Файл: Устройство персонального компьютера (Понятие персонального компьютера и его архитектуры).pdf

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования.

Персональный компьютер (ПК) все чаще используется во всех сферах деятельности. Техническая база ПК постоянно совершенствуется, программное обеспечение становится все более мощным. Поэтому важно определить критерии, в соответствии с которыми производится выбор модели ПК.

Войдя в жизнь человеческого общества, компьютеры взяли на себя огромный спектр задач – от простых алгебраических вычислений до организации обменных процессов, международных телеконференций, моделирования сложных физических, химических, технологических процессов, мультимедиа и виртуальных развлечений.

При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их структуру и архитектуру. Структура компьютера – совокупность компьютерных элементов и связей между ними.

Компьютерная архитектура – логическая организация компьютера, состав и назначение его функциональных средств, принципы кодирования и т. д., то есть все, что однозначно определяет процесс обработки информации на этом компьютере.

Влияние элементной базы на принципы построения компьютера сводится, в основном, к тому, что свойства электронных элементов заставляют представлять информацию, с которой оперирует компьютер, исключительно в двоично-кодированной форме – в виде последовательности из 0 и 1. Столь же существенное влияние на принципы построения компьютера оказывает специфика средств, используемых для организации машинной памяти, а также для ввода информации в компьютер и вывода информации.

Цель данной работы – рассмотреть основные принципы работы устройств персонального компьютера.

Объект исследования – компьютерные системы.

Предмет исследования – устройство персонального компьютера.

Задачи исследования:

• Определить понятие персонального компьютера и его архитектуры.
• Изучить архитектуры построения персонального компьютера.
• Изучить техническую архитектуру компьютерной системы.
• Рассмотреть принципы работы основных компонентов персонального компьютера.

1 Понятие персонального компьютера и его архитектуры

1.1 Основные понятия персонального компьютера

Персональный компьютер – универсальная техническая система. Его конфигурация (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости [3]. Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. В таком комплекте компьютер обычно поставляется. Понятие базовой конфигурации может меняться. В настоящие время в базовой конфигурации рассматривают четыре устройства:

• Системный блок;
• Монитор;
• Клавиатуру;
• Мышь.

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

По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса. Корпуса персональных компьютеров выпускают в горизонтальном и вертикальном исполнении. Корпуса, имеющие вертикальное исполнение, различают по габаритам: полноразмерные, среднеразмерные, малоразмерные. Среди корпусов, имеющие горизонтальное исполнение, выделяют плоские и особо плоские.

Монитор – устройство визуального представления данных. Это не единственно возможное, но главное устройство вывода. Его основными параметрами являются: размер, шаг маски экрана, максимальная частота генерации изображения, класс защиты [6].

Размер монитора измеряется противоположными углами трубки кинескопа по диагонали. Единицы измерения – дюймы. Стандартные размеры: 14”, 15”, 17”, 19”, 20”, 21”. В настоящее время наиболее универсальными являются мониторы размером 15 и 17 дюймов, а для операций с графикой желательны мониторы размером 19-20 дюймов.

Клавиатура – клавишное устройство управления персональным компьютером. Служит для ввода алфавитно-цифровых (знаковых) данных, а также команд управления. Комбинация монитора и клавиатуры обеспечивает простейший интерфейс пользователя. С помощью клавиатуры управляют компьютерной системой, а с помощью монитора получают от неё отклик [7].

Состав клавиатуры. Стандартная клавиатура имеет более 100 клавиш, функционально распределительных по нескольким группам.

Группа алфавитно-цифровых клавиш предназначена для ввода знаковой информации и команд, набираемых по буквам. Каждая клавиша может работать в нескольких режимах (регистрах) и, соответственно, может использоваться для ввода нескольких символов. Переключение между нижним регистром (для ввода строчных символов) и верхним регистром (для ввода прописных символов) выполняют удержанием клавиши Shift (нефиксированное переключение). При необходимости жёсткого переключения используют клавишу Caps Lock (фиксированное переключение). Если клавиатура используется для ввода данных, абзац закрывают нажатием клавиши Enter. При этом автоматически начинается ввод текста с новой строки. Если клавиатуру используют для ввода команд, клавишей Enter завершается ввод команды и начинается её выполнение.

