3. Основні складові частини персонального комп’ютера, структура обчислювальної системи.

Комп’ютер є універсальною машиною для обробки інформації. Крім безпосередньої обробки, комп’ютер також дозволяє зберігати інформацію і здійснювати обмін інформацією з іншими комп’ютерами.

Для опрацювання інформації потрібен певний набір технічних пристроїв (апаратна складова) і програми (програмна складова), які будуть керувати роботою цих пристроїв. Сукупність програмної і апаратної складової називають інформаційною системою. Традиційно апаратну складову, на відміну від програмної, називають жорсткою, незмінною частиною системи. Звідси походить і назва hardware — це hard (твердий) + ware (виріб).

Персональний комп’ютер являє собою набір блоків (пристроїв), які з’єднані між собою кабелями. Кількість блоків, що входять до складу комп’ютера може бути різною. Крім того, блоки, що мають однакове призначення, можуть відрізнятись своїми характеристиками. Перелік блоків (в більшості випадків, разом з їх головними характеристиками) називається конфігурацією комп’ютера. Мінімальний набір блоків, що є необхідним для нормальної роботи комп’ютера, називається мінімальною конфігурацією комп’ютера.

Апаратна складова IBM-сумісного персонального комп'ютера звичайно складається з двох основних частин: системного блоку та периферії, тобто пристроїв введення і виведення інформації.

Мінімальну конфігурацію комп’ютера складають: системний блок; монітор; клавіатура; миша.

Крім перерахованих пристроїв, до складу комп’ютера можуть входити і інші, додаткові, пристрої (принтер, сканер, модем тощо).

Системний блок.

Системний блок є головним блоком комп’ютера, він, власне, і є комп’ютер. Саме в системному блоці знаходяться основні вузли комп’ютера для обробки та збереження інформації.

До складу системного блоку входять основні вузли комп’ютера:

─ мікропроцесор;

─ системна, або материнська, плата;

─ блок живлення;

─ накопичувач на гнучких магнітних дисках (один або два) (НГМД, дисковод, FDD);

─ накопичувач на жорстких магнітних дисках (НЖМД, вінчестер, HDD);

─ адаптери;

─ накопичувач на лазерному диску (CD-ROM);

─ засоби керування (вимикач електроживлення, кнопка «Reset» тощо).

Системна (або материнська) плата  так називають плату одного зі стандартних форматів, на якій розміщуються головні компоненти комп’ютерної системи  центральний процесор; оперативна пам'ять, кеш-пам’ять; комплект мікросхем логіки, що підтримують роботу плати,  чіпсет (chipset); центральна магістраль, або шина; контролер шини і кілька рознімних з’єднань-гнізд  слотів, які призначені для підключення до материнської інших плат (контролерів, плат розширення тощо). Отже, системна, або материнська, плата (MotherBoard) є тією основою, до якої приєднані всі основні компоненти системного блоку: мікропроцесор, внутрішня пам’ять, шина зі слотами розширення.

Центральний процесор є центральним блоком ПК, призначеним для керування роботою всіх блоків комп’ютера і виконання арифметичних та логічних операцій над інформацією. До його складу входять: керуючий пристрій (КП), арифметико-логічний пристрій (АЛП) та мікропроцесорна пам’ять (МПП). МПП  складова частина, що забезпечує короткочасне зберігання, записування та видавання інформації, яка використовується в обчисленнях у найближчих тактах роботи комп’ютера. Конструктивно процесор, який часто порівнюють із мозком комп’ютера — це невелика електронна схема, де на одному кристалі надчистого кремнію за допомогою складного, багатоступеневого і високочастотного технологічного процесу створено кілька мільйонів транзисторів та інших схемних елементів, з’єднувальні проводи і точки підключення зовнішніх виводів.

Призначення мікропроцесора – обробка даних та управління роботою комп’ютера. Мікропроцесор є виконавцем, який здійснює обробку даних у відповідності з алгоритмами, що містяться в програмах.

