Файл: Устройство персонального компьютера (Базовые характеристики).pdf

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня все лидеры международной торговли и экономики владеют высокими технологиями и наукоемкими производствами. И в условиях современной рыночной экономики не только меняется подход к управлению (от функционального к бизнес-ориентированному), но и роль информационных технологий. Таким образом, смена ориентации на управление, основанное на бизнес-процессах, позволяет получить конкурентное преимущество. А такое управление невозможно без вычислительной техники, вследствие чего тема изучения устройства ПК является достаточно актуальной.

В современных ПК реализован принцип открытой архитектуры, позволяющий пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Конфигурацией компьютера называют фактический набор компонентов, которые составляют компьютер. Принцип открытой архитектуры позволяет менять состав устройств ПК. К информационной магистрали могут подключаться дополнительные периферийные устройства, одни модели устройств могут заменяться на другие.

Любая компьютерная система содержит следующие базовые компоненты: центральный процессор (счетное устройство), блок памяти, вторичную систему хранения информации. Здесь центральное значение имеет наряду с техническими параметрами каждого компьютерного узла и пропускная способность каналов, которые связывают узлы между собой и с конечными пользователями.

Среди комплектующих компьютера достаточно много различных устройств, каждое из которых имеет свой набор характеристик, который требует особого изучения. Выбор комплектующих ПК требует рационального и грамотного подхода.

Каждый компьютер имеет свои технические и эксплуатационные характеристики: производительность, быстродействие, различные показатели надежности и достоверности, точности, а также емкость оперативной и внешней памяти, габаритные размеры, стоимость программных и технических средств, особенности их эксплуатации и многое другое.

Объектом изучения данной работы являются ПК. Цель работы заключается в получении концептуального представления об устройстве ПК.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

1. рассмотреть принципы построения ЭВМ фон Неймана;
2. ознакомиться с функциональными узлами ПК;
3. исследовать виды памяти ПК;
4. ознакомиться с понятием видеоадаптера;
5. выявить базовые характеристики ПК.

1. УСТРОЙСТВО ПК

1.1. Принципы фон Неймана и функциональные узлы ПК

 Основные принципы построения ЭВМ были сформулированы американским ученым Джоном фон Нейманом в 40-х годах 20 века:^[1]

1. Любую ЭВМ образуют три основные компонента: процессор, память и устройства ввода-вывода (УВВ) (рис. 1).
2. Информация, с которой работает ЭВМ делится на два типа:

• набор команд по обработке (программы);
• данные подлежащие обработке.

1. Команды и данные вводятся в память оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) – принцип хранимой программы.

Рисунок 1. Основные компоненты ЭВМ

1. Руководят обработкой процессор и устройство управления (УУ), которое выбирает команды из ОЗУ и организует их выполнение, а арифметико-логическое устройство (АЛУ) проводит арифметические и логические операции над данными.
2. С процессором и ОЗУ связаны устройства ввода-вывода (УВВ).

Функциональные узлы - это конструктивно и функционально обособленные части ПК. Перечень узлов и особенности исполнения могут различаться в зависимости от модели ПК.

ПК состоит из следующих основных функциональных узлов:^[2]

• процессора, включающего УУ, АЛУ, регистры стека и стек возврата из подпрограмм;
• памяти программ, регистров данных и функций;
• устройства ввода-вывода;
• блока питания.

В ПК могут устанавливаться дополнительные функциональные узлы: клавиатуры, индикатора, внутреннего электронного диска, электронного блокнота, часов реального времени, устройства звуковой сигнализации (динамика), аналого-цифрового преобразователя (АЦП), порты внешних устройств и другие.

Основные функциональные узлы ПК (рис. 2):

1. Основным элементом ПК является процессор, работа которого управляется по встроенной программе. В зависимости от полученных команд при помощи АЛУ выполняются действия над числами, находящимися в стеке.
2. При обращении к регистрам памяти происходит запись или считывание данных, хранящихся в памяти ПК. При обращении к регистрам функций производятся различные дополнительные операции, в том числе настройка параметров и управление узлами ПК.
3. Для хранения программ пользователя используется память программ.
4. УУ обрабатывает команды, организует выполнение программы пользователя, а также выполняет обращения к дополнительным функциональным узлам и устройству ввода-вывода.^[3]
5. УВВ управляет портами последовательного и параллельного интерфейса, а также портами внешних устройств.

Рисунок 2. Классическая архитектура ПК

Связь компьютера с внешними устройствами осуществляется через порты – специальные разъемы на задней панели компьютера. Различают последовательные и параллельные порты.

Последовательные (COM – порты) служат для подключения манипуляторов, модема и передают небольшие объемы информации на большие расстояния.

Параллельные (LPT - порты) служат для подключения принтеров, сканеров и передают большие объемы информации на небольшие расстояния.

В последнее время широкое распространение получили последовательные универсальные порты (USB), к которым можно подключать различные устройства.

1. Блок питания формирует напряжения, необходимые для функционирования электронных компонентов.

К дополнительным функциональным узлам ПК относятся:

1. Клавиатура и индикатор применяются для организации взаимодействия с пользователем.
2. Внутренний и внешний электронные диски используются для хранения информации в виде файлов различных типов: программ, текста, двоичных и десятичных данных.
3. Электронный блокнот предназначен для хранения данных в виде десятичных чисел, организованных в группы.
4. Энергонезависимые часы реального времени позволяют синхронизировать выполнение программ с астрономическим временем.
5. Устройство звуковой сигнализации (динамик) позволяет подавать звуковые сигналы.
6. АЦП преобразует входной аналоговый сигнал в числовой код и передает его в устройство управления для последующей обработки.
7. Порты внешних устройств предназначены для обмена дискретными и информационными сигналами с использованием различных интерфейсов связи.

