Характеристика устройств персональных компьютеров

Персональный компьютер в своем составе имеет множество функционально законченных устройств. Компьютер фактически является аппаратной стойкой различных устройств, большей частью объединенных общим блоком питания и установленных в одном корпусе.

Основной корпус компьютера называется системным блоком. Именно в нем размещается большая и наиболее важная часть устройств компьютера. Все остальные устройства, располагающиеся вне системного блока, но так же необходимые для его нормальной работы, называются внешними (периферийными) устройствами.

Системный блок (рис. 2.23).

Системный блок ПК содержит корпус и находящиеся в нем источник питания, материнскую (системную, или основную) плату с процессором и оперативной памятью, платы расширения (видеокарту, звуковую карту), различные накопители (жесткий диск, дисководы, приводы CD – ROM, DWD – ROM), другие дополнительные устройства.

В некоторых моделях домашних ПК системный блок с монитором собраны в едином корпусе (Apple iMac, Acer Aspire, Compaq Presario). От типа корпуса системного блока зависят тип, размеры и размещение используемой системной платы, минимальная мощность блока питания и максимальное количество устанавливаемых приводов накопителей. Монтажные (установочные) места, или отсеки, для накопителей могут быть двух типов – с внешним и внутренним доступом.

Одним из наиболее распространенных корпусов для ПК является корпус типа mini – tower. Обычно он имеет два 3,5 – дюймовых отсека с внешним доступом, два 3,5 – дюймовых отсека с внутренним доступом и блок питания мощностью (200 – 230) ватт. В корпусе типа mini – tower можно расположить стандартный набор накопителей и плат расширения.

Рассмотрим основные устройства, расположенные в системном блоке.

Материнская плата (рис. 2.24)

Главным узлом, определяющим возможности компьютера, является системная, или материнская (от англ. motherboard) плата.

На ней обычно размещаются:

— базовый микропроцессор;

— оперативная память;

— сверхоперативное ЗУ, называемое также кэш – памятью;

— ПЗУ с BIOS;

— набор управляющих микросхем, или чипсетов (chipset), вспомогательных микросхем и контроллеров ввода/вывода;

— CMOS – память с данными об аппаратных настройках и аккумулятором для ее питания;

— платы расширения, или слоты (slot);

— разъемы для подключения интерфейсных кабелей жестких дисков, дисководов, последовательного и параллельного портов, инфракрасного порта, а также универсальной последовательной шины USB;

— разъемы питания;

— преобразователь напряжения с 5 В на более низкое для питания процессора (например, процессоры i486DX4, Intel Pentium, Intel Pentium Pro потребляют 3,3 В, а современные Intel Pentium III и IV, равно как AMD Athlon и Duron, потребляют менее 2 В);

— разъем для подключения клавиатуры и ряд других компонентов.

На платах формата ATX и NLX также находятся разъемы мыши и клавиатуры, разъемы параллельного и последовательного портов. На материнской плате также могут находиться микросхемы видеоадаптера и звуковой платы, а также контроллеры. У большинства ПК системные платы содержат лишь основные функциональные узлы, а остальные элементы расположены на отдельных печатных платах (платах расширения), которые устанавливаются в соответствующие разъемы расширения. Например, устройство формирования изображения на экране монитора – видеоадаптер – чаще всего располагается на отдельной плате расширения – видеокарте.

Все компоненты материнской платы связаны друг с другом системой проводников (линий), по которым происходит обмен информацией. Эту совокупность линий называют шиной.

Процессоры (рис. 2.25)

Процессор (CPU – Central Processing Unit) управляет взаимодействием между программным обеспечением и всеми прочими компонентами компьютера.

Процессоры выполняются конструктивно как микропроцессоры, представляющие интегральную схему в виде тонкой пластины кристаллического кремния площадью несколько квадратных миллиметров. Микропроцессор помещен в пластмассовый или керамический корпус и крепится к системной плате компьютера.

До недавнего времени основной характеристикой процессора считалась тактовая частота, которая и определяла вычислительные мощности компьютера.

