Аппаратная реализация ПК 1 страница

Совокупность материальных компонент компьютера, в которых реализуются различные информационные процессы, называется аппаратным обеспечением, или оборудованием персонального компьютера (ПК).

Современный персональный компьютер состоит из нескольких основных элементов:

– системного блока, который включает в себя средства для выполнения команд и обработки данных, накопители для хранения программ и данных и устройства, управляющие другими блоками компьютера;

– монитора (дисплея), предназначенного для вывода визуальной информации;

– клавиатуры, позволяющей вводить в компьютер алфавитно-цифровую информацию и специальные символы;

– манипулятора-мыши, предназначенного для ввода информации в компьютер при помощи его передвижения по столу и нажатия имеющихся кнопок.

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты.

Системный блок, как правило, вмещает в себя следующие узлы:

– электронные схемы, управляющие работой ПК (микропроцессор, память, материнская плата, системная шина и др.);

– накопители на жестких и гибких магнитных дисках, на оптических дисках (CD-ROM);

– блок питания, преобразующий переменное напряжение сети в низкое постоянное напряжение, необходимое для работы электронных схем;

– система вентиляции, обеспечивающая необходимый температурный режим для микропроцессора (МП) и других электронных узлов ПК;

– дополнительные узлы: дисковод для компакт-дисков, звуковая карта, внутренний модем и др.

Типичный системный блок показан на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Системный блок (вид спереди)

Размещение внутри блока перечисленных узлов зависит от типа корпуса системного блока. Чаще всего используется высокий вертикальный корпус tower, что в переводе означает «башня». На передней панели системного блока имеются кнопки, например, Power (питание) и Reset (перезапуск), а также индикаторные лампочки Power(сигнализирует о включенном питании) иHDD(сигнализирует о работе жесткого диска). На ряде корпусов имеется кнопка Turbo и цифровой индикатор, указывающий тактовую частоту работы МП.

На задней стороне системного блока (рис. 7.3.) находится ряд разъемов, и каждый из них имеет строго определенноезначение. Два самых крупных разъема черного цвета (3 контакта) отвечают за подключение сетевого шнура, и шнура питания. Остальные разъемы относятся к определенным устройствам (звуковая карта, модем, видеокарта), или относятся к портам компьютера (LPT, COM, USB, PS/2), или подключается клавиатура. Каждый из разъемов различаются по количеству штырьков или по конструктивным особенностям.

Рис. 7.3. Системный блок (вид сзади)

Оборудование, которое расположено вне системного блока, относится к внешним устройствам ввода-вывода. Это оборудование также называют дополнительными или периферийными устройствами. Однако к периферийным можно отнести и некоторые устройства внутри самого системного блока. В первую очередь, это все типы накопителей.

Материнская (системная плата)

Основным узлом в системном блоке является материнская плата (motherboard, mainboard). На ней располагаются:

– процессор –– основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций;

– микропроцессорный комплект (чипсет) –– набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы;

– шины –– наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;

– оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) –– набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен;

– ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) –– микросхема, предназначенная для длительного хранения, в том числе и когда компьютер выключен;

– разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты).

Соединения элементов между собой осуществляются полосками фольги с обратной стороны платы (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Материнская плата Tomato

Процессор

Центральным устройством в компьютере является процессор (микропроцессор). Это самая большая по габаритам микросхема, которая размещена на материнской плате. В современных компьютерах над корпусом микропроцессора (МП) располагается небольшой вентилятор, обеспечивающий охлаждение компонентов этой микросхемы в процессе работы. К материнской плате МП подключается с помощью специальных разъемов. На корпусе МП обычно указывается тип процессора, например Pentium. По типу МП называется и сам компьютер (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Микропроцессор Pentium 4: вид сверху (слева) и

вид снизу (справа)

Микропроцессор выполняет две основные функции. Во-первых, он осуществляет вычисления согласно программе, хранящейся в оперативной памяти. Во-вторых, МП обеспечивает общее управление компьютером и вычислительными процессами. Соответственно, в МП имеются арифметико-логическое устройства (АЛУ) и устройство управления (УУ), известные по вычислительной машине фон Неймана.

