Файл: Структура персонального компьютера.pdf

Введение

Развитие вычислительных технологий, а также увеличение объема оборота информации требовало инструмента для обработки и хранения большого количества информации. Таким инструментом стала ЭВМ, в простонародье – компьютер.

На сегодняшний день, компьютер считается одним из самых значимых изобретений прошлого века. Он значительно изменил роль и значение вычислительной техники в жизни человека. Сегодня компьютеры есть у большинства семей. Их используют для развлечения, создания или просмотра фильмов, а также для получения образования. Компьютер является помощником как для студента, который только получает образование, так и для уже сформировавшихся специалистов, вроде инженеров, врачей, юристов и бухгалтеров. С помощью вычислительных мощностей компьютера стало возможно создавать автоматизированные системы учета для больших производственных предприятий, разработать и реализовать многие проекты, которые направлены на различные сферы деятельности, сделать более доступным и продуктивным процесс обучения.

Актуальность данной курсовой работы заключается в том, что будущему инженеру-программисту нужно не только уметь пользоваться персональным компьютером, но и знать как устроен персональный компьютер. Так как компьютер используется практически во всех сферах деятельности человека, а круг задач, который требует для решения своих задач применение ЭВМ, весьма расширился, то изучение информации об устройстве персонального компьютера и его основных компонентов поможет будущему специалисту как с ремонтом его инструмента работы, так и в создании программных продуктов (Programming application) или программного обеспечения (Software) для персональных компьютеров.

1 Структура персонального компьютера

Персональный компьютер является комплексным устройством, которое состоит из двух основных частей аппаратной и программной. Прежде чем приступать к разбору данных частей, нужно определиться, что такое структура персонального компьютера (ПК). Под структурой ПК подразумевают совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть различные устройства – от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура ПК – это некоторая модель, которая представляется в виде схемы, с помощью которой можно дать описание, состав, порядок и принцип взаимодействия входящих в нее компонентов на любом уровне детализации.

---

В настоящие время компьютеры проектируются на принципе открытой архитектуры. Эта архитектура, которая допускает сборку, усовершенствование и ремонт компьютера по его составным элементам.

Рисунок 1 Архитектура фон Неймана.

Открытая архитектура компьютера позволяет сторонним производителям разрабатывать дополнительные устройства к системам с открытой архитектурой.

1.1 Аппаратная часть

1.1.1 Системный блок

Системный блок ПК (корпус) отвечает за размещение всех внутренних компонентов персонального компьютера:

1. Материнская плата
2. Процессор
3. Оперативная память (RAM)
4. Жесткий диск
5. Дисковод
6. Видеоадаптер

Рисунок 2 Системный блок (корпус)

Выше представлен пример собранного системного блока. В настоящее время существует несколько типов корпусов:

1. Desktop
2. Mini/Mid/Big – Tower

Desktop корпуса предназначаются находиться на столе под монитором, либо рядом. Второй тип корпусов – Tower. Это вертикальные блоки, где приставки Mini/Mid/Big означает размер корпуса по вертикали.

1.1.2 Материнская плата

Материнская плата – это печатная плата, которая является центральной частью любого компьютера. Она состоит из следующих несъемных основных частей:

• Микропроцессорный комплект (чипсет) – набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы;
• Разъемы оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) – в эти разъемы подключаются модули динамической памяти, которые предназначены для временного хранения информации;
• Шины – наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;
• Микросхемы чипсета (северный мост и южный мост):

Северный мост – это микросхема, которая 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.

• ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) – микросхема, предназначенная для длительного хранения данных, в том числе и когда компьютер выключен;
• Контроллеры и интерфейсы периферийных устройств. Это слоты и разъемы, в которые подключаются устройства ввода/вывода данных (монитор, клавиатура, мышь, принтер и т.д.).

---

На схеме (Рисунок 3) изображена схема материнской (системной) платы IBM-совместимого компьютера.

Рисунок 3 Схема материнской платы

При выборе материнской платы нужно ориентироваться на чипсет, поддерживаемый тип оперативной памяти и на слоты для дополнительной периферии.

1.1.3 Процессор

Процессор – это главная микросхема в современном персональном компьютере, так как именно он координирует работу остальных частей системы и осуществляет обработку данных.

Центральный процессор состоит из:

1. арифметико-логического устройства (АЛУ);
2. устройства управления;
3. набор регистров.

Арифметико-логическое устройство обеспечивает выполнение вычислительных действий.

Устройство управления обеспечивает порядок выполнения операций и прерывания.

