Структурная схема ПК представлена на рис. 2.2.
Микропроцессор (МП) является основным элементом ПК и предназначен для управления работой всего ПК, а также для выполнения арифметических и логических операций. В настоящее время наиболее распространенными моделями являются микропроцессоры Pentium, Celeron фирмы Intel и Athlon фирмы AMD. В состав микропроцессора входят:
· арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор);
· регистры общего назначения (РОН) – это быстродействующие ячейки памяти, используемые в основном как различные счетчики и указатели на адресное пространство ПК. В современных микропроцессорах имеется шестнадцать 64 –х битных регистров общего назначения. Обращение к регистрам позволяет значительно увеличить быстродействие выполняемой программы;
· кэш-память – блок высокоскоростной памяти, в которую копируются данные, извлеченные из оперативной памяти. Такое сохранение основных команд позволяет повысить производительность процессора. Современные микропроцессоры имеют кэш-память первого (L1) и второго (L2) уровней. Кэш-память первого уровня (L1), как правило, имеет объем 128 Кбайт, емкость кэш- памяти второго уровня достигает 1 Мбайта;
· устройство управления (УУ) формирует и подает во все элементы ПК в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций;
схемы управления шиной реализуют сопряжение и связь с другими устройствами ПК через системную шину 
Системная шина обеспечивает сопряжение и связь всех устройств ПК между собой. Системная шина обеспечивает передачу информации между всеми устройствами системного блока. Современные системные шины имеют разрядность 64 бита и тактовую частоту до 800 МГц.
Генератор тактовых импульсов (ГТИ) генерирует последовательность электрических импульсов. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик ПК и во многом определяет скорость его работы, так как каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов. Современные ПК имеют тактовую частоту до 3,6 ГГц.
Внутренняя память предназначена для хранения и обмена информацией. Внутренняя память содержит два вида запоминающих устройств:
· постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, в английской литературе ROM – read only memory) – служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (изменить информацию в ПЗУ нельзя!). В ПЗУ хранятся программы самотестирования ПК при включении питания, программы начальной загрузки операционной системы, программы установки конфигурации системы и некоторые другие. Наряду с постоянной памятью используется энергонезависимая полупостоянная память (ППЗУ, CMOS), хранящая параметры конфигурации компьютера, она может быть изменена.
· оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, RAM – random access memory) – предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка ОЗУ следует отменить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость). Современные ПК имеет ОЗУ объемом 128 или 256 Мбайт.
Видеоадаптеры (видеокарты) предназначены для подключения монитора к компьютеру. Физически они осуществляют формирование сигнала для отображения на дисплее данных и синхронизирующими сигналами -горизонтальной и (строчной) и вертикальной (кадровой) развертки. В настоящее время широко используется стандарт SVGA (Super Video Graphics Array). Видеоустройства, поддерживающий стандарт SVGA, способны отображать до 16,8 миллионов цветов и обеспечивают максимально качественное изображение, приближенное к натуральному цвету.
Контроллеры НЖМД, НГМД и НОД представляют собой специализированные устройства, обеспечивающие подключение и функционирование накопителя на жестких магнитных диска (НЖМД -«винчестер»), накопителя на гибких магнитных дисках (НГМД- дискета) и накопителя на оптических дисках (CD-диск) соответственно.
Сетевой адаптер (сетевая плата)является устройством для подключения ПК к локальной компьютерной сети. Наиболее распространенными в настоящее время являются сетевые адаптеры, функционирующие на основе технологии Ethernet и Fast Ethernet и обеспечивающие скорости передачи данных 10 и 100 Мбит/с соответственно.
