 1,44 Мбайта. Ці дискети вмонтовані у твердий пластмасовий конверт, що значно підвищує їхню надійність і довговічність. На дискетах 3,5 дюйми є спеціальний перемикач - засувка, що дозволяє або забороняє запис на дискету. Запис дозволений, якщо отвір закритий, а заборонений, якщо він відкритий.

СD-ROM. Принцип роботи дисководу нагадує принцип роботи звичайних дисководів для гнучких дисків. Поверхня оптичного диска (CD-ROM) переміщається щодо лазерної головки з постійною лінійною швидкістю, а кутова швидкість змінюється залежно від радіального положення го­ловки. Промінь лазера спрямовується на доріжку, фокусується при цьому за допомогою котушки. Промінь проникає крізь захисний шар пластику і потрапляє на шар алюмінію, що відображає, на поверхню диска. При потраплянні його на виступ він відбивається на детектор і проходить через призму, що відхиляє його на світлочутливий діод. Якщо промінь потрапляє в ямку, він розсіюється, і лише мала частина випромінювання відбивається назад і доходить до світлочутливого діода. На діоді світлові імпульси перетворюються в електричні, яскраве випромінювання – в нулі, слабке - в одиниці. У такий спосіб ямки сприймаються дисководом як логічні нулі, а гладка поверхня – як логічні одиниці. На сьогодні CD-ROM витіснені пристроями зчитування–запису інформації на компакт-диск CD-RW та DVD-RW.

Будь-який мультимедіа - ПК має у своєму складі плату – аудіоадаптер. Для чого вона потрібна? З легкої руки фірми Creative Labs (Сінгапур), що назвала свої перші аудіо адаптери дзвінким словом Sound Blaster, ці пристрої часто іменуються “саундбластерами”. Аудіоадаптер дав комп'ютеру не тільки стереофонічне звучання, але і можливість запису на зовнішні носії звукових сигналів. Як уже було сказано раніше, дискові накопичувачі ПК зовсім не підходять для запису звичайних (аналогових) звукових сигналів, тому що розраховані на запис тільки цифрових сигналів, що практично не спотворюються під час їхньої передачі лініями зв'язку.

Запитання для самоконтролю:

1. Які пристрої входять до системного блоку?

2. Які пристрої розміщуються на материнській платі?

3. В яких одиницях вимірюється внутрішня пам’ять?

4. Які основні характеристики має мікропроцесор?

5. Які розміри екрану мають сучасні монітори?

6. Для чого використовують клавішу DEL?

7. Які характеристики мають лазерні принтери?