Аппаратное подключение периферийного устройства к магистрали на физическом уровне осуществляется через специальный блок - контроллер (другие названия - адаптер, плата, карта). Для установки контроллеров на материнской плате имеются специальные разъемы - слоты.^[4]

Программное управление работой периферийного устройства производится через программу - драйвер, которая является компонентой операционной системы.

1.2. Память ПК

В ПК подразделяется на внутреннюю и внешнюю.

Запоминающее устройство (ЗУ) - это носитель информации, который предназначен для записи и хранения данных.

Рассмотрим классификацию ЗУ:

1. По устойчивости записи и возможности перезаписи ЗУ подразделяются на:

• постоянные ЗУ (ПЗУ) - их содержание не может быть изменено пользователем. В рабочем режиме ПЗУ допускается только считывание информации (BIOS).
• записываемые ЗУ – предусматривается запись информации пользователем единожды (DVD-R);
• многократно перезаписываемые ЗУ (DVD-RW);
• оперативные ЗУ (ОЗУ) предназначены для записи, хранения и считывания информации при ее обработке.

1. По типу доступа ЗУ подразделяются на устройства:

• с последовательным доступом (стримеры);
• с произвольным доступом (ОЗУ);
• с прямым доступом (НЖМД – накопитель на жестком магнитном диске);
• с ассоциативным доступом (предназначены для повышения производительности баз данных БД).

1. По геометрическому исполнению ЗУ подразделяются на:

• дисковые (магнитные диски, оптические и магнитооптические диски);
• ленточные (перфоленты, стримеры);
• барабанные (магнитные барабаны);
• карточные (магнитные карты, перфокарты, флэш-карты)
• печатные платы (карты DRAM).

1. По физическому принципу ЗУ подразделяются на:

• перфорационные (перфокарта, перфолента);
• с магнитной записью (ферритовые сердечники, магнитные диски, магнитные ленты, магнитные карты);
• оптические (CD, DVD, HD-DVD, Blu-ray Disc);
• использующие эффекты в полупроводниках (флэш-память) и другие.

1. По форме записанной информации ЗУ подразделяются на:

• аналоговые;
• цифровые.

Внутренняя память включает оперативную, постоянную и кэш-память.

1. Оперативная память используется для хранения данных, обработка которых осуществляется в данный момент. При использовании для этой цели НЖМД сильно возрастет время доступа к данным, а оперативная память отличается более высокой производительностью. Оперативная память (память с произвольным доступом RAM) позволяет процессору обращаться к любой ячейке памяти.^[5]

ОЗУ служит для временного хранения данных и команд, которые используются процессором для выполнения им определенных операций. При этом данные для процессора передаются ОЗУ непосредственно или через кэш-память. Стоит отметить, что любая ячейка ОЗУ обладает индивидуальным адресом.

Конструктивно  ОЗУ выполняется в виде отдельного блока (рис. 3) или входить в состав материнской платы  или микроконтроллера.

Рисунок 3. ОЗУ

Сейчас используются следующие виды ОЗУ: SRAM (Static RAM) и DRAM (Dynamic RAM).^[6]

SRAM  - это ОЗУ на триггерах (статическая память с произвольным доступом). Она поставляется в виде модулей DIMM.

Память DDR (с двойной скоростью передачи данных) является усовершенствованным стандартом SDRAM с удвоенной скоростью передачи данных. Конструктивно DDR SDRAM выпускается в виде 184-контактных модулей DIMM.

DRAM  (динамическая память на конденсаторах) является более экономичным видом памяти. В DRAM разряды хранятся не статически, а «стекают» динамически во времени.^[7]

DRAM, в отличие от SRAM, более дешевая. Однако ее быстродействие ниже. В результате чего обычную память строят на модулях DRAM, а кэш-память в микропроцессорах не SRAM

1. Постоянная энергонезависимая память используется для хранения неизменяющихся данных. Содержание такой памяти «зашивается» заводом-изготовителем в устройстве. Из постоянного ЗУ (ПЗУ) возможно только чтение данных. Прежде всего, в ПЗУ записывают программу управления работой процессора. ПЗУ содержит постоянную программную и справочную информацию.^[8]

ПЗУ содержит:

• программу управления работой процессора;
• программу запуска/останова ПК;
• программы тестирования устройств, которые в процессе каждого запуска ПК проверяют правильность работы его функциональных блоков;
• программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью;
• информацию о местонахождении ОС.

ПЗУ – это энергонезависимая память, которая при отключении питания ПК сохраняет свои данные.

1. Кэш-память. По сравнению с быстродействием современных процессоров скорость функционирования основной памяти мала. Однако процессор не может тратить много времени в ожидании команд и данных из основной памяти. Поэтому нужны механизмы, сокращающие время доступа к необходимой информации. Поскольку быстродействие основной памяти физически ограничено, здесь потребуется архитектурное решение. Таким решением является использование быстрой кэш-памяти, благодаря которой основная память представляется процессору более быстрой, чем она есть на самом деле.

Внешняя память предназначена для длительного хранения программ и данных, и целостность ее содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер. В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором.