Технические средства информатики: структура персонального компьютера.
Рассмотрим состав и назначение основных блоков ПК (рис.1).
Рис. 1.Структурная схема персонального компьютера
В целом аппаратная реализация любого компьютера представляет из себя три основных блока: устройства ввода, устройства вывода, системный блок.
Устройства ввода-вывода подключаются к так называемому системному блоку, а точнее к разъемам на материнской плате. Материнская плата - основное устройство компьютера, расположенное внутри системного блока. На материнской плате реализована магистраль - устройство, осуществляющее передачу данных между всем остальным оборудованием. Помимо материнской платы внутри системного блока размещаются память, процессор, сетевые, звуковые и видеокарты, жесткие диски, СD/DVD приводы. Ну и, конечно же, блок питания.
Рассмотрим представленные на схеме (рис.1) структурные элементы ПК.
1. Микропроцессор.
Микросхема, реализующая функции центрального процессора ПК называется микропроцессором (МП).
Микропроцессор выполнен в виде сверхбольшой интегральной схемы (миллионы электронных компонентов, размещенных на маленькой кремниевой пластине).
Рассмотрим внутреннюю организацию микропроцессора.
Устройство управления вырабатывает необходимые управляющие сигналы для внутренней работы микропроцессора и связи его с другой аппаратурой через внешние шины микропроцессора, а также формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией и передает эти адреса в соответствующие блоки процессора.
Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические операции над данными.
Регистры используются для временного хранения выполняемой команды, адресов памяти, обрабатываемых данных и другой внутренней информации микропроцессора.
Кэш-память (двухуровневая) – сверхоперативная память небольшого объема, которая используется при обмене данными между МП и оперативной памятью для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Это буферная, не доступная для пользователя память.
Интерфейсная система реализует сопряжение и связь с другими устройствами.
Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов. Частота генерируемых импульсов(промежуток времени между соседними импульсами)определяет тактовую частоту машины.
Перечислим основные функции микропроцессора:
· выборка команд из оперативной памяти и декодирование команд (т.е. определение назначения команды, способа ее исполнения и адресов операндов);
· выполнение операций, закодированных в командах;
· управление пересылкой информации между своими внутренними регистрами, оперативной памятью и внешними устройствами;
· обработка внутрипроцессорных и программных прерываний;
· обработка и реализация прерываний и сигналов от внешних устройств;
· управление различными устройствами, входящими в состав ПК.
Основные характеристики микропроцессора:
· Разрядность - это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации. Чем больше разрядность, тем больше и производительность ПК.
В целом понятие разрядность ЭВМ включает разрядность внутренних регистров микропроцессора, разрядность шины данных и шины адреса. Все эти разрядности могут не совпадать. Как правило, под разрядностью компьютера понимают разрядность внутренних регистров микропроцессора. Все современные процессоры располагают 64-разрядной шиной данных.
· Быстродействие характеризует скорость работы компьютера и измеряется количеством операций, выполняемых микропроцессором в секунду.
· Тактовая частота микропроцессора (измеряется в мегагерцах).
2. Системная шина (магистраль).
Шины – это линии и микросхемы, осуществляющие передачу электрических сигналов определенного функционального значения между различными компонентами ПК.
Шины бывают трех типов: адресной, управляющей и данных.
Шина управления – шина, по которой передаются управляющие команды (коды) от устройства управления к отдельным устройствам (модулям). Например, запрос значения какой-либо ячейки в оперативной памяти.
Шина адреса – шина, по которой передаются адреса. Например, адрес ячейки в оперативной памяти.
Шина данных – шина, по которой передаются все остальные данные, не являющиеся командами управления либо адресами.
Основным параметром для шины является ее разрядность. Под разрядностью шины понимают количество битов информации, одновременно передаваемых по линиям шины (8, 16, 32, 64 – разрядные шины).
Совокупность всех шин ПК называется системной магистралью. Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.
Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:
1) между микропроцессором и основной памятью;
2) между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
3) между оперативной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств.
Все блоки ПК, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы подключаются к шине непосредственно или через контроллеры (адаптеры).
3. Память.
Как известно, процессор исполняет программу, котораясчитывается из памяти. Память состоит из ячеек, каждая из которых имеет номер – адрес. Эти адреса неизменны, их называют физическими адресами.
Ячейка состоит из разрядов – электронных устройств, которые могут иметь одно из двух возможных состояний, их обозначают «0» и «1». Все ячейки имеют одинаковый размер обычно кратный байту (8, 16, 32, 64 разряда). К любой ячейке памяти можно обратиться непосредственно по адресу.
Обязательным функциональным модулем любого компьютера является основная память, предназначенная для хранения выполняемых программ и данных, непосредственно используемых в этих программах.
3.1. Основная память включает:
· Оперативное запоминающее устройство (оперативная память, RAM Random Access Memory – память с произвольным доступом) предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации, необходимой для выполнения программы в текущий момент времени. ОЗУ является энергозависимым, т.е. при выключении питания компьютера вся информация, хранящаяся в нем, пропадает. Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). ОЗУ характеризуется прежде всего емкостью, т.е. наибольшим объемом данных, выраженным в единицах информации. Ёмкость ОЗУ выражают в настоящий момент уже в сотни гигабайт.
· Постоянное запоминающее устройство ( ROM Read Only Memory — память только для чтения) предназначено для хранения информация, которую никогда не потребуется изменить. ПЗУ энергонезависимо. Запись в ПЗУ осуществляется при помощи специальных устройств на заводе-изготовителе. Это прежде всего - конфигурация (список устройств и их параметры) компьютера и программа тестирования устройств перед загрузкой операционной системы. Помимо того, в постоянном запоминающем устройстве хранится один из структурных компонентов операционной системы - так называемая базовая система ввода/вывода (BIOS).