Мышь – устройство управления манипуляторного типа. Представляет собой плоскую коробочку с двумя-тремя кнопками (или с двумя кнопками и одним вращающимся регулятором). Перемещение мыши по плоской поверхности синхронизировано с перемещением графического объекта (указателя мыши) на экране монитора [10].

Компьютером управляют перемещением мыши по плоскости и кратковременными нажатиями правой и левой кнопок. (Эти нажатия называются щелчками.) В отличие от клавиатуры мышь не может напрямую использоваться для ввода знаковой информации – её принцип управления является событийным. Перемещение мыши и щелчки её кнопок являются событиями с точки зрения её программы-драйвера. Анализируя эти события, драйвер устанавливает, когда произошло событие, и в каком месте экрана в этот момент находился указатель. Эти данные передаются в прикладную программу, с которой работает пользователь в данный момент. По ним программа может определить команду, которую имел в виду пользователь, и приступить к её выполнению.

Комбинация монитора и мыши обеспечивает наиболее современный тип интерфейса пользователя, который называется графическим. Пользователь наблюдает на экране графические объекты и элементы управления. С помощью мыши он изменяет свойства объектов, а с помощью монитора получает от него отклик в графическом виде.

Стандартная мышь имеет две кнопки, хотя существуют нестандартные мыши с тремя кнопками или с двумя кнопками и одним вращающимся регулятором. Функции нестандартных органов управления определяются тем программным обеспечением, которое поставляется вместе с устройством.

К числу регулируемых параметров мыши относятся: чувствительность (выражает величину перемещения указателя на экране при заданном линейном перемещении мыши), функции левой и правой кнопок, а также чувствительность к двойному нажатию (максимальный интервал времени, при котором два щелчка кнопкой мыши расценивают как один двойной щелчок).

Под архитектурой персонального компьютера понимают систему основных функциональных средств машины, принципов организации вычислительного процесса и переработки информации в персональном компьютере [1].

К компонентам архитектуры персонального компьютера относятся главный (центральный) и вспомогательные процессоры, запоминающее устройство, устройство ввода-вывода информации (включая внешние), внутреннее математическое обеспечение персонального компьютера [5].

Вычислительная технология в своем развитии по пути увеличения скорости компьютера, построенного на интегральных схемах, приближается к физическим пределам. Время переключения электронных схем достигает долей наносекунды, а скорость движения информации и скорость ее передачи ограничена 30 бит/нс (скорость света). Таким образом, использование технологии уменьшения времени переключения электронных схем не улучшает производительность компьютеров. В этих условиях требования практики по дальнейшему повышению быстродействия компьютеров могут быть удовлетворены только путем частичного или полного отказа от фон-неймановской модели архитектуры компьютера. Одним из таких способов является расширение принципа параллелизма самих устройств обработки информации и создание мультикомпьютерных и мультипроцессорных (многопроцессорных) компьютерных систем. Такие системы допускают распараллеливание во времени выполнения программ или параллельное выполнение нескольких программ.

Мультикомпьютерная система содержит несколько компьютеров, каждая из которых имеет свою оперативную память и работает под своей операционной системой, а также средство для обмена информацией между машинами. Реализация обмена информацией происходит в одной учетной записи посредством взаимодействия машинных операционных систем друг с другом [10].

В многопроцессорных системах процессоры имеют статус рядовых частей вычислительной системы, которые подобно другим частям, таким, как модули памяти, каналы передачи информации, периферийные устройства, включаются в состав системы в необходимом количестве.