Элементарные операции МП выполняет по тактам. Продолжительность одного такта работы МП задается тактовой частотой. Измеряется тактовая частота в мегагерцах (МГц). Один мегагерц отвечает 1 миллиону колебаний в секунду или в случае микропроцессора –– 1 миллиону операций в секунду.

Тактовая частота генерируется электронным устройством, называемым тактовым генератором. Чем выше тактовая частота, тем меньше длительность такта и тем выше быстродействие МП.

Микропроцессор изготавливается на полупроводниковом кристалле кремния в виде большой интегральной схемы. Микросхема процессора Intel 8088, применявшегося в первых ПК, содержала одних транзисторов 3,5 тысячи. Схемы современных процессоров Pentium вмещают уже свыше 3 миллионов транзисторов.

Помимо тактовой частоты, важнейшей характеристикой микропроцессора является его разрядность.

Разрядность –– это количество разрядов в двоичных числах (или количество бит), которые обрабатывает процессор за один такт.

Напомним, что процессор оперирует с двоичными числами, а двоичные числа представляются в виде последовательности 0 и 1, например, 1011 или 10011010. Каждая цифра в двоичном числе записывается в свой разряд. Всего в числе 1011 имеется четыре разряда, а в 10011010 –– восемь разрядов.

Двоичные числа, которые обрабатываются МП в течение одного такта и которыми МП обменивается с памятью, называются словами. Слово может составлять 1 байт или 2 байта. Микропроцессоры первых ПК являлись 8-разрядными, все современные модели МП уже 32-разрядные. В настоящее время существуют и 64-разрядные МП.

В компьютерах типа IBM PC используют МП фирмы Intel, а также совместимые с ними модели МП других фирм (AMD, Cyrix и др.). Приведем перечень МП фирмы Intel в порядке возрастания производительности: Intel 8088, 80286, 80386 (SX и DX), 80486 (SX, SX2, DX, DX2 и DX4), Pentium, Celeron, Pentium II, MMX, Pentium III, Pentium IV. Большинство выпускаемых сейчас процессоров для IBM PC-совместимых компьютеров основано на микропроцессорах Pentium, Celeron.

Системная шина

Связь и обмен информацией всех узлов компьютера организуется с помощью системной шины (магистрали) (рис. 7.6). Системная шина связывает, в первую очередь, МП со всеми узлами. Кроме того, через системную шину узлы связываются между собой. Магистраль включает в себя следующие три шины.

Шина управления служит для управления со стороны МП всеми системами и процессами, происходящими в компьютере.

Шина адреса (адресная шина) служит для взаимодействия МП с памятью, осуществляет выбор нужной ячейки памяти, а также портов ввода-вывода.

Шина данных служит для взаимодействия МП с устройствами ввода-вывода, передает информацию от МП к устройству либо, наоборот, от устройства к МП.

Рис. 7.6. Связь узлов компьютера через системную шину

Рассмотрим схему обмена информацией между МП и ОЗУ (рис. 7.7). Последовательность работы этой схемы очень проста. Процессор сигнализирует по шине управления в ОЗУ о том, что он собирается считать данные, расположенные по определенному адресу (то есть в определенной ячейке). ОЗУ в ответ сообщает, что эти данные доступны. Затем МП по адресной шине сообщает адрес нужных ячеек в памяти, а по шине данных считывает информацию из ячеек.

Шина управления

Шина адреса

Шина данных

Рис. 7.7. Схема обмена информацией между памятью и микропроцессором

Память

На материнской плате размещаются устройства памяти, которые предназначены для хранения информации. Напомним, что любая информация записывается в память компьютера в виде двоичных чисел 0 и 1. В таком виде представляются программы и различные данные: документы, картинки, звук и т.д.

Размещение информации в памяти называется записью, а получение информации из памяти –– чтением или считыванием.