Порты (интерфейсы) представляют собой совокупность программных и аппаратных средств для подключения внешних устройств. Конструктивно порты на системном блоке представляют собой стандартные разъемы. Параллельные порты (LPT) позволяет передавать за один такт целый байт информации и применяется для быстрой связи на небольших расстояниях. Последовательные порты (COM) за один такт передают один бит и, в общем случае, работает медленнее, но позволяет передавать данные на большие расстояния. Следует, однако, отметить, что современные последовательные порты типа USB и IEEE1394 превосходят по скорости параллельные, и поэтому вытесняют последние. Специальные порты служат для подключения клавиатуры, микрофона и динамиков (для управления последними используется з вуковая карта – мультимедийное устройство, позволяющее воспроизводить музыку и внятную человеческую речь). Игровой порт служит для подключения специального механического устройства джойстика, используемого в компьютерных играх.
Слоты расширения представляют собой пустые разъемы на системной плате, куда могут вставляться дополнительные внутренние устройства.
Внешние устройства ПК
Внешние устройства ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой пользователями, объектами управления и другими ЭВМ. Внешние устройства весьма разнообразны и могут быть классифицированы по ряду признаков. В частности по назначению можно выделить следующие виды внешних устройств:
· внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК;
· диалоговые средства пользователя;
· устройства ввода информации;
· устройства вывода информации;
· средства связи и телекоммуникации.
Некоторые внешние устройства (монитор, принтер, клавиатура, мышь) были кратко описаны в раздел 2.4.2 и являются типовыми внешними устройствами. Следует также отметить, что номенклатура внешних устройств все время меняется, и это связано с постоянными попытками упростить процесс общения человека с машиной.
Среди наиболее распространенных в настоящее время внешних устройств ПК отметим сканер, модем, плоттер и стример.
Сканер предназначен для считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей. Сканеры можно классифицировать по ряду признаков: по способу использования (ручные, планшетные, пакетной обработки); по скорости обработки (количество листов в минуту); методу сканирования (однопроходный, двухпроходный), по разрешающей способности (величина dpi- количество точек на дюйм) т.д. Сканеры, как правило, позволяют представлять информацию как в текстовом режиме с распознаванием символов, так и в графическом виде. Наиболее распространенными на рынке являются сканеры фирм XEROX, RICOH.
Модем служит для подключения ПК к глобальной компьютерной сети Интернет по телефонным линиям связи. Модемы преобразуют цифровой сигнал в аналоговый с помощью методов аналоговой модуляции. В зависимости от режимов работы различные модемы обеспечивают различные скорости передачи данных: от 1,2 Кбит/с до 56,0 Кбит/с. Наиболее популярными модемами для ПК в настоящее время являются модемы фирм 3Com и ZyXEL.
Плоттер (графопостроитель) предназначен для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) на бумажный носитель. Плоттеры бывают векторные с вычерчиванием изображения с помощью пера, фломастера или карандаша и растровые: термографические, электростатические, струйные и лазерные. Конструктивно плоттеры подразделяются на планшетные и барабанные. Основные характеристиками плоттеров являются: скорость вычерчивания (100-1000 мм/с); возможность цветного изображения и передача полутонов; разрешающая способность и четкость изображения. Лидерами на рынке плоттеров являются фирмы Hewlett Packard и Canon.
Стример (накопитель на магнитной ленте) – это устройство, которое применяется для операций резервного копирования и архивирования данных винчестера на магнитную ленту. Такое копирование происходит, как правило, в экстремальных ситуациях, когда необходимо очень быстро сохранить важную информацию с НЖМД. Все файлы, размещенные на сменной кассете, будут сохраняться без каких-либо потерь независимо от того, включен компьютер или нет. В качестве носителей информации применяются сменные кассеты различного размера с магнитной лентой. Ёмкость таких кассет составляет от 40 Мбайт до 13 Гбайт, скорость передачи данных — от 2 до 9 Мбайт в минуту, длина ленты – от 63,5 до 230 м, количество дорожек – от 20 до 144. Основными производителями стримеров являются фирмы IBM, HPQ, Dell и Tandberg.
Иерархия памяти ПК
Память ПК – это совокупность отдельных устройств, которые запоминают, хранят и выдают информацию. Отдельные устройства памяти называются запоминающими устройствами (ЗУ). Производительность ПК во многом зависит от состава и характеристик запоминающих устройств, которые в свою очередь различаются принципом действия и назначением. Основными операциями с памятью являются процедуры записи и считывания (выборки). Общее название указанных процедур носит название обращение к памяти. Основные характеристики памяти – это емкость и быстродействие (время обращение к памяти).