Регистры исполняют роль памяти. Нужно учитывать, что данные, которые попадают в регистры могут рассматриваться не как данные, а как команды, которые управляют обработкой данных в других регистрах. К примеру, среди регистров процессора есть и такие, которые в зависимости от своего содержания способны модифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных. На этом и основано исполнение программ.

Рисунок 4 Процессор (ЦПУ)

Так как процессор, также имеет свои технические характеристики, то при покупке нужно учитывать те характеристики, которые определяют его качество работы – частота, количество ядер, потоков и энергопотребление.

Тактовая частота – это число основных операций компьютера, производимых за одну секунду.

Ядро – основная вычислительная единица процессора, которая способна в один момент времени выполнять одну последовательность команд. Если ядро одно, а последовательностей требуется выполнять несколько, оно быстро переключается между ними, выполняя задачи поочередно.

Поток – результат реализации вычислений, при котором одно физическое ядро способно программно разделять свою производительность и работать над несколькими последовательностями команд одновременно.

Энергопотребление. Наиболее производительные модели потребляют до 130 и более ватт. Благодаря принципу открытой архитектуры ПК позволяет установить на компьютер более мощный и производительный центральный процессор.

---

1.1.4 Оперативная память

Оперативная память или же RAM – это одна из основных частей компьютера. Она предназначена для текущего хранения фрагментов операционной системы, программ и их переменных и результатов работы во время работы компьютера. Количество задач, которое компьютер может выполнить одновременно, зависит от объема оперативной памяти. Так как оперативная память или же ОЗУ (RAM) – это энергозависимая часть системы компьютерной памяти, то данные доступны и сохраняются тогда, когда на модули оперативной памяти подается напряжение. Выключение питания приводит к потере информации.

Рисунок 5 Схема обмена данными между процессором и ОЗУ

Обмен данными между процессором и оперативной памятью производится через регистры в АЛУ, либо через кэш.

В настоящий момент времени применяются два основных вида ОЗУ:

• Статическое ОЗУ – это когда память представлена 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, 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 этой разницей основную оперативную память строят на модулях динамической памяти, а память статического типа используется для построения кэш-памяти внутри микропроцессора.

1.1.5 Жесткий диск

Жесткий диск (HDD) – устройство, предназначенное для хранения больших объемов информации и не теряющее эту информацию после потери электропитания. Именно на жестком диске хранится операционная система и все программы, установленные на компьютере пользователя. Жесткий диск находится внутри системного блока и представляет собой металлический корпус небольших размеров, внутри которого расположено несколько очень быстро вращающихся дисков. Считывание информации с дисков и запись на них производятся посредством специальных магнитных головок, которые могут перемещаться над поверхностью диска.

---

Рисунок 6 Структура HDD

При подборе жесткого диска следует смотреть на следующие технические характеристики:

• Объем накопителя – количество данных, которое можно хранить на жестком диске.
• Интерфейс – это может быть SATA/IDE/SCSI. Данная характеристика влияет на скорость обмена данными.
• Объем кэша – чем больше объем кэша у жесткого диска, тем больше скорость передачи данных.

1.1.6 Видеокарта

Для того, чтобы человек смог увидеть результаты работы процессора, который занимается алгоритмическими операциями и расчетами, была придумана видеокарта или же видеоадаптер. Работу видеокарты можно сравнить с переводчиком. Она получает двоичные данные произведенные процессором и переводит их в понятные для человека символы, картинки.

Важно отметить, что дискретная видеокарта не совсем является обязательной частью современного компьютера, так как практически все современные матерински платы обладают интегрированным видеоконтроллером, который способен преобразовывать графические данные, но реалии таковы, что с современными задачами обычного пользователя он не справится.

Рисунок 7 Принцип работы видеокарты

Видеокарта работает следующим образом: центральный процессор отправляет информацию о том, каким должно быть изображение на видеокарту. Затем уже видеокарта определяет, в каком порядке расположить пиксели на экране.

Подобно системной плате, видеокарта изготовлена на печатной плате. Также она имеет собственный процессор, который похож на центральный процессор, только заточен на выполнение сложных геометрических операций, оперативная память и BIOS, который осуществляет ее диагностику.

1.1.7 Сетевая карта

Сетевая карта (Ethernet-адаптер) – это специальное интерфейсное устройство, которое позволяет компьютеру взаимодействовать с другими участниками локальной вычислительной сети. На сегодняшний день данная плата (карта) чаще интегрирована в материнскую карту, чем идет дискретно. Помимо доступа к информационному полю другого участника вычислительной сети она может осуществлять взаимодействие с сетями более высокого ранга.

Рисунок 8 Виды сетевых плат: (внутренние, внешние, интегрированные)

---