Файл: Устройство персонального компьютера.pdf

Введение

Наш век можно охарактеризовать веком автоматизации и компьютеризации. Последнее тесно вошло в повседневную жизнь обычного человека. Сегодняшний день мы не мыслим без тех процессов, в которых участвует компьютер, процессов: рабочих, образовательных, развлекательных. В работе бухгалтеров, HR-специалистов (кадровиков), инженеров-проектировщиков, диспетчеров, логистов, кассиров, аналитиков имеется большой объем информации, который требует тщательной, точной обработки и получения быстрых результатов. В этих и других рабочих сферах компьютеры являются основой для эффективного выполнения поставленных задач. Популярным является и дистанционное образование: среднее, среднее профессиональное, высшее, курсы повышения квалификации, обучение не отрывное от производства, лекции, вебинары, семинары и т.п. Придя с работы или учебы, мы отдаем свое свободное время компьютеру: просмотру телесериалов, кино, прослушиванию музыке, играм, социальным сетям. У большинства семей имеется один персональный компьютер – кто-то покупал для учебы в школе, высшем учебном заведении, кто-то для игр, кому-то он достался из-за того что дети решили купить более новую и мощную модель, которая соответствует современным тенденциям. Выбранная тема курсовой работы – устройство персонального компьютера. Сейчас она актуальна, как для меня, так и для общества в целом. В связи со сложившейся обстановкой в мире (распространение опасного вируса COVID-19), введен режим Чрезвычайной Ситуации, в том числе и у нас, в Российской Федерации, введен режим самоизоляции. Организации вынуждены в быстром темпе переводить сотрудников на удаленную работу, работу из дома. Компании не всегда могут обеспечить их необходимыми средствами – мощными компьютерами и периферийными устройствами, из-за внезапности поставленной задачи, и одновременного перевода большого количества служащих. Встает вопрос - могу ли я использовать свой персональный компьютер для выполнения объема поставленных задач работодателем, и как улучшить работу сложного устройства? Какие необходимы детали для усовершенствования процесса? Образовательные учреждения также подчиняются обстоятельствам и переводят своих учеников, студентов на дистанционную форму обучения. В семьях могут быть по два ребенка, которые учатся в школе, хорошо если они учатся в разные смены и тогда можно воспользоваться одним компьютером поочередно. Но что делать если они учатся в одну смену? Из чего собрать персональный компьютер или как реанимировать старый, чтобы он подходил для процесса обучения? Цель данной курсовой работы является углубление и совершенствование теоретических знаний, и их применение в для консультации своих подчиненных в обновлении домашних ПК.. Цель исследования – понять как устроен персональный компьютер, углубиться в его истоки создания. В первой главе рассмотрим историю появления ПК и его виды. Без истории невозможно понимать как это устроено и как это работает, понять для чего создавалось то или иное устройство и что он вносило с жизнь обычных людей. Во второй главе рассмотрим теоретические знания по устройству компьютера и его периферийным устройствам и программное обеспечение. Подбирая литературу для курсовой работы, в основном обнаружила что в основу курсовой работы вошли учебники для высших учебных заведений и учебные пособия по информатике. Большая часть книг написаны для студентов факультета «Информатики» техническом языком. Так как мой склад ума ещё неокончательно перестроился на технический язык, я использовала, в меньшей степени, и литературу, которая была написана доступным и понятным языком, например пособие для пожилых людей. Мы живем в век сетевой информации и нам доступны электронные ресурсы, но среди такого изобилия необходимо проверять достоверность информации. Поэтому для работы использовались в основном сайты производителей частей ПК.

1. История Персонального компьютера

В прочитанной литературе много понятий о персональном компьютере (ПК). Смысл везде одинаков. Возьмем за основу понятие персонального компьютера, который на мой взгляд показывает всю полноту назначение данного устройства. [Персональный компьютер – это программируемое электронное устройство, предназначенное для обработки и хранения (накопления) информации]^[1]. Чем связаны Электронная вычислительная машина (ЭВМ) и Персональный компьютер? Здесь рассмотрим понятие ЭВМ. В одном из учебных пособий имеется точное определение: [Совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки информации, называют вычислительной техникой. Конкретный набор связанны между собой устройств – вычислительной системой. Центральным устройством большинства вычислительных систем является электронная вычислительная машина (ЭВМ) или компьютер]^[2]. Из вышесказанного следует, что ЭВМ и ПК это сложные устройства, а значит они не создавались сразу в том виде, в котором сейчас используются.