Емкость ЗУ измеряется в Байтах (1Байт = 8 Бит), Килобайтах (1 Кбайт= 210 Байт), Мегабайтах (1Мбайт= 210 Кбайт), Гигабайта (1Гбайт= 210 Мбайт), Терабайтах (1Тбайт= 210 Гбайт).
Быстродействие измеряется в секундах и в настоящее время находится в пределах от 10 –2 до 10 –9 секунд в зависимости от способа доступа к информации.
По способу доступа к хранящейся в них информации ЗУ делятся на: ЗУ с произвольным, прямым и последовательным доступом.
В ЗУ с произвольным доступом время обращения не зависит от места нахождения данных. Такой доступ реализован в регистрах общего назначения, КЭШ-памяти и внутренней памяти ПК.
Носитель информации в ЗУ с прямым доступом непрерывно вращается, в результате данные доступны через некоторый фиксированный промежуток времени. К ЗУ с прямым доступом относятся НЖМД, НМГД, НОД.
ЗУ с последовательным доступом, прежде чем найти необходимые данные, «просматривает» все предыдущие участки памяти. Последовательный доступ реализована в ЗУ, использующих магнитную ленту, например, в стримерах.
Следует отметить, что требования, предъявляемые к емкости и быстродействию ЗУ, являются взаимно противоречивыми с точки зрения технической реализации. Поэтому для эффективного функционирования в ПК память строится по иерархическому принципу, где на разных уровнях иерархии находятся ЗУ, обладающие различными характеристиками. Иерархическая структура памяти ПК представлена на рис. 2.3.
При движении от 1-го до 3-го уровня иерархии быстродействие ЗУ уменьшается, а емкость увеличивается.
Иерархическая организация памяти позволяет повысить производительность ПК и предоставить пользователю практически неограниченную емкость памяти.
Назначение и основные характеристики ЗУ 1-го уровня были описаны в пункте 2.4.3. Рассмотрим 2-й и 3-й уровень иерархии памяти ПК.
НЖМД (HDD – hard disk drive) в обиходе называют "винчестером". В отличие от оперативной памяти, НЖМД гарантируют долговременное хранение информации, для чего не требуется постоянное питание компьютера от внешнего источника электроэнергии. Для записи данных в жестких дисках используется магнитный слой, который покрывает пластины (диски), вращающиеся внутри винчестера с огромными скоростями. Вдоль пластин перемещаются головки чтения/записи. Основными характеристика современных НЖМД являются: емкость (до 100 Гбайт); количество пластин (до 10 штук); среднее время поиска информации (меньше 20 мс); скорость вращения пластин (до 15000 об/мин); вес (меньше 100 г). Основными производителями НЖМД являются фирмы IBM, Seegate, Toshiba, Fujitsu, Samsung.
НГМД (FDD – floppy disk drive) представляет собой устройство чтения/записи сменных гибких дисков (флоппи-дисков, дискет). Флоппи-диски размером 3,5'' (89 мм) используются только для переноса относительно небольших (1,44 Mбайт) объемов информации между компьютерами. Данные на гибких дисках хранятся подобно данным на винчестере за тем лишь исключением, что диск во флоппи-дисководе вращается с много меньшей скоростью и он всего один. Из-за недостаточной герметизации дискеты чаще всего выходят из строя. Таким образом, как носитель информации флоппи-диск крайне ненадежен и в настоящее время применяется все реже.
НОД являются в настоящее время самыми надежными и широко распространенными ЗУ внешней памяти. Считывание информации с оптического диска происходит за счёт регистрации изменений интенсивности отраженного от алюминиевого слоя излучения маломощного лазера. НОД подразделяются на: CD- ROM (Compact Disc Read Only Memory) – компакт- диск только для чтения; CD-R (Compact Disc Recordable) – однократно записываемый компакт- диск; CD-RW (Compact Disc Rewritable)– перезаписываемый компакт-диск; DVD (Digital Versatile Disk) – универсальный цифровой диск.
