Файл: Устройство персонального компьютера. История создания компьютера.pdf

Первые процессоры создавались с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников и вакуумных ламп. В середине 1950-х годов были внедрены транзисторы. Затем, спустя десятилетие, появились первые микросхемы, которые поначалу содержали простые транзисторные и резисторные сборки, позднее появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора — микропрограммное устройство, АЛУ, регистры, устройства работы с шинами данных и команд.

Сегодня процессор представлен в виде интегральной схемы или электронного блока. Процессор иногда также называют микропроцессором.

Именно переход к микропроцессорам позволил создать персональные компьютеры, которые проникли почти в каждый дом.

Процессор, как и многие другие устройства, имеет ряд характеристик, которые определяют качество его работы. Ими являются:

Тактовая частота (синхросигнал) – это число основных операций компьютера, производимых за одну секунду. Тактовая частота измеряется в герцах.
Производительность – характеристика скорости выполнения определённых операций на компьютере.
Энергопотребление. Наиболее производительные модели потребляют до 130 и более ватт.
Архитектура процессора. Существует несколько классификаций архитектур процессоров, например, по скорости выполнения команд, или по назначению.

Принцип открытой архитектуры ПК позволяет установить на компьютер более мощный и производительный центральный процессор.

В последнее десятилетие получили свою популярность многоядерные процессоры. Такие процессоры содержат несколько ядер в одном корпусе. Они предназначены для работы одной копии операционной системы на нескольких ядрах. Сегодня массово доступны процессоры с двумя, тремя, четырьмя, шестью, восьмью ядрами.

Наиболее популярными производителями процессоров являются Intel, AMD, IBM.

2.3 Оперативная память

Оперативная память – одна из основных частей компьютера. Она предназначена для текущего хранения фрагментов операционной системы, пользовательских программ, их переменных и результатов работы и т.д. Часто оперативную память называют оперативным запоминающим устройством (ОЗУ). Количество задач, которое компьютер может выполнить одновременно, зависит от объема оперативной памяти.

ОЗУ – энергозависимая часть системы компьютерной памяти, т.е. данные доступны и сохраняются тогда и только тогда, когда на модули оперативной памяти подается напряжение. Выключение питания приводит к потере информации.

Рисунок 5 Модуль оперативной памяти

Обмен данными (Рисунок 6) между процессором и оперативной памятью производится:

непосредственно;
через регистры в АЛУ, либо через кэш.

Рисунок 6 Схема взаимодействия оперативной памяти с центральным процессором

Первые зачатки оперативной памяти зародились еще в 1834 году, когда математик Чарлз Бэббидж изобретал первую аналитическую машину. Одну из важных частей этой машины он называл «складом» (store), эта часть предназначалась для хранения промежуточных результатов вычислений. Информация в «складе» запоминалась в чисто механическом устройстве в виде поворотов валов и шестерней.

Ранее в качестве оперативной памяти использовались запоминающие устройства, основанные на различных физических принципах (электромагнитные реле, акустические линии задержки, ЭЛ-трубки и т.д.). Позднее использовались также электромагнитные барабаны, магнитные сердечники.

Сейчас применяются два основных вида ОЗУ:

Статическое ОЗУ – это память в виде массивов триггеров. Этот вид памяти имеет наименьшее время доступа и меньшее энергопотребление, часто используется как кэш-память процессора.
Динамическое ОЗУ – память в виде массивов конденсаторов.

Оперативная память большинства современных компьютеров представляет собой модули динамической памяти, содержащие полупроводниковые ИС ЗУ, организованные по принципу устройств с произвольным доступом. Память динамического типа дешевле, чем статического, и её плотность выше, что позволяет на той же площади кремниевого кристалла разместить больше ячеек памяти, но при этом её быстродействие ниже. Статическая память, наоборот, более быстрая память, но она и дороже. В связи с этим основную оперативную память строят на модулях динамической памяти, а память статического типа используется для построения кэш-памяти внутри микропроцессора.

2.4 Жесткий диск

Накопитель на жестких магнитных дисках, иначе жесткий диск – это устройство хранения информации произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи. Это главный накопитель памяти в современном компьютере. На жестком диске хранятся все файлы и данные.

Информация в НЖМД записывается на алюминиевые или стеклянные жёсткие пластины, покрытые слоем ферримагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома — магнитные диски. В НЖМД используется одна или несколько пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении.

В отличие от ОЗУ данное устройство энергонезависимо.

Первый жесткий диск появился в 1956 году и имел вес чуть меньше тонны. Он представлял собой большой ящик с вращающимися тонкими дисками, покрытыми чистым железом.

Первый 5,25-дюймовый жесткий диск был представлен в 1980 году и имел объем 5 Мб. Спустя 3 года был выпущен в продажу 3,5-дюймовый диск с объемом памяти 10 Мб. В 1990 году максимальная емкость достигла 320Мб, в 2000 году – 1 Гб. Сегодня в продаже имеются жесткие диски объемом 8 Тб и более.

Схема устройства жесткого диска представлена на Рисунке 7.

Рисунок 7 Устройство НЖМД

Основными характеристиками жесткого диска являются:

Ёмкость – количество данных, которое может хранится на жестком диске. На данный момент ёмкость современных НЖМД составляет до 10 Терабайт.
Размер – физический размер жесткого диска. Наиболее популярны размеры 3,5 и 2,5 дюйма.
Потребление энергии.
Сопротивляемость ударам и резким скачкам давления.
Скорость передачи данных.
Объем буфера (промежуточной памяти).

2.5 Видеоадаптер

Видеоадаптер, или видеокарта - устройство, преобразующее графический образ, хранящийся как содержимое памяти компьютера (или самого адаптера), в форму, пригодную для дальнейшего вывода на экран монитора (Рисунок 8).