При записи предыдущие данные, хранящиеся в ячейках памяти, стираются. Записанные данные будут храниться в ячейках до тех пор, пока поверх них в те же ячейки не будут записаны новые данные. Сам процесс записи или считывания занимает очень небольшой промежуток времени, меньший сотни наносекунд (1 наносекунда –– миллиардная доля секунды). То есть устройства оперативной памяти характеризуются высоким быстродействием. Быстродействие –– это очень важная характеристика памяти, от нее зависят скорость и производительность работы всего компьютера.

Другой важной характеристикой памяти является ее объем, или, другими словами, емкость. Эта величина измеряется в байтах. Микропроцессор за один такт своей работы обрабатывает слово, состоящее из 1 байта. Такими же порциями информации (кратными 1 байту) МП обменивается с памятью. Запоминающие устройства конструктивно построены так, что физическая ячейка памяти способна воспринять порцию информации в 1 байт. Этой емкости памяти достаточно для записи в нее символа, вводимого с клавиатуры.

Физически память выполнена в виде отдельных микросхем –– запоминающих устройств (ЗУ), подключаемых к материнской плате с помощью специальных разъемов. ЗУ подразделяются на постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и внешнее запоминающее устройство (ОЗУ).

Постоянная память

Постоянная память или постоянное запоминающее устройство, ПЗУ, располагается на материнской плате. В современной литературе распространено сокращение ROM (Read Only Memory, что в переводе обозначает память только для чтения). Информация в ПЗУ записывается обычно производителем компьютера и служит, например, для начальной загрузки компьютера после его включения, для управления экранным изображением и т.д.

В ПЗУ хранится программа POST. При включении компьютера должны выполняться одни и те же стандартные операции: тестирование, настройка необходимых параметров используемого в данном компьютере оборудования и загрузка операционной системы. Эти действия при включении питания всегда выполняет одна и та же, заранее определенная программа, которая в IBM-совместимых компьютерах носит название POST.

Помимо программы POST в ROM хранятся подпрограммы –– процедуры, обеспечивающие операционной системе и приложениям стандартизованный доступ к любому оборудованию персонального компьютера. Необходимость в такой стандартизации возникает потому, что требуется обеспечить для выполняемых программ одинаковый, не зависящий от фирмы-производителя доступ к оборудованию. Совокупность процедур и программы POST называется базовой системой ввода-вывода (Basic Input Output System, BIOS).

Сегодня в качестве ROM наиболее широко используется флэш-память –– Flash Memory. Эта память может хранить данные при выключенном питании более ста лет. Информация в такой памяти может стираться и перезаписываться без специальных приспособлений, прямо на материнской плате, что дает возможность в случае необходимости легко обновить версию BIOS.

Разновидность постоянного запоминающего устройства — CMOS RAM.

CMOS RAM — это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы.

Рис. 7.8. Интегральные схемы BIOS и CMOS

Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS.

Оперативная память

Оперативная память является важнейшей составляющей компьютера. Процессор не может работать без памяти. Любое приложение при запуске переписывается с диска в оперативную память и только после этого выполняется. После выключения компьютера данные в оперативной памяти не сохраняются.

Оперативная память располагается на материнской плате. Ее также называют ОЗУ, от слов Оперативное запоминающее устройство, или RAM от слов Random Access Memory, что означает «память с произвольным доступом», т.е. ячейки RAM доступны процессору в любом порядке. Оперативная память чаще всего конструктивно выполнена в виде отдельных модулей, которые устанавливаются в специальные разъемы материнской платы –– слоты, хотя и встречаются разновидности материнских плат, на которых микросхемы памяти уже установлены прямо на плату. Используются три разновидности таких модулей: SIMM, DIMM и RIMM. Модули представляют собой небольшие печатные платы, на которые установлены один или несколько чипов оперативной памяти. Устанавливая дополнительные модули памяти или заменяя их на более емкие, пользователь может увеличивать объем памяти.

Модули SIMM (Single In-line Memory Module) характеризуются однорядным положением микросхем (однорядные модули). Они обычно имеют 32-битную шину (36 бит с учетом контрольных разрядов) данных и должны устанавливаться парами одинаковой емкости. В противном случае компьютер может не запуститься. Для подключения SIMM требуется 72-х разрядный коннектор.

