Файл: АРХИТЕКТУРА СОВРЕМЕННЫХ КОМПЬЮТЕРОВ (Основные устройства компьютера).pdf

Введение

На сегодняшний день большое распространение среди обычных пользователей получили персональные компьютеры. Степень распространения данных технических устройств позволяет пользователям иметь меньшее представление о внутренней структуре аппаратной части при работе с программной составляющей. Именно из-за этого явления у пользователей возникают проблемы при ремонте или замены комплектующих персонального компьютера.

Актуальностью данной темы является сбор и структурирование знаний об устройстве компьютера и его компонентах. Объектом исследования является электронно-вычислительная машина и ее устройство в целом. Предметом исследования является ЭВМ со всеми его дополнительными подключаемыми устройствами.

В данной работе рассмотрены основные устройства персонального компьютера, составляющие системный блок, а также устройства ввода, вывода и ввода-вывода, являющиеся дополнительными подключаемыми комплектующими. В качестве основных устройств персонального компьютера взяты центральный процессор, материнская плата, корпус, видеокарта, жесткий диск, оперативная память и блок питания.

Так как основным ресурсом вычислительной техники является информация, то компьютер должен иметь возможность хранить, перерабатывать, получать и отдавать информацию в пригодном для пользователя виде. Для осуществления данной задачи служат основные устройства и устройства ввода-вывода. В качестве подключаемых устройств ввода рассмотрены мышь, планшет, клавиатура, игровые устройства и устройства ввода графической и звуковой информации. В качестве подключаемых устройств вывода рассмотрены монитор, принтер и звуковая система. В качестве устройств ввода-вывода рассмотрены дисковод и сетевая плата.

Объектом исследования является ЭВМ и его основные устройства, предметом исследования валяются периферийные устройства ввода, вывода и ввода-вывода.

Целью данной работы является структуризация знаний об архитектуре персонального компьютера с анализом основных компонентов, как основных, так и дополнительно подключаемых.

Задачами данной работы являются:

• рассмотрение основных устройств, составляющих системный блок персонального компьютера;
• изучение подключаемых устройств ввода информации, в том числе текстовой, графической и звуковой информации;
• изучение подключаемых устройств вывода информации, в том числе текстовой, графической и звуковой информации;
• изучение подключаемых устройств ввода-вывода информации;
• приведение конкретных примеров устройств.

В основу исследования легли работы американского профессора Эндрю Таненбаума, а также популярные книги по ремонту компьютеров таких авторов, как И. Жуков и С. Орлов.

В работе подробно рассмотрено устройство настольных персональных компьютеров, но мало внимания уделено портативным персональным компьютерам, набирающим популярность в наши дни. В портативных компьютерах многие из дополнительно подключаемых устройств встроены в корпус или материнскую плату, тем самым включая себя в состав основных устройств.

1. Основные устройства

1.1. Центральный процессор

Центральный процессор является электронным блоком либо интегральной схемой, исполняющим инструкции машины, основная часть программируемого логического контроллера или аппаратного обеспечения компьютера.

Изначально термином «центрального процессорного устройства» описывался специализированный класс логических машин, которые предназначены для выполнения сложных компьютерных программ. Ввиду очень полного совпадения этого назначения с функциями компьютерных процессоров, которые существовали в то время, он стал использоваться для названия самих компьютеров^[1].

Главными характеристиками центрального процессорного устройства являются: производительность, тактовая частота, нормы используемого при производстве литографического процесса, энергопотребление и архитектура.

Ранние центральные процессоры имели назначение уникальных составных частей с целью использования в уникальных или даже единственных компьютерных системах. Позже производители компьютеров перешли от невыгодной разработки узкоспециализированных процессоров к изготовлению многоцелевых устройств. В эпоху бурного развития мейнфреймов, полупроводниковых элементов и миникомпьютеров зародилась тенденция к стандартизации комплектующих, а при появлении интегральных схем она получила еще большую популярность. Путем создания микросхем была еще больше увеличена сложность центральных процессоров с одновременным уменьшением их физических размеров. Миниатюризация и стандартизация процессорных устройств стали приводить к глубокому внедрению в повседневную жизнь человека различных цифровых устройств. Устройства, основанные на современных процессорах, могут быть не только такими высокотехнологичными устройствами, как компьютеры, но и мобильными телефонами, калькуляторами и автомобилями. Обычно в подобных устройствах на микроконтроллере помимо вычислительного устройства расположены дополнительные компоненты на кристалле. Вычислительные возможности современных микроконтроллеров сравнимы с показателями аналогичных процессоров десятилетней давности^[2] [8, 12].

Внешний вид центрального процессора представлен на рисунке 1.

Рис 1. Внешний вид центрального процессора

1.2. Материнская плата

Материнская плата представляет собой сложную многослойную печатную плату, которая является основой построения вычислительной системы. Материнская плата является базовым устройством компьютера для установки плат расширения, оперативной памяти и процессора. К ней подключаются дисковые накопители, устройства ввода/вывода и другие подобные компоненты. Системная плата обеспечивает их взаимодействие с использованием специального набора микросхем системной логики. На системной плате помимо этого располагаются другие устройства, такие как батарейка для питания часов, микросхема BIOS, тактовый генератор и память с автономным питанием^[3].

Дополнительно в материнскую плату монтируются система охлаждения и периферийные устройства, формируя системный блок компьютера^[4] [10, 12].

Внешний вид материнской платы представлен на рисунке 2.

Рис. 2. Внешний вид материнской платы

1.3. Корпус

Корпус является металлической коробкой со съемной крышкой, с размещенными в ней различными устройствами компьютера. Корпус предназначен для защиты внутренних компонентов компьютера от механических повреждений и внешнего воздействия, поддержания необходимого температурного режима внутри и экранирования, создаваемого внутренними компонентами электромагнитного излучения^[5].

По форме корпуса бывают двух видов:

• Desktop – плоские корпуса с горизонтальным расположением, которые обычно располагаются на столе и используются как подставка для монитора;
• Tower – вытянутые корпуса в виде башен, с вертикальным расположением, обычно располагаются на полу.

Передняя панель корпуса компьютера обычно бывает оборудована кнопками перезагрузки и выключения, индикаторами накопителей и питания, гнёздами для подключения микрофона и наушников, интерфейсами передачи данных^[6].

В случае использования в составе центров обработки данных или вычислительного кластера, монтируемого в стойку, в корпус также устанавливают средства контроля и телеметрического управления.

В основном, внутренности системного блока монтируются с помощью специальных крепежных элементов^[7] [8, 9, 12].

Внешний вид корпуса представлен на рисунке 3.

Рис. 3. Внешний вид корпуса

1.4. Видеокарта

Видеокарта является устройством, преобразующим хранящийся как содержимое памяти компьютера графический образ в форму, которая пригодна для вывода на монитор. Первые мониторы, основанные на технологии ЭЛТ, работали также как и телевизоры, основываясь на принципе сканирования электронным лучом экрана, и требуя генерируемый видеокартой видеосигнал для отображения.

Чаще всего видеокарта выглядит как печатная плата и вставляется в универсальный или специализированный разъём расширения. Наиболее популярным разъемом на сегодняшний день является PCI-Express. Помимо этого, широко распространены встроенные в системную плату видеокарты. Встроенные видеокарты могут иметь вид отдельного чипа или составлять часть северного моста центрального процессорного устройства или чипсета^[8].

Основными характеристиками видеокарты являются:

• ширина шины памяти, представляющая собой количество бит передаваемой за такт информации, измеряется в битах;
• объём собственной видеопамяти адаптера, измеряется в мегабайтах. Видеокарты, являющиеся частью центрального процессорного устройства или интегрированные в материнскую плату, обычно используют часть компьютерной оперативной памяти для своих нужд, не имея собственной видеопамяти;
• частоты памяти и ядра, измеряются в мегагерцах;
• пиксельная и текстурная скорость заполнения, показывающая количество выводимой информации, измеряется в миллионах пикселей в секунду^[9] [8, 10].

Внешний вид видеокарты представлен на рисунке 4.

Рис. 4. Внешний вид видеокарты

1.5. Жесткий диск

Жесткий диск является запоминающим устройством произвольного доступа, основанным на принципе магнитной записи. Считается основным накопителем данных большинства современных компьютеров^[10].

В отличие от гибких магнитных дисков, информация в накопителе на жестких магнитных дисках записывается на жесткие стеклянные или алюминиевые пластины, которые покрыты слоем какого-либо ферромагнитного материала, обычно двуокисью хрома. В накопителе на жестких магнитных дисках используются пластины на одной оси. Из-за прослойки набегающего потока воздуха, которая образуется у поверхности за счет быстрого вращения, считывающие головки при работе не прикасаются к поверхности пластин. Расстояние между диском и головкой равняется нескольким нанометрам, а за счет отсутствия механического контакта обеспечивается долгий срок службы диска. Головки в режиме ожидания находятся в безопасной парковочной зоне, у шпинделя или за пределами диска, где исключен нештатный контакт головок с поверхностью дисков^[11].

Дополнительно носитель информации обычно совмещается с блоком электроники, приводом и накопителем, обычно такие диски используют в как несъемный носитель информации.

На сегодняшний день серийно выпускаемые жесткие диски используют интерфейсы eSATA, SATA, ATA (он же PATA и IDE), SCSI, SDIO, Fibre Channel, SAS и FireWire^[12] [9, 10, 12].

Внешний вид жесткого диска представлен на рисунке 5.

Рис. 5. Внешний вид жесткого диска

1.6. Оперативная память

Оперативная память является энергозависимой частью системы компьютерной памяти, сохраняющей во время работы компьютера выполняемый машинный код, а также обрабатываемые процессором выходные, входные и промежуточные данные.

Оперативную память используют с целью временного сохранения данных работы программ, операционной системы и текущих данных. Данный вид памяти выполнен в виде установленных на системную плату модулей и может хранить информацию только при включенном питании^[13].

В общем случае, оперативное запоминающее устройство содержит программы и данные операционной системы, запущенных прикладных программ пользователя и сами эти программы. По этой причине объем оперативной памяти влияет на количество задач, одновременно выполняемых компьютером под управлением операционной системы.

Оперативная память изготавливается отдельным внешним модулем или располагается на одном кристалле с процессором в однокристальных микроконтроллерах или однокристальных электронно-вычислительных машинах^[14].

Оперативная память почти всех компьютеров в наше время является собой модулями динамической памяти, которые содержат полупроводниковые интегральные схемы запоминающих устройств. Память динамического типа дешевле памяти статического типа, и ее плотность выше, за счет чего получается разместить на той же площади кремниевого кристалла больше ячеек памяти меньшего быстродействия. Статическая память, наоборот, быстрее, но и дороже. Из-за этого память статического типа используют внутри микропроцессора для построения кэш-памяти, а основная оперативная память строится на модулях динамической памяти^[15] [10, 12].

Внешний вид оперативной памяти представлен на рисунке 6.