Для того чтобы лучше понять, как устроен ПК, окунемся в хронологию создания ЭВМ. Счеты – были изобретены более 1500 лет назад и до 17 века были вне конкуренции. Шотландец Джон Непер (математик, теолог) изобрел логарифмы в 1617 году. Вскоре в 1623 г. английский математик Эдмонд Гантер изобретает логарифмическую линейку. [Логарифмической линейке суждена была долгая жизнь: от 17века и приблизительно до конца ХХ века]^[3]. Первое вычислительное механическое устройство создал Блез Паскаль. Это был ящик с многочисленными шестеренками, который складывал числа. В 1675 году Паскаль создает машину, выполняющую уже все 4 действия арифметики. [Практически сразу с Паскалем 1660-1680 гг. сконструировал счетную машину великий германский математик Готфрид Лейбниц.]^[4] Не мене важным стоит отметить, что Лейбниц заложил основы двоичной системы счисления. Прообразом арифмометра стали счетные машины этих двух ученых. Первый арифмометр, нашедший арифметическое применение выстроил германский часовой мастер Ган. [Ближе всего к созданию компьютера подошел англичанин Чарльз Беббидж] ^[5] Его разностная вычислительная машина предназначенная для сложных математических таблиц, в ходе её разработки чертежи становились сложнее. Работая над ней, Чарльз перешел к идее о более сложной «аналитической машине», которая могла выполнять операции по сценарию, т.е. быть программно-управляемой. В машине были предусмотрены запоминающие и арифметические устройства. Ввод инструкций осуществлялся с помощью перфокарт. Машины построены не были – остались только чертежи. Огаста Ада Байрон описала аналитическую машину в своем научном труде. В 1847г. Буль изобрел основные логические операции И, Или, Не. Его работы - это база для практической реализации вычислительных устройств. [В учебниках информатики этой теме посвящены отдельные главы]^[6]. Георг Шойц построил видоизмененный вариант Разностной машины, взяв за основу идею Бейббиджа. Воспользовался идеей последнего и Герман Холлерит - изобрел табулятор в 1887 году. Машина обрабатывала буквенную и числовую информации, подсчет велся с помощью перфокарт. Прямое участие в переписи населения. В 1936г Конрад Цузе за основу взял двоичную систему счисления и изобрел машину Z1, применив электромеханическое реле. В 1941 г создал Z3, управляемая программой. В 1944 году была создана машина Марк, основана на десятичном счислении, сотрудников IBM Говардом Айкеном. На этом месте можно подвести черту и сделать вывод, что мы просмотрели краткую историю докомпьютерной эпохи, механических компьютеров, компьютеров нулевых поколений ЭВМ. Время где человек стремился облегчить работу с математическими расчетами: перепись населения, арифметические действия и даже написание диссертация. Этот период тесно связан с математическими открытиями. Сказалось и недостаточное развитие технического прогресса. Оно не позволило некоторым машинам осуществиться в реальном мире. Идеи остались только на чертежах или были воплощены спустя многие годы, после написания трудов или даже смерти изобретателей.