Модули DIMM (Dual In-line Memory Module) –– модули памяти, расположенные в две линии (двухрядные модули). Это небольшие платы с размещенными на них микросхемами памяти (рис. 7.9). С одной стороны платы расположены контактные площадки, которые вставляются в специальный разъем на материнской плате. Эти модули могут иметь объем от 16 до 128 Мбайт и выше и не требуют парной установки. Обычно имеют 64-битную шину данных 168-разрядный коннектор.

Рис. 7.9. Микросхемы памяти: а) RIMM; б) DIMM

a)     б)

В ближайшем будущем модули DIMM полностью вытеснят модули SIMM, так как в современных персональных компьютерах в качестве RAM устанавливается быстродействующая синхронная динамическая память с произвольным доступом (SDRAM, Synchronous Dynamic RAM). В настоящее время такая память выпускается только в виде модулей типа DIMM.

RIMM-модуль (Rambus In-Line Memory Module) –– новый высокоскоростной модуль оперативной памяти, разработанный компанией Rambus совместно с Intel. (см. рис. 7.9а). На материнской плате могут размещаться до трех RIMM-модулей.

Кэш-память

Для повышения производительности компьютера, имеющего быстродействующий процессор и медленную оперативную память, был разработан механизм доступа к RAM, использующий промежуточную быстродействующую кэш-память.

Кэш (англ. cache), или сверхоперативная память — очень быстрое ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью.

Внешняя память персонального компьютера

Для хранения информации (программ и данных) в IBM PC-совместимых компьютерах используют различного рода устройства, которые относят к внешней памяти ПК. При этом под внутренней памятью подразумевают, прежде всего, оперативную память (то есть ОЗУ). Внешняя память является, как правило, долговременной. Если в оперативной памяти данные хранятся не дольше времени работы программы, то во внешней памяти информация может храниться месяцами и годами. По этой причине устройства внешней памяти называют также накопителями. Еще одно отличие внешней памяти от оперативной памяти состоит в том, что она является энергозависимой, то есть при отключении питания данные, содержащиеся во внешней памяти, сохраняются.

Накопитель –– это устройство, состоящее из носителя информации и привода. Привод представляет собой совокупность механических и электронных компонент: корпуса, двигателя, считывающей головки, электронной схемы (контроллера) и др.

Устройства внешней памяти различаются, прежде всего, по типу носителя информации, например:

– жесткие магнитные диски (винчестеры);

– гибкие магнитные диски;

– оптические компакт-диски (CD-ROM);

– магнитные ленты.

Важными характеристиками устройств внешней памяти являются их емкость и время доступа к информации.

Накопители, в которых время доступа к информации зависит от ее местоположения на носителе, называются устройствами с последовательным доступом. Пример такого устройства –– магнитная лента.

Хранение информации на магнитных дисках

Магнитные диски своим названием обязаны наличию тонкого магнитного слоя на своей поверхности. Информация записывается в различные участки этого магнитного слоя. Запись производится по концентрическим окружностям –– дорожкам (трекам) (рис. 7.10). Все концентрические дорожки разбиваются на участки дуги, которые называются секторами. Сектор –– это наименьший физический участок поверхности диска, на который может быть произведена запись данных.

Рис. 7.10. Поверхность магнитного диска

Ёмкость сектора постоянна и составляет 512 байтов. Чем больше секторов и дорожек на диске, тем большее количество информации можно разместить. Большинство накопителей на магнитных дисках имеют более чем одну активную рабочую поверхность. Например, на гибких дисках магнитный слой может наноситься с двух сторон, а в винчестерах имеется не один диск, а целый набор дисков.

Новые магнитные диски, как правило, не имеют правильной разметки на дорожки и секторы. Такая разметка диска, которая называется форматированием, выполняется обычно пользователем. В процессе форматирования созданным дорожкам и секторам присваиваются номера, причем начало каждого сектора помечается специальным байтом –– байтом синхронизации. Если при форматировании на поверхности диска обнаруживаются дефектные места, то на них будет поставлена определенная электронная метка, и на них в дальнейшем информация записываться не будет.