Рисунок 8 Современый видеоадаптер

Персональные компьютеры первых поколений не выделяли видеоадаптер в отдельный модуль. Данное аппаратное решение – один из критериев отнесения компьютера к современным поколениям. Видеокарта отвечает за обработку компьютерной графики — одного из наиболее сложных типов данных, требующих высокой производительности микросхем.

Первые видеоадаптер появился в 1981 году, но никакой графической информации кроме текста передать не мог. Этот адаптер поддерживал пять атрибутов текста: обычный, с повышенной яркостью, инверсия, с подчеркиванием, мигающий. Цвет текста определялся только возможностями монитора. Обычно это были белые буквы на черном фоне.

Спустя некоторое время появилась первая цветная видеокарта. Она поддерживала в текстовых режимах 256 атрибутов текста и 16 цветов символа и фона. В графическом режиме было доступно 4 палитры по 4 цвета каждая. Позднее появилась усовершенствованная версия этой карты с расширенной до 64 цветов палитрой.

В 1987 году было выпущено расширение VGA. Был добавлен графический режим 640*480. С 1991 года появилось новое расширение SVGA с добавлением более высоких режимов и дополнительного сервиса. Количество отображаемых цветов увеличилось до 65 536 (16 бит) и 65 777 216 (24 бита). Появились дополнительные текстовые режимы.

Дальнейшее развитие видеоадаптером было связано с появлением пользовательского графического интерфейса операционных систем. Появились видеоадаптеры, которые производят выполнение некоторых графических функций на аппаратном уровне, снимая при этом нагрузку с процессора по окончательному выводу изображения на экран.

Видеокарта обычно представлена в виде платы расширения, которая вставляется в разъем материнской платы (специальный или универсальный).

Существуют также материнские платы со встроенными (интегрированными в системную плату) видеокартами.

Современные видеоадаптеры состоят из следующих элементов:

Графический контроллер - занимается расчётами выводимого изображения, освобождая от этой обязанности центральный процессор, производит расчёты для обработки команд трёхмерной графики.
Видеоконтроллер формирует изображения в видеопамяти.
Видео-ПЗУ. В нем записаны экранные шрифты, таблицы и т.д.
Видео-ОЗУ. В нем хранится изображение, выводимое на экран монитора.
Цифро-аналоговый преобразователь. Преобразует изображение, которое формирует видеоконтроллер, в уровни интенсивности света.
Коннектор. Разъемы DVI или HDMI.
Система охлаждения. Защищает видеокарту от перегрева и сохраняет температурный режим.

Как и другие устройства, видеоадаптеры имеют свои важные характеристики:

Ширина шины памяти – количество бит информации, передаваемой за такт.
Объем видеопамяти – объем ОЗУ видеокарты (измеряется в Мб).

2.6 Звуковая карта

Звуковая карта – интегрированный в материнскую плату аппаратный кодек (Рисунок 9).

При создании первых компьютеров наличие звуковой карты не предусматривалось, т.к. ЭВМ не рассматривались как мультимедийные устройства. Единственным звуком, воспроизводимым компьютером, был звук встроенного динамика, который, как правило, сообщал об ошибке или неисправности.

Рисунок 9 Звуковая карта

В 1986 году появились первые звуковые платы, которые подсоединялись к компьютеру и воспроизводили монофонический звук. В 1988 году появились устройства на основе принципа частотной модуляции. Затем появились MIDI-совместимые звуковые карты с 200 различными звуками. В конце 1990-х годов появились карты для шины PCI (шина периферийных устройств). В 1998 году компания Creative установила новый стандарт для IBM-совместимых компьютеров, выпустив звуковую карту с поддержкой EAX – технологии для создания звуковых эффектов окружающей среды.

2.7 Сетевая плата

Сетевая плата, или сетевая карта – это дополнительное устройство, позволяющее ПК взаимодействовать с другими компьютерами в сети. В настоящие время всё чаще встречаются сетевые адаптеры, интегрированные в материнскую плату (Рисунок 10). Также встречаются внешние сетевые платы, которые подсоединяются к компьютеру через LPT- и USB-порты, и внутренние, которые вставляются в слоты материнской платы (ISA, PCI).

На стандартных сетевых платах могут быть использованы разъемы для витой пары, тонкого коаксиального кабеля, для толстого коаксиального кабеля, а также оптический разъем, причем пока работает один из разъемов, другие работать не могут.

Также на плате может присутствовать световой индикатор, сообщающий о наличии подключения к сети и передачи информации.

Рисунок 10 Интегрированная сетевая карта

Первые сетевые адаптеры имели низкую производительность, т.к. передача информации между компьютером и сетью происходила последовательно из-за наличия буферной памяти только на один кадр. Затем для повышения производительности стали применять метод многокадровой буферизации. Выпускаемые сегодня сетевые адаптеры имеют скорость обмена до 1 Гбит/сек и огромное количество высокоуровневых функций.

3. Периферийные устройства

Все устройства, подключаемые к компьютеру, но не отвечающие за непосредственное функционирование компьютера, называются периферийными. Все периферийные устройства можно разделить на три группы:

Устройства ввода информации – мышь, клавиатура, веб-камера, микрофон, тачпад, сканер и т.д.
Устройства вывода информации – монитор, принтер, акустическая система.
Устройства ввода/вывода, или устройства хранения – жесткий диск, флэш-накопитель.

Рисунок 11 Периферийные устройства (монитор, принтер, наушники, флэш-накопитель, клавиатура, мышь, акустическая система, веб-камера)

Периферийные устройства не зависят от архитектуры компьютера, они необходимы только для расширения возможностей ПК. Это вспомогательные устройства, которые делают работу за компьютером более удобной и комфортной.

Рассмотрим подробнее некоторые из них.