Основними параметрами процесору є набір команд, розрядність, тактова частота.

Набір або система команд постійно вдосконалюються. Сучасні процесори можуть виконувати до кількох сотень команд (інструкцій).

Процесор має власну невелику пам'ять швидкого доступу, елементи якої називаються регістрами. В них містяться команда, яка виконується у поточний час, дані, над якими вона виконується, і результат виконання команди. Ця пам'ять короткочасна і зберігає інформацію лише на час виконання команди. Розрядність показує, скільки двійкових розрядів (бітів) інформації обробляється (або передається) за один такт, а також скільки двійкових розрядів можна використати в процесорі для адресації оперативної пам’яті, передачі даних тощо. Від розрядності процесору значною мірою залежать можливості комп'ютера: зі збільшенням розрядності обмін даними відбувається оперативніше. В даний час, найбільш використовуваними є 64-розрядні мікропроцесори.

Тактова частота визначає кількість елементарних операцій, які центральний процесор виконує за 1 секунду і вимірюється у мегагерцах (МГц) та гігагерцах (ГГц). Чим більша тактова частота, тим швидше працює комп'ютер. Обробка порцій даних мікропроцесором здійснюється періодично. Швидкість обробки і визначається тактовою частотою. Сучасні мікропроцесори мають тактову частоту 700 Мгц (мегагерц) – 1 Ггц (гігагерц). Це значить, що в одну секунду здійснюється 700 мільйонів – 1 мільярд елементарних тактів роботи мікропроцесора.

Управління роботою комп’ютера мікропроцесором полягає в генерації ним управляючих послідовностей на основі програми. Ці управляючі послідовності посилаються не в оперативну пам’ять, а на допоміжні вузли – адаптери. Адаптер являє собою плату, яка служить для управління роботою периферійного пристрою. Адаптери, в залежності від управляючих послідовностей, які виробляє мікропроцесор, виробляють необхідні сигнали для управління пристроями. Так, адаптер, наприклад, вмикає безпосередньо двигун накопичувача на гнучких дисках, але коли його вмикати чи вимикати – це вказує адаптеру мікропроцесор, посилаючи йому команду. Головна мікросхема, що управляє роботою адаптера називається контролером.

Запам'ятовуючі пристрої комп'ютера призначені для зберігання інформації. Всю пам'ять комп'ютера можна розділити на внутрішню та зовнішню. Внутрішня пам’ять розміщується на системній (материнській) платі, а зовнішня – поза нею. До зовнішньої пам’яті відносяться накопичувачі на гнучких, жорстких та оптичних (лазерних) дисках. Цю пам’ять називають ще дисковою. Конструктивно вона, як і внутрішня пам’ять, знаходиться в системному блоці.

Внутрішня пам'ять виготовляється у вигляді мікросхем, її призначення — це забезпечення роботи комп'ютера. Користувач не може зберігати власну інформацію у внутрішній пам'яті.

До внутрішньої пам'яті належать: оперативна пам'ять, постійний запам'ятовуючий пристрій та кеш-пам'ять.

Оперативна пам’ять (ОП, RAM – Random Access Memory) являє собою декілька мікросхем, в яких інформація зберігається лише під час сеансу роботи. Як тільки комп’ютер вимикають, вся інформація з оперативної пам’яті зникає. В оперативну пам’ять можна записувати інформацію і зчитувати. Призначення оперативної пам’яті зберігати дані, які обробляються в даний час мікропроцесором, а також програму, що керує обробкою. Пам’ять складається з однакових комірок. Розмір кожної комірки – 1 байт. Кожна комірка має свій номер (адресу). Щоб зчитати чи записати інформацію (яка являє собою послідовність з 8-ми нулів і одиниць) в комірку, мікропроцесор (або інші пристрої) "називає" спочатку адресу комірки, а потім записує або зчитує з неї інформацію.