Стандартный оптический диск CD имеет емкость порядка 650–800 Мбайт, емкость DVD диск достигает от 4,7 до 17 Гбайт.
Архивная память ПК предназначена для длительного и надежного хранения программ и данных. Как видно из рисунка 2.3 хранить информацию можно на дискетах, оптических дисках, съемных НЖМД, магнитной ленте и флэш-памяти. Поскольку трое первых носителей информации описаны выше, а съемный НЖМД принципиально не отличается от обычного НЖМД, отметим основные свойства флэш-памяти.
Флэш-память представляет собой особый вид энергонезависимой перезаписываемой полупроводниковой памяти. Это означает, что она не требует дополнительной энергии для хранения данных (энергия требуется только для записи), допускает изменение (перезапись) хранимых в ней данных и не содержит механически движущихся частей (как обычные НЖМД или НОД) и построена на основе интегральных микросхем.
Информация, записанная на флэш-память, может храниться очень длительное время (несколько десятков лет) и способна выдерживать значительные механические нагрузки (в 5-10 раз превышающие предельно допустимые для обычных НЖМД).
Размер носителя флэш-памяти составляет от 20 до 40 мм в длину, в ширину и толщина до 3 мм, емкость достигает 1Гбайт, в зависимости от типа флэш-памяти возможна перезапись информации от 10 тысяч до 1млн раз.
Благодаря низкому энергопотреблению, компактности, долговечности и относительно высокому быстродействию, флэш-память идеально подходит для использования в качестве накопителя не только в ПК, но и в таких портативных устройствах, как цифровые фото- и видео-камеры, мобильные телефоны, портативные компьютеры, MP3-плейеры, цифровые диктофоны, и т.п. В ближайшие годы флэш-память будет самым применяемым компактным накопителем информации, постепенно вытесняя привычные дискеты.
Конфигурация ПК
Конфигурацией ПК называются состав и характеристики устройств, входящих в данный компьютер. Конфигурация подбирается в зависимости от задач, которые необходимо решать ПК.
Конфигурация ПК может быть задана следующим образом:
Intel Celeron 2000, Intel Audio & Video (16-32 Mb), RAM DIMM DDR SDRAM 256 Mb, FDD 3.5 “ 1,44 Mb, HDD Seagate 80 GB 7200, Net 10/100 (не интегрированная), СD-ROM, ATX 300W, PS/2, mouse PS/2 + scroll, Samsung 17|| (1024x768x85 Гц), HP LaserJet 1150, Epson Perfection 3200 Photo (A4, 3200x6400 dpi, USB), USB flash 512 Mb.
В приведенной выше конфигурации можно выделить:
- микропроцессор Intel Celeron с тактовой частотой 2ГГц;
- универсальную аудио/видео карту Intel Audio & Video с памятью 16-32 Mбайта);
- ОЗУ RAM DIMM DDR SDRAM емкостью 256 Мбайт;
- НМГД для дискет 1,44 Мбайта;
- НЖМД фирмы Seagate с емкостью 80 Гбайт и скоростью вращения 7200 об/мин;
- сетевую плату для Ethernet (10 Мбит/сек) и Fast Ethernet (100 Мбит/сек);
- НОД типа СD-ROM;
- корпус системного блока типа ATX 300W;
- клавиатуру с разъемом PS/2;
- мышь с прокруткой и разъемом PS/2;
- монитор Samsung с размером экрана 17 дюймов, разрешающей способностью 1024 на 768 точек и частотой восстановления 85 Гц;
- лазерный принтер HP LaserJet 1150;
- сканер Epson Perfection 3200 Photo, для формата А4, с разрешающей способностью 3200x6400 dpi, и подключаемый к последовательному USB- порту;
- флэш-память емкостью 512 Мбайт, подключаемая к последовательному USB-порту.
Модульность, масштабируемость и стандартизуемость отдельных блоков современных ПК позволяет быстро и гибко менять его конфигурацию