Используемые технологии производства микропроцессоров с большим количеством транзисторов показали, что дальнейшее наращивание вычислительных мощностей за счет повышения тактовой частоты нерентабельно. Высокоплотные технологии изготовления микропроцессоров привели к большому энергопотреблению и, как следствие, значительному тепловыделению. Всё это значительно ухудшает надежность и увеличивает затраты на охлаждение элементов в ПК.

Для решения указанных технологических трудностей вместо увеличения тактовой частоты основное внимание теперь уделяется разработке и внедрению многоядерной архитектуры микропроцессоров.

Многоядерная архитектура основана на использовании двух или более вычислительных ядер в одном процессоре. Многоядерный процессор использует один разъем, но операционная система воспринимает каждое из его исполняющих ядер как отдельный процессор, обладающий всеми соответствующими вычислительными ресурсами.

Разделяя реализуемую программу между несколькими исполнительными ядрами, многоядерный процессор может выполнять больше операций за фиксированный интервал времени. При этом ПО должно обеспечивать распределение нагрузки между несколькими ядрами. Это называется параллелизмом на уровне потоков, а поддерживающие такое распараллеливание операционные системы и приложения (например, Microsoft Windows XP) — многопоточными. Такой процессор может выполнять полностью обособленные потоки кода, например, поток приложения и поток операционной системы или два потока одного приложения.

В 2006 г. исполнительный директор Intel Пол Отеллини (Paul S. Otellini) продемонстрировал ряд новых разработок, в числе которых прототип процессора с 80 ядрами (рис. 2.26).

Опытная микросхема конструктивно представляет собой массив, в котором 80 элементов расположены в виде матрицы 8*10. Каждый элемент содержит небольшое вычислительное ядро, поддерживающее набор простых инструкций для обработки данных с плавающей запятой. Кроме того, каждый элемент содержит маршрутизатор для подключения ядра к сетевому решению на одном кристалле, соединяющий ядра друг с другом и предоставляющий им доступ к памяти.

Экспериментальная микросхема, содержащая 80 ядер и работающая на частоте 3,1 ГГц, способна обеспечить производительность уровня терафлоп, т.е. 1 трлн. операций с плавающей запятой в секунду.

Обеспечивая повышенную производительность и обладая сниженным энергопотреблением, многоядерная архитектура обеспечивает несколько важных возможностей, улучшающих работу пользователей: увеличение числа одновременно выполняемых задач, выполнение требовательных к вычислительной мощности приложений и увеличение числа пользователей, работающих с одним ПК.

Постоянное запоминающее устройство (рис. 2.27)

BIOS (базовая система ввода/вывода) – часть аппаратно – программного обеспечения микрокомпьютеров, поддерживающая управление адаптерами внешних устройств, тестирование и начальную загрузку компьютера.

BIOS можно рассматривать и как составную часть аппаратных средств, и как один из программных модулей ОС. BIOS встроена в ПК и содержит программы управления клавиатурой, видеокартой, дисками, портами и другими устройствами до загрузки какой – либо ОС. BIOS является связующим звеном между конкретной аппаратурой ПК и стандартными требованиями ОС.

Система BIOS в современных компьютерах реализована в виде микросхемы ПЗУ (ROM) (рис. 2.27). Для хранения ROM BIOS в материнских платах процессоров применяются электрически перепрограммируемые запоминающие устройства. Многие современные материнские платы комплектуются двумя микросхемами BIOS, что позволяет хранить в них различные настройки и повышает надежность системы. Наиболее известными производителями BIOS являются фирмы American Megatrends Inc. (AMI), AWARD Software, Phoenix Technologies и др.

Оперативная память (рис. 2.28)

Оперативная память (RAM – Random Access Memory) определяет допустимый объем и скорость одновременно выполняемых процедур (основные производители: Micron, Motorola, Texas Instruments). Основные параметры: тип памяти, время доступа (10 – 60 нс), объем в мегабайтах (256 Мбайт и выше).