1.2 Принципы построения современных компьютерных систем

Аппаратные средства, компьютерные комплектующие, «железо», (англ. hardware) – электронные и механические части вычислительного устройства, входящие в состав системы или сети, исключая программное обеспечение и данные (информацию, которую вычислительная система хранит и обрабатывает) [11].

Аппаратные средства построены на основных архитектурно-функциональных принципах, которые были разработаны и опубликованы в 1946 г. выдающимся математиком и физиком Джоном фон Нейманом и его коллегами Г.Голдстайном и А.Берксом [14].

Принцип программного управления

Суть этого принципа заключается в том, что процесс решения любой задачи на ЭВМ разбивается на последовательность элементарных действий – команд, которые может выполнять процессор. Команда осуществляет единичный акт преобразования информации, например, это может быть операция выборки (загрузки) из памяти или записи информации в память, арифметические операции или операции сравнения и т.д. Все разновидности команд, использующиеся в конкретной ЭВМ, в совокупности являются языком машины или системой команд машины. Таким образом, каждое действие процессора определяется командой программы, хранящейся в оперативной памяти. На каждом шаге обработки информации процессор выбирает из памяти команду и данные, необходимые для ее выполнения, выполняет предписанное командой действие и записывает результат в память. Затем процессор переходит к выполнению следующей команды. Так продолжается до тех пор, пока из памяти не будет загружена специальная команда, предписывающая окончание работы программы.

Принцип двоичного кодирования информации

Информация в ЭВМ представляется в двоичном виде, т.е. для представления команд и данных используется алфавит, состоящий всего из двух символов 0 и 1. Это существенно расширяет круг физических явлений и приборов, которые можно использовать для создания АЛУ и ОЗУ ЭВМ, а также упрощает техническую конструкцию ЭВМ, за счет простоты выполнения арифметических операций в двоичной системе и использования аппарата булевой алгебры для выполнения логических операций.

Способы кодирования могут быть различны, сущность же кодирования заключается в том, что каждому символу алфавита, на котором представляется информация вне ЭВМ, ставится в соответствие некоторый код, состоящий из определенного числа двоичных символов (цифр). Как известно, двоичная цифра, имеющая всего два значения 0 и 1, называется битом. Группа из n бит позволяет представить 2^n значений или комбинаций из 0 и 1. Во всех современных ЭВМ важную роль играет представление данных по 8 бит байты, и которые содержат любую из 2^8=256 комбинаций. Байт является стандартной базовой единицей, из которой образуются все остальные единицы машинных данных. В зависимости от того, как интерпретируется содержимое байта, оно может быть: кодированным представлением символа внешнего алфавита, целым беззнаковым или знаковым числом, частью кода команды, адреса ячейки памяти или более сложной единицы данных.

Основная или базовая единица данных, которой оперируют процессор, называется машинным словом. В большинстве ЭВМ длина машинного слова кратна байту. Длина слова является важнейшей характеристикой процессора и, в соответствии с ней, они подразделяются на 8-, 16-, 32- или 64-битные (разрядные).

Принцип произвольного доступа к основной памяти

Структурно основная память ЭВМ состоит из дискретных элементов ячеек, каждая из которых может содержать упорядоченный двоичный набор – машинное слово или часть его (обычно байт). Принцип произвольного доступа состоит в том, что процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка памяти, причем время доступа (время чтения или записи информации) одинаково для всех ячеек.

Чтобы обеспечить такой доступ к ячейкам памяти, с каждой из них связывается персональное имя и обращение к ячейке производится с помощью указания ее имени. Для этого все ячейки основной памяти перенумеровываются от О до N-1 и в качестве имени ячейки используется ее порядковый номер – адрес ячейки, который также представляется в двоичной форме и является еще одной единицей данных, обрабатываемой процессором. Число ячеек N называют объемом ОЗУ. Длина двоичного кода адреса (m) связана с числом ячеек (емкостью памяти) следующим соотношением m=log2(N).