Накопители на жестких магнитных дисках (винчестеры)

Рис. 7.11. Винчестер

Операционная система и все запускаемые приложения должны быть доступны процессору для их загрузки в оперативную память и последующего выполнения. При этом они должны сохраняться и после выключения компьютера. Наиболее подходящим для этого местом хранения являются носители на жестких магнитных дисках –– НЖМД, или винчестеры (рис. 7.11).

Винчестер (жесткий диск) имеет один или несколько плоских магнитных дисков, к которым подводятся головки чтения-записи. Эти головки находятся на специальном держателе –– позиционере, который напоминает рычаг звукоснимателя в проигрывателе грампластинок.

Диски винчестера укреплены на одной оси, которая вращается двигателем. Скорость вращения дисков очень высока и составляет от 60 до 120 об/с. Чем выше скорость вращения, тем больше может быть скорость чтения-записи информации. Благодаря высокой скорости вращения между дисками и головками создается поток воздуха, который приподнимает легкие головки, и они как бы «летят» над вращающимся диском.

Большая скорость вращения, множество головок и быстрое их позиционирование обеспечивает минимальное время доступа к информации, хранящейся на винчестере среди других современных устройств долговременного хранения данных. Это предопределяет их повсеместное применение в компьютерах в качестве долговременной памяти.

Винчестер имеет очень большую ёмкость: от 10 до 100 Гбайт и выше. У современных моделей скорость вращения шпинделя (вращающего вала) обычно составляет 7200 об/мин, среднее время поиска данных 9 мс, средняя скорость передачи данных до 60 Мбайт/с. Винчестер связан с процессором через контроллер жесткого диска.

В последнее время всё шире используются накопители на сменных дисках, которые позволяют не только увеличивать объём хранимой информации, но и переносить информацию между компьютерами. Объём сменных дисков — от сотен Мбайт до нескольких Гбайт.

На жестком диске ПК обычно размещается операционная система, которая загружается в память сразу после включения компьютера.

Диск, на котором расположена операционная система, называется системным, и ему присваивается имя, обозначаемое буквой С.

Каждый жесткий диск может для удобства быть разбит на несколько разделов. Выполняется разбиение с помощью специальной программы. Образовавшиеся разделы жесткого диска называются логическими дисками. Им присваиваются буквы: C, D, E, F, G… Логический диск с буквой С, при этом, по-прежнему остается системным.

Накопители на гибких магнитных дисках

Для хранения небольших объемов информации и переноса их с одного компьютера на другой используются гибкие магнитные диски (дискеты), которые вставляются в специальный накопитель –– дисковод. Приемное отверстие накопителя находится на лицевой панели системного блока. Правильное направление подачи гибкого диска отмечено стрелкой на его пластиковом кожухе.

Гибкие магнитные диски называются также флоппи-дисками (от английского слова floppy –– свободно висящий). Флоппи-диски были разработаны еще до появления ПК. Первые IBM PC уже оснащались приводами для таких дисков, имевшими диаметр 5,25 дюйма (133 мм). Емкость первых дисков была невелика, она составляла всего 160 Кбайт. Магнитный слой на них был нанесен только с одной стороны.

Сейчас используются в основном флоппи-диски диаметром 3,5 дюйма (89 мм) с двусторонним магнитным покрытием. Эти дискеты выпускаются, как правило, в исполнении HD-типа (High Density –– высокая плотность) и имеют емкость 1,44 Мбайта.

На пластмассовом корпусе трехдюймовых дискет имеется подвижная пластинка (металлическая или пластмассовая), которая закрывает окошко для считывания и записи. Когда дискета вставляется в дисковод, эта пластинка автоматически отодвигается. По обе стороны от этикетки расположены два отверстия. Одно отверстие –– простое, оно обозначает, что данная дискета HD-типа. Другое отверстие имеет маленькую пластмассовую задвижку. Когда эта задвижка закрыта (отверстия нет), на дискету можно производить запись. Если же задвижка открыта (имеется сквозное отверстие), то дискета защищена от записи, и с нее можно производить только считывание информации.