Оперативная память – совокупность специальных электронных ячеек, каждая из которых может хранить 8 – значную комбинацию из нулей и единиц – 1 байт (8 бит). Каждая такая ячейка имеет адрес (адрес байта) и содержимое (значение байта). Адрес нужен для обращения к содержимому ячейки, для записи и считывания информации. ОЗУ хранит информацию только во время работы компьютера. При выполнении микропроцессором вычислительных операций должен быть в любой момент обеспечен доступ к любой ячейке оперативной памяти. Оперативная память выполнена обычно на микросхемах динамического типа с произвольной выборкой (Dynamic Random Access Memory, DRAM). Каждый бит такой памяти представляется в виде наличия (или отсутствия) заряда на конденсаторе, образованном в структуре полупроводникового кристалла. Более дорогой тип памяти – статический (Static RAM, SRAM), в качестве элементарной ячейки которой используется статический триггер, обладающий более высоким быстродействием.

Видеоадаптер (рис. 2.29)

Видеоадаптер (видеокарта SVGA Card – Super Video Graphics Array Card) предназначен для хранения видеоинформации и ее отображения на экране монитора. От видеоадаптера зависят: скорость обработки информации, четкость изображения, размеры и цветность рабочего поля экрана (основные производители: Matrox, ATI, Cirrus Logic, Diamond, S3). Основные параметры: тип и объем видеопамяти в мегабайтах (влияет, в первую очередь, на цветность изображения).

Основными узлами современного видеоадаптера являются собственно видеоконтроллер (как правило, заказная БИС – ASIC), видео BIOS, видеопамять, специальный цифроаналоговый преобразователь RAMDAC (Random Access Memory Digital to Analog Converter), кварцевый генератор (один или несколько) и микросхемы интерфейса с системной шиной (ISA, VLB, PCI, AGP или другой). Важным элементом видеоадаптера является собственная память.

Все современные видеоадаптеры могут работать в одном из двух основных видеорежимов: текстовом или графическом. В текстовом режиме экран монитора разбивается на отдельные символьные позиции, в каждой из которых одновременно может выводиться только один символ. Для преобразования кодов символов, хранимых в памяти адаптера, в точечные изображения на экране служит знакогенератор, который обычно представляет собой ПЗУ, где хранятся изображения символов, «разложенные» по строкам. При получении кода символа знакогенератор формирует на своем выходе соответствующий двоичный код, который затем преобразуется в видеосигнал. Текстовый режим в современных ОС используется только на этапе начальной загрузки.

В графическом режиме для каждой точки изображения, называемой пикселом, отводится от одного (монохромный режим) до 32 бит (цветной). Графический режим часто называют режимом с адресацией всех точек (All Points Addresable), поскольку только в этом случае имеется доступ к каждой точке изображения. Максимальное разрешение и количество воспроизводимых цветов конкретного видеоадаптера в первую очередь зависят от общего объема видеопамяти и количества бит, приходящихся на один элемент изображения.

Накопитель на жестких магнитных дисках (рис. 2.30)

Накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД, винчестер) – устройство для постоянного хранения информации, используемой при работе с компьютером. Свое название «жесткий» получил в отличие от носителей информации на гибких магнитных лентах и дисках.

Габаритные размеры винчестеров характеризуются форм – фактором, который указывает горизонтальный и вертикальный размеры винчестера. Горизонтальный размер жесткого диска может быть определен одним из следующих значений: 1,8; 2,5; 3,5 или 5,25 дюйма. Вертикальный размер характеризуется, как Full Height (FH), Half – Height (HH), Third – Height (или Low – Profile, LP). Винчестеры «полной» высоты имеют вертикальный размер более 3,25 дюйма (82,5 мм), «половинной» – 1,63 дюйма, а «низкопрофильные» – око­ло 1 дюйма.

Как правило, жесткий диск несъемный, но существуют модели съемных (removable) винчестеров. Жесткий диск смонтирован на оси – шпинделе, который приводится в движение специальным двигателем. Он содержит от одного до десяти дисков (platters). Скорость вращения двигателя для обычных моделей может составлять 5400; 7200; 10000; 12000 об./мин.