У оперативній пам'яті зберігаються програми і дані, з якими працює процесор у поточний момент. Ця пам'ять працює порівняно швидко, звідси походить і назва — оперативна. Оперативна пам'ять є тимчасовою — всі дані, що містяться у комірках оперативної пам'яті, зберігаються тільки упродовж того часу, поки комп'ютер ввімкнений. При вимкненні комп'ютера вміст пам'яті зникає.

Постійний запам'ятовуючий пристрій (ПЗП, англ. ROM від Read Only Memory — пам'ять тільки для читання) призначається для постійного збереження інформації, яка записується один раз у заводських умовах. В постійній пам’яті інформація зберігається постійно, незважаючи на те, чи ввімкнутий комп’ютер чи ні. Об’єм цієї пам’яті невеликий і вона містить лише найважливіші програми, які забезпечують роботу комп’ютера. Користувач не має доступу до комірок постійної пам'яті і не може змінити її вміст. Саме у ПЗП містяться перші команди для процесору, за якими той починає роботу.

До складу ПЗП входить комплект програм під назвою BIOS (Basic Input-Output System — базова система введення-виведення), який ще називають напівпостійним запам'ятовуючим пристроєм. Вміст пам'яті BIOS підтримується спеціальним акумулятором. BIOS містить установки поточної конфігурації комп'ютера: наявність та типи деяких пристроїв, поточний час тощо. Користувач має доступ до BIOS та може змінювати його установки.

Кеш-пам'ять, яку називають надоперативною, має ті ж самі функції, що й оперативна. Її призначення – узгодження швидкості роботи повільнішої динамічної пам’яті із швидшим мікропроцесором. Час доступу до вмісту кеш-пам'яті у декілька разів менший, ніж до вмісту оперативної пам'яті.

Зовнішня пам'ять призначена для тривалого зберігання інформації і даних. Інформація в зовнішній пам'яті зберігається і при вимкненому комп'ютері.

Пристрої зовнішньої пам'яті характеризуються такими показниками: обсяг пам'яті, час доступу до інформації, тобто швидкість запису та зчитування даних, надійність збереження інформації.

Пристрої зовнішньої пам'яті називаються накопичувачами. Розрізняють накопичувачі: на жорсткому магнітному диску (НЖМД) або вінчестер, на гнучких магнітних дисках (НГМД) та на лазерних (оптичних) дисках (НЛД).

У дискових накопичувачах інформація записується на концентричні кільця, які називаються доріжками. Радіуси, проведені з центра диску, розділяють доріжки на сектори. Кожна доріжка має свій номер (починаючи з 0), всі сектори, розміщені на різних доріжках між двома сусідніми радіусами, мають однаковий номер. Всі сектори розраховані на запис однакового обсягу інформації.

Запис та зчитування інформації на дискових накопичувачах виконується посекторно, тобто інформація передається відразу з цілого сектора.

Носій вінчестера — це кілька твердих круглих пластин, які закріплюються на одному стержні й розташовуються у герметичному корпусі. Корпус вмонтовується в системний блок. Привод вінчестера також розташований в цьому ж корпусі. Найбільш поширена ємність сучасних вінчестерів коливається в межах понад 200 Гб.

Швидкість запису та зчитування інформації з вінчестера у тисячі разів вища, ніж з гнучких дисків. Час життя вінчестера при інтенсивному використанні, як правило, складає 4-5 років.

НГМД призначається для перенесення невеликих об'ємів інформації між різними комп'ютерами. Привод НГМД називається дисководом і вмонтовується в системний блок. Носієм НГМД є гнучкий диск (floppy disk) або скорочено дискета. Звичайно використовуються дискети розміром 3,5 дюйма (3,5"= 89 мм), інформація в них записується на одну пластину з магнітним покриттям. Гнучкі магнітні диски можуть мати позначення DS, DD або HD: DS (від англ. double sided) — двостороння дискета із записом на обох поверхнях, DD — (від англ. double density) — дискета з подвійною щільністю запису; HD — (від англ. high density) — дискета з високою щільністю запису. Стандартна ємність дискет 3,5" — 1,44 Мб та 2,88 Мб. Час життя дискети при інтенсивному використанні звичайно не більше року.