На обратной стороне дискеты находится вращающий кружок для фиксации в приводе. Очень важно правильно вставлять дискету в щель дисковода: защитной пластинкой вперед и вращающимся кружком фиксации диска вниз.

Рис. 7.12. Устройство дискеты

Дискета состоит из круглой полимерной подложки (рис. 7.12), покрытой с обеих сторон магнитным окислом и помещенной в пластиковую упаковку, на внутреннюю поверхность которой нанесено очищающее покрытие. В упаковке сделаны с двух сторон радиальные прорези, через которые головки считывания/записи накопителя получают доступ к диску.

Конструкция привода гибких дисков похожа на конструкцию винчестера: чтение-запись осуществляется с помощью головок, а в приводе диска имеется также два двигателя, обеспечивающих вращение диска и позиционирование головок. Однако скорость вращения гибкого диска на порядок меньше скорости вращения жесткого диска и составляет 5–6 об/с. Поэтому работа компьютера с дискетой происходит значительно медленнее, чем с жестким диском.

Гибкие диски считаются малонадежными носителями информации. Пыль, грязь, влага, температурные перепады и внешние электромагнитные поля очень часто становятся причиной частичной или полной утраты данных, хранившихся на гибком диске. Поэтому использовать гибкие диски в качестве основного средства хранения информации недопустимо. Их используют только для транспортировки информации или в качестве дополнительного (резервного) средства хранения.

Фирма Iomega выпустила накопитель Zip, который, возможно, станет основным накопителем на гибких дисках в ЭВМ следующего поколения. На сменных дисках накопителя Zip помещается 100 Мбайтов информации.

Аналогичную задачу решают флоптические диски. Они выглядят как обычные 3,5-дюймовые магнитные диски, но позволяют записывать до 120 Мбайтов информации. Во флоптических дисководах используется обычная магнитная запись, однако позиционирование головки осуществляется с помощью лазера.

Накопители на компакт-дисках

Рис. 7.13. Накопитель CD-ROM Рис. 7.14. CD-ROM

Большинство современных ПК оборудуются приводом CD-ROM для компакт-дисков (рис. 7.13). Сокращение CD-ROM образовано двумя буквенными обозначениями: CD –– Compakt-Disk (компакт-диск) и ROM –– Read Only Memory (память только для чтения). Компакт диски, для которых предназначены приводы CD-ROM, выполнены по лазерной технологии, поэтому их еще называют лазерными дисками (рис. 7.14). CD-ROM представляет собой прозрачный полимерный диск диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм, на одну сторону которого напылен светоотражающий слой алюминия, защищенный от повреждений слоем прозрачного лака. Толщина напыления составляет несколько десятитысячных долей миллиметра.

Информация на диске представляется в виде последовательности впадин (углублений в диске) и выступов (их уровень соответствует поверхности диска), расположенных на спиральной дорожке, выходящей из области вблизи оси диска. На каждом дюйме (2,54 см) по радиусу диска размещается 16 тысяч витков спиральной дорожки. Для сравнения — на поверхности жесткого диска на дюйме по радиусу помещается лишь несколько сотен дорожек. Емкость CD достигает 780 Мбайт. Информация наносится на диск при его изготовлении и не может быть изменена.

CD-ROM обладают высокой удельной информационной емкостью, что позволяет создавать на их основе справочные системы и учебные комплексы с большой иллюстративной базой. Один CD по информационной емкости равен почти 500 дискетам. Cчитывание информации с CD-ROM происходит с достаточно высокой скоростью, хотя и заметно меньшей, чем скорость работы накопителей на жестком диске. CD-ROM просты и удобны в работе, имеют низкую удельную стоимость хранения данных, практически не изнашиваются, не могут быть поражены вирусами, c них невозможно случайно стереть информацию.

Дата добавления: 2014-11-20