Файл: Перечень, назначение и устройство основных элементов персонального компьютера (ПК)..pdf

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня компьютеры есть в большинстве семей. Мы используем их для получения образования, для развлечений, для просмотра фильмов и клипов, причем для выполнения всех этих целей может быть использован один компьютер. Компьютеры являются помощниками для людей различных профессий, таких как инженер, врач, дизайнер. Некоторые из профессий полностью связаны с компьютерами. Благодаря компьютеру стало возможным создавать практически полностью автоматизированные производства, реализовывать многие проекты, ускорить и сделать более продуктивным процесс обучения и еще многое другое.

Развитие производства и увеличение объема информации привели к необходимости создания компьютера как своего рода инструмента для обработки и хранения этой информации.

Компьютеры с момента своего появления прошли путь от механического устройства до электронного, претерпев при этом огромное количество изменений и новшеств. Сегодня является невозможным представить себе эффективную организацию учебного и рабочего процесса. Компьютеры используется практически во всех сферах деятельности человека. В настоящее время круг задач, требующих для своего решения применения мощных ЭВМ, весьма расширился.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Архитектура и структура персонального ПК

Среди функций компьютера можно выделить две основные:

• работа с информацией (обработка, хранение);
• обмен информацией с внешними объектами.

Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций компьютера:

• обеспечивают эффективные режимы его работы;
• диалог с пользователем;
• высокую надежность и т.д.

Эти функции компьютера реализуются с помощью аппаратного и программного компонента компьютера.

Аппаратное обеспечение, или hardware – это «тело» компьютера, т.е. физическая его часть. Это системный блок с процессором и материнской платой, жесткий диск, периферийные устройства и д.

Программное обеспечение, или software – это «интеллект» компьютера, т.е. информация и программы для обработки информации и управления процессами.

При рассмотрении персонального компьютера как устройства необходимо различать понятия его архитектуры и структуры.

Под архитектурой компьютера принято считать концептуальную структуру вычислительной машины, определяющую проведение обработки информации и включающую методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения. Иными словами, это описание компьютера на некотором общем уровне, которое включает описание входящих в него компонент, принципы их взаимодействия, включая функции и характеристики, а также описание пользовательских возможностей.

Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации. Т.е. это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.

Джон фон Нейман, выдающийся физик-математик, в середине 20-го века предложил несколько основных принципов конструирования персональных компьютеров. Концепция, разработанная фон Нейманом предполагает, соблюдение следующих принципов:

• Принцип однородности памяти. Все команды, программы и данные, хранятся в одной и той же памяти.
• Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Для доступа к ячейкам памяти используются номера ячеек, которые принято называть адресами.
• Принцип программного управления. Все вычисления представлены в виде команд, которые содержат определенную операцию.
• Принцип двоичного кодирования. Вся информация (данные, команды, программы) представлена в памяти компьютера в двоичном виде, т.е. в виде последовательности 0 и 1.

Джон фон Нейман предположил, что компьютер должен состоять из следующих модулей

В настоящее время компьютеры проектируются на принципе открытой архитектуры. Это архитектура, допускающая сборку, усовершенствование и ремонт компьютера по его составным элементам — модулям. Принцип открытой архитектуры используется в конструкции персональных компьютеров, при производстве IBM-совместимых (или Intel-совместимых) ПК.

Открытые спецификации архитектуры компьютера или периферийного устройства позволяют сторонним производителям разрабатывать дополнительные устройства к системам с открытой архитектурой.

Рассмотрим ключевые компоненты современных персональных компьютеров.

Материнская плата

Материнская плата – это сложная многослойная печатная плата, на которой монтируется чипсет и прочие компоненты компьютерной системы. Она является основой построения системы компьютера. Вместе с подключенным к ней устройствами, системная плата встраивается в корпус (системный блок) персонального компьютера.

Первая материнская плата была разработана фирмой IBM в 1981 году. Эта плата не могла без корректировки поддерживать многие устройства расширения, такие как жесткий диск.

Материнская (системная) плата состоит их следующих основных частей, которые, как правило, являются несъемными:

Разъем центрального процессора (ЦПУ). Разъем, предназначенный для установки в него центрального процессора Процессор устанавливается в разъем вместо припаивания, и это значительно упрощает замену процессора в случае ремонта или модернизации ПК.

Разъемы оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), или оперативной памяти. В эти разъемы подключаются модули динамической памяти, содержащие полупроводниковые интегральные схемы.

Микросхемы чипсета (северный мост и южный мост).

Северный мост – это специальный прямоугольный чип, расположенный в верхней части материнской платы под процессором, который отвечает за взаимодействие центрального процессора с оперативной памятью и видеоадаптером. Северный мост соединяется с системной платой через согласующий интерфейс и южный мост.

Южный мост – это контроллер –концентратор ввода-вывода. Обычно представлен в виде микросхемы, которая обеспечивает взаимодействие периферийных устройств с ЦПУ.

Особенности материнской платы и то, какие устройства могут подключаться к ней определяют северный и южный мосты.

Загрузочное ПЗУ (BIOS). Это набор микропрограмм, реализующих интерфейс прикладного программирования для работы с аппаратурой компьютера и подключёнными к нему устройствами.

Контроллеры шин и их слоты расширения. Компьютерные шины служат для передачи данных между функциональными блоками компьютера.

Контроллеры и интерфейсы периферийных устройств. Это слоты и разъемы, в которые подключаются устройства ввода/вывода данны (монитор, клавиатура, мышь, принтер и т.д.).

На схеме изображена схема материнской (системной) платы IBM-совместимого компьютера.

Выбирая материнскую плату в процессе сборки или модернизации ПК необходимо убедиться, что данная модель соответствует другим аппаратным компонентам и модулям.

Говорить о материнской плате в отдельности от всех остальных частей компьютера не возможно — это комплекс, работающий как один организм. Тенденции развития материнских плат в основном диктуются развитием микропроцессоров.

Назначение материнской платы

1. Соединяет между собой все компоненты компьютера.
2. Материнская плата создает между: мышкой, клавиатурой, дисплеем и другими компонентами – единую работоспособную систему.
3. Она направляет процессор, чтобы тот форсировал и контролировал работу всех остальных компонентов ПК.
4. Также он поддерживает связь между ними. Также материнская плата может отвечать за передачу картинки на дисплей, если она имеет встроенный графический адаптер.
5. Материнская плата отвечает за звук компьютера. Как следствие, в нее встроена звуковая карта, многие модели располагаю ими.
6. Также в современных версиях часто имеется встроенный сетевой адаптер. Поэтому она может отвечать за непосредственный выход в интернет.

Процессор

Процессор (центральное процессорное устройство - ЦПУ) является главной микросхемой в современном компьютере, т.к. именно он координирует работу остальных частей системы и осуществляет обработку данных. Центральный процессор состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ), устройства управления и набора регистров. Арифметико-логическое устройство обеспечивает выполнение вычислительных действий. Устройство управления обеспечивает порядок выполнения операций и прерывания. Регистры играют роль памяти.

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.

Назначение процессора:
1) управлять работой ЭВМ по заданной программе;
2) выполнять операции обработки информации.

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.

Обмен данными между процессором и оперативной памятью производится:

• непосредственно;
• через регистры в АЛУ, либо через кэш.

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.