Классификация по поколениям ЭВМ строго не закреплена. Поэтому условные периоды развития ЭВМ можно подразделить на этапы развития, опираясь на степени развития аппаратных и программных средств. Первое поколение: Ламповые. [В отличие от реле лампы потребляли больше электричества, грелись и быстро становились недееспособными. Плюс их был в скорости работы и они позволяли создавать более сложные схемы]^[7]. В 1936 году Алан Тьюринг опубликовал теоретическую работу, где описал ключевые свойства современного компьютера. Это устройство с бумажной лентой и читающей головкой, считывающей и обрабатывающей символы с ленты. Впоследствии Алан принял участие в создании «Колосса», декодирующей машины, которая содержала более двух тысяч электронных ламп. [Информация считывалась со скоростью 5000 символов в минуту.]^[8] Еще одной ламповой ЭВМ был ENIAC – более 17000 электронных ламп и работала в десятичном счислении. Размеры огромны и работала быстрее, чем «Марк1» - в 1000 раз. Другая машина «EDVAC» работала в двоичном коде и хранила программы на ртутных лампах. [Лиманова Н.И. также распределяет ЭВМ по поколениям и вычислительную машину «Марк 1» относит к ламповому поколению. ]^[9] Второе поколение - поколение, связанное с изобретением полупроводников - транзисторов. Это значительно облегчило работу с ЭВМ и её обслуживание: меньшее потребление электроэнергии, большой срок службы. Из-за применения новой технологии создавались относительно небольшие ЭВМ. [Работу транзистора углубленно рассматривает Грошев]^[10], на этом останавливаться не будем. Одновременно с этим развиваются и периферийные устройства, языки программирования создают информационные и электронно-справочные системы. [Согласно Лимановой примеры ЭВМ второго поколения – Мир, БЭСМ-4,IBM-7094]^[11] Третье поколение ЭВМ обуславливается интегральными схемами, многослойным печатным монтажом и резким снижением габаритов. Положительные аспекты третьего поколения – надежность, повышение производительности и доступ с удаленных серверов. Внутри корпуса помещалась целая небольшая схема. Пример – IBM360. Середина 70-х гг. – ознаменовывается появлением ЭВМ четвертого поколения. Разработаны большие интегральные системы- БИС. Совершенствование БИС привело к появлению сверхбольших ИС – СБИС с памятью 1 Мбайт. Создан микропроцессор. Массовый выпуск ПК. Другие поколения рассматривать не будем, так объектом исследования курсовой работы является именно ПК.

[Неоценимый вклад внес в разработку Джон фон Нейман, предложив принципы конструирования ЭВМ: принцип двоичного кодирования, принцип однородности памяти (команды и данные в одной памяти, одинаковые производимые действия над ними); принцип адресуемости памяти (пронумерованные ячейки, процессору в произвольный момент доступна любая ячейка, память внутренняя); принцип последовательности программного управления (последовательность определяется командой); принцип жесткости архитектуры (в процессе работы не изменятся ни список команд, ни топология).]^[12] Обозначив ряд ключевых компонентов компьютера: Центральное устройство управления ЦУУ, устройство ввода-вывода информации (УВВ), запоминающее устройство (ЗУ), центральное арифметическо-логическое устройство (АЛУ). Информация между устройствами компьютера осуществляется через системную шину (системную магистраль). Доступное и простое по смыслу определение шины возьмем у Демидова^[13]: [Шина - это кабель, состоящий из множества проводников. Количество проводников, входящих в состав шины, является максимальной разрядностью шины.] Системная шина это совокупность шины данных, адреса, управления, питания. Её характеристика определяется разрядностью и тактовой чистотой. Разрядность – количество передаваемых по шине бит одновременно, единица измерения – бит. Тактовая частота – количество элементарных операций по передаче данных за одну секунду и измеряется в мегагерцах. Когда говорят «Архитектура фоннеймовская»/Принстонская, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных. В Приложении 2 представлена схема архитектуры ЭВМ по фон Нейману. Этот [принцип хранимой программы, который был реализован в машине EDSAC в 1949 г. В Англии и используется в настоящее время]. ^[14] Широко распространены два типа вычислительных архитектур Принстонская (фон Нейман) и Гарвардская (Представлена в Приложении 3). Последняя разработана Говардом Айхеном в конце 1930 –х. [По Гарвардской архитектуре имеется и АЛУ, и УВВ, а память программ и память данных разделены, и они используют физически разделенные линии передачи. Это увеличивает производительность цифрового процесса обработки сигналов, но увеличивает цену процессора. Описанная архитектура подходит для специализированных микропроцессоров, которые решают прикладные задачи в реальном времени.] ^[15] Были и другие архитектуры. Характеристика и устройство их более детально описаны и наглядно представлены в главе 4 учебника Лиманова^[16]. Там же рассматривается и понятие «Семантического разрыва» Этот факт разрыва между принципами языков программирования высокого уровня и принципами, определяющими архитектуру ЭВМ. В учебном пособии «Информатика и программирование» ^[17] для легкого понимания используют аналогию с градостроительством.

Вывод архитектура – это общие принципы построения ЭВМ, которые реализуют программное управление работой и взаимодействуют между основными функциональными узлами. Сейчас современные персональные компьютеры построены на магистрально-модульном принципе.

Развитие микроэлектроники привело к возможности размещения тысячи интегральных схем на одном кристалле. БИС – это основной признак четвертого поколения ЭВМ. Из-за появления БИС ЭВМ можно было миниатюзировать - сделать меньших размеров, чтобы машина могла уместиться на письменном столе. На рынке появились недорогие модели, в это же время появилось новое понятие «Персональный компьютер». ПК малых размеров, обслуживать её и управлять её мог один человек. В 1971 году появился новый микропроцессор (МП) – Intel 4004. Фирма МИТС в 1974 г. (1975г по Демидову) ^[18]выпустила на рынок свой первый ПК – Альтаир 8080. В его состав входил МП фирмы Intel 8080, оперативная память (ОП) – 256 байт, ввод/вывод информации только двоичной системой, отсутствовали клавиатура и устройство вывода. Продавался часто в разобранном виде, стоимость – не выше четырехсот долларов. Использовав Альтаир студенты Бил Гейтс и Пол Аллен разработали и выпустили Altair Basic. В дальнейшем они основали компанию Microsoft. В 1977 году выходит ПК от Tandy Corporation, на базе МП – Z-80,имеет УВВ, кассетный магнитофон для записей программ и данных. В этом же году на компания Apple Computes презентует «Apple 2»: вес – 5 кг, цветная графика, [ с возможностью устанавливать дополнительные интерфейсные платы, платы памяти и пр]^[19]. Эти устройства объединяет один общий признак – закрытая архитектура. Покупая компьютер, пользователь довольствовался тем что приобретал без возможности усовершенствования отдельных компонентов. Модификация требовала не базовых знаний в области электроники. В 1978 г. был разработан накопитель на жестких дисках, первая программа для коммерческих расчетов- VisiCalc (из-за неё приобретали многие бизнесмены ПК, оставляя в прошлом калькуляторы). Первая Операционная система (ОС) – CP/M от Digital Research, построенная по модульному принципу и предусматривала адаптацию к отличным/другим конфигурациям. [Компьютерная революция] ^[20]началась в августе 1981 года – фирма IBM выпустила свой первый ПК –IBM Personal Computer (IBM PC). История шин на примере IBM PC в 7 главе учебника Лиманова. ^[21] МП -8088 intel, дисководы от Tandon, ОП – 64 Кбайт, встроенная версия языка Basic, ОС – Windows, а самое главное что значительно отличало его от предшественников – системная плата IBM PC разъемов расширения для подключения дополнительных устройств и непосредственно к шине компьютера. На рынке появились отдельные детали для расширения персонального компьютера: платы памяти по 256 Кбайт, графические адаптеры, платы с последовательными и параллельными портами. [Что и кто вывело машину вперед?- Пользователи. Они захотели иметь совместимые компьютеры. Тестовые программы для определения совместимости являлись Lotus 1-2-3 и Microsoft Flight Simulator.]^[22]Многие фирмы стали выпускать аналогичные ПК, вследствие чего получили название «клона». Цена таких компьютеров была ниже. Следующий ПК IBM PC AT. Что в нем значительно изменилось? Задействован более мощный МП, 16 разрядная шина расширений, графические адаптеры EGA 640*350 (16 БИТ), ОС DOS 3.0. В 1984 г выше первый лазерный принтер от Hewlett-Packard и Macintosh c графическим интерфейсом и манипулятором «мышь». В 1987 году ещё одна новинка от IBM – PS/2 применялась микроархитектура (MCA в дальнейшем отказались) и графические адаптеры VGA. От АТ-386 шина ESIA,которая совместима с предыдущими платами и платами с 32-разряднными. Microsoft разрабатывает Windows, тогда ещё оболочку для OS системы от IBM. В дальнейшем пути компаний расходятся, и Microsoft выпускает уже ОС Windows. [Процессоры 80486 (1989 г.), Pentium (1993 г.), Pentium-Pro (1995 г.), Penti-um-2 (1997 г.) и Pentium-3 (1999 г.) уже имеют встроенный математический со-процессор.] ^[23].