НЛД призначені для тривалого зберігання інформації середнього обсягу. Носій НЛД (його часто називають компакт-диском) має вигляд платівки діаметром приблизно 12 сантиметрів. Швидкість запису та зчитування інформації з компакт-дисків значно вища, ніж з гнучких дисків, але нижча, ніж з вінчестерів. Вважається, що компакт-диски мають високу надійність збереження інформації.

Існують такі різновиди компакт-дисків: CD-ROM, CD-R та CD-RW. Для кожного виду компакт-дисків існує відповідний привод.

CD-ROM. Інформація на такі диски записується за допомогою спеціальної заводської апаратури та не може змінюватись. В останній час, комп’ютери обладнуються замість CD-ROM пристроями для запису на оптичні диски – CD-WRITER-ами, в зв’язку з їх здешевленням. За допомогою цих пристроїв можна не тільки здійснювати запис на спеціальні заготовки, але й зчитувати інформацію, як на звичайному CD-ROM. За зовнішнім виглядом CD-WRITER не відрізняється від CD-ROM.

CD-R. Інформацію можна записати лише один раз.

CD-RW. Інформацію можна записати багато разів.

Цифрові диски DVD (Digital Versatile Disk — цифровий диск) призначені для зберігання великих об'ємів інформації. DVD по суті є вдосконаленням CD-ROM.

Зовні диск DVD схожий на звичайний оптичний диск (CD), але на ньому можна записати істотно більше інформації ніж на звичайному. Так, на одній стороні диска DVD можна записати 4,7 Гб, а на двох – 9,4 Гб. При використанні двошарової схеми запису, на диску DVD можна розмістити близько 17 Гбт інформації. Нагадаємо, що звичайний оптичний диск має ємність 650 або 700 Мбт.

Шина – це група електричних провідників, що знаходяться на системній платі для передачі даних та управляючих сигналів між мікропроцесором, оперативною пам’яттю та адаптерами. До шини відносять, крім провідників, ще і електронні компоненти, які забезпечують обмін даними.

Головними характеристиками шини є частота роботи і розрядність. Частота роботи характеризує, скільки разів в секунду здійснюється перенесення по шині. Частота сучасних шин складає 133 Мгц. Розрядність характеризує, скільки біт інформації переноситься по шині за один такт її роботи. Розрядність сучасних шин відповідає розрядності процесорів і складає 64 біти.

На шині розміщуються слоти розширення. Їх призначення – встановлення в них плат адаптерів (плат розширення).

Відеоадаптер, або відеокарта, призначений для управління виводом зображення на екран. Відеоадаптер вставляється в слот розширення на системній платі. На відеоадаптері знаходиться гніздо для під’єднання монітора. Для того, щоби зображення не зникало з екрана монітора, його потрібно постійно оновлювати, а отже десь зберігати. Для цього використовується відеопам’ять, яка являє собою або частину оперативної пам’яті (в старих комп’ютерах), або спеціальну мікросхему пам’яті на відеоадаптері. Від відеоадаптера (і звичайно, монітора) залежить якість зображення. Є декілька стандартів на відеоадаптери. Сьогодні використовується стандарт SVGA, який дозволяє відображати не менше ніж 800х600 точок на екрані.

Блок живлення перетворює змінну напругу електричної мережі (220 В) в постійну (5 і 12 В) і стабілізує останню. Блок має вентилятор для свого охолодження, який, по мірі старіння, стає все більшим і більшим джерелом шуму. Слід відзначити, що вентилятор в блоці живлення призначений для охолодження блоку живлення, а не системного блоку в цілому. Якщо системний блок містить багато плат розширення, то необхідно встановлювати додатковий вентилятор для охолодження системного блоку.