Винчестер имеет головки чтения и записи (read – write head). Они находятся на специальном позиционере. Для перемещения позиционера используются преимущественно линейные двигатели. В винчестерах применяются несколько типов головок: монолитные, композитные, тонкопленочные, магниторезистивные (MR, Magneto – Resistive), а также головки с усиленным магниторезистивным эффектом (GMR, Giant Magneto – Resistive).

Магниторезистивная головка, разработанная IBM в начале 1990 – ых г.г., представляет собой комбинацию из двух головок: тонкопленочной для записи и магниторезистивной для чтения. Подобные головки позволяют почти в полтора раза увеличить плотность записи. Еще больше позволяют повысить плотность записи GMR – головки. Головки не касаются поверхностей дисков, а перемещаются над ними на расстоянии долей микрона.

Внутри винчестера находится электронная плата, которая расшифровывает команды контроллера жесткого диска, стабилизирует скорость вращения двигателя, генерирует сигналы для головок записи и усиливает их от головок чтения. В большинстве современных ПК применяются жесткие диски емкостью от 80 Гигабайт и выше.

Одной из основных характеристик жесткого диска является среднее время, в течение которого винчестер находит нужную информацию. Этот параметр обычно представляет собой сумму времени, необходимого для позиционирования головок на нужную дорожку, и времени ожидания требуемого сектора. Современные винчестеры обеспечивают доступ к информации за 8 – 10 мс.

Другой характеристикой винчестера является скорость чтения и записи. Она зависит не только от самого диска, но и от его контроллера, типа шины, быстродействия процессора. У стандартных современных жестких дисков эта скорость составляет (15 – 17) Мбайт/cек.

Приводы CD / DVD – ROM, CDRW / DVD+RW (рис. 2.31)

В настоящее время массовому пользователю стали доступны приводы CD – ROM с возможностью записи (CD – R) и перезаписи (CD – RW) информации. Благодаря невысокой цене привода и чистых носителей для однократной записи эти устройства стали широко применяться для архивирования данных, резервного копирования, хранения больших объемов информации и т. п. Привод CD – R позволяет также создать (или скопировать) аудиодиск, который можно будет воспроизводить на любой бытовой аудиоаппаратуре.

Для однократной записи применяют диски, называемые «золотыми» по цвету наиболее распространенного покрытия. Под покрытием находится отражающая поверхность, сделанная из тончайшей золотой пленки. При записи луч лазера (как и при чтении, но с большей в 10 раз мощностью) «прожигает» эту пленку, так что прозрачность слоя изменяется, формируя последовательность нулей и единиц. Однажды записанный диск уже невозможно перезаписать. Золото в качестве подложки применяется потому, что оно имеет максимальную отражательную способность, а ослабление отраженного сигнала недопустимо.

CD с однократной записью обладают очень высокой надежностью. Срок хранения чистого диска до записи составляет от 5 до 10 лет, а записанный диск может храниться, по разным оценкам, от 70 до 200 лет. Стандартный объем диска составляет 74 минуты (при записи аудиоданных) или 650 Мбайт. Существуют диски диаметром 120 мм и емкостью 63 и 74 минуты, с диаметром 80 мм и емкостью 18 и 21 минута.

Технология перезаписываемых компакт – дисков CD – RW позволяет не только записывать, но и стирать информацию. Выглядят носители CD – RW подобно CD – R, но их покрытие обычно имеет темно – серый цвет. Диски CD – RW могут считываться только на новых (как правило, не хуже 16 – скоростных) устройствах CD – ROM.

Также довольно широко распространены устройства считывания DVD дисков. DVD диск способен хранить в несколько раз большую информацию по сравнению с обычными CD. Это дает возможность хранения качественного видео – потока, а также пяти или семи каналов звука CD качества. Приводы DVD читают, как DVD, так и CD диски. Аналогично для записи DVD дисков существуют специальные приводы: DVDRAM и DVD+RW.

Дата добавления: 2014-12-27