· Кэш-память (второго уровня) выполняет промежуточное хранение данных при обмене между ЦП и оперативной памятью. Она позволяет повысить скорость информационного обмена в целом. Если ОЗУ компьютера называется динамической памятью, то кэш-память носит название статической памяти. В отличие от динамической памяти, статическая памятьработает быстрее и занимает значительно меньше места, но стоимость ее дороже.
3.2. Внешняя память.
Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) обеспечивают долговременное хранение программ и данных. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера.
1.) НЖМД (HDD). Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, но наиболее распространенным, имеющимся практически на любом компьютере, являются накопители на жестких (НЖМД - винчестеры) магнитных дисках.
Назначение накопителей - хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в ОЗУ.
Носителем информации на магнитных дисках является ферромагнитное покрытие. Информация на эти диски записывается и считывается магнитными головками.
Винчестер сделан из сплава на основе алюминия и покрыт магнитным слоем. В этих накопителях пакет магнитных дисков (пластины, нанизанные на одну ось) заключен в герметичный кожух, из которого откачан воздух. Благодаря этому возможна более высокая плотность записи и емкость современных винчестеров достигает уже сотен ГБ. При записи и чтении информации дисковые пластины вращаютсявокруг своей оси (до 10000 об/мин), а механизм управления подводит магнитную головку к дорожке, выбранной для записи или чтения информации.
Логическая структура диска такова. Каждый диск делиться на сектора и дорожки. Дорожки (или треки) представляют собой концентрические окружности, вдоль которых размещается информация. Дорожки разделены на сектора. Кластер – объединение последовательно расположенных секторов. Дорожки с одинаковыми номерами с двух сторон и всех поверхностей пластин диска объединяются в цилиндры. Процедура разметки нового диска - нанесение секторов и дорожек - называется форматированием.
2.) Наиболее популярная и доступная “ Flash-память ” (ёмкость уже до 16 Гб.).
3.) В качестве устройств внешней памяти используются запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте ( на рис. 1 – НМЛ ) ( стример ) емкостью до 100 Гб ., а также накопители на оптических дисках (на рис. 1 – НОД). Стример удобен, например, для долговременного хранения особо ценных системных и личных программ и данных.
Существует несколько разновидностей оптических дисков:
· предназначенных для устройств, допускающие только чтение информации (CD-ROM - Compact Disk - Read Only Memory - компакт-диск с памятью, только читаемой);
· для устройств, допускающих хотя бы однократную запись информации (CD-R (Rewritable)) на рабочем месте пользователя;
· для устройств, позволяющих, подобно накопителям на магнитных дисках, многократную перезапись информации (CD-RW). В стираемых дисках CD-E (Erasable) допускается несколько повторных записей;
· компакт-диски (DVD-ROM, DVD-R, DVD-RAM), созданные по DVD-технологии (Digital Versatile Disk).
Запись информации на CD и DVD производится специальным устройством при помощи лазерного луча (прожигание). Стандартная емкость CD носителей составляет 700 Мбайт, a DVD4,7 Гб.
4. Периферийные устройства.
Периферийные устройства (внешние устройства) – это любое устройство, соединенное с ПК (устройства ввода-вывода, устройства внешней памяти, рассмотренные выше и вспомогательные устройства).
Любое периферийное устройство (ПУ) состоит из следующих компонентов:
§ программ-драйверов;
§ внешних устройств (дисководы, дисплеи, модемы, принтеры и т.д.);
§ контроллеров устройств.
Драйверы предназначены для управления устройствами, могут быть интегрированы в BIOS, ОС или поставляться на отдельных носителях.
Для того, чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера, они должны иметь одинаковый интерфейс. (Интерфейс — это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой).
Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты примерно по такой схеме:
Рис. 2. Схема подключение ПУ к шине.
Контроллеры (адаптеры) предназначены для согласования электрических сигналов, передаваемых между компьютером и периферийными устройствами.
Контроллеры размещаются в пределах самого устройства, в виде отдельной микросхемы на материнской плате или в виде отдельной платы в слоте расширения системы.
Порт предназначен для электрического подключения ПУ к ПК.
Стандартными компонентами ПК являются последовательный (COM, USB) и параллельный (LPT) порты. Последовательный порт используется для подключения модема, мыши и всевозможных коммуникационных устройств. К параллельному порту можно подключить принтер, накопитель на сменных магнитных дисках, сканер, плоттер. Клавиатура и монитор подключаются к своим специализированным портам, которые представляют собой просто разъёмы. Единица измерения скорости передачи данных через последовательный порт - бит/c., а через параллельный - байт/с.
По назначению можно выделить следующие виды ВУ:
· внешние запоминающие устройства или внешняя память (о них говорилось выше);
· устройства ввода информации;
· устройства вывода информации;
· диалоговые средства пользователя;
· средства связи и телекоммуникации.
4.1. К устройствам ввода информации относятся:
· клавиатура -устройство для ввода в ПК кодов символов и клавиатурных команд;
· манипулятор ы или указательные устройства ( джойстик, мышь, трекбол (шар в оправе), световое перо и др. ) предназначены для выполнения действий с объектами, выводимыми на экран монитора(путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК);
· сенсорные экраны -для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея(с дополнительным прозрачным экраном) в ПК;
· сканеры -для автоматического считывания с бумаги и ввода в ПК текстов и графической информации (графиков, рисунков, чертежей).
Сканеры различаются по типу вводимых изображений – цветные и черно-белые, и по конструкции – ручные, планшетные, роликовые и проекционные.
Несколько слов о вводе текстов с помощью сканера. Всякую информацию сканер воспринимает как графическую. Если это текст, то чтобы компьютер осознал его в таком качестве и позволил далее обрабатывать как текст (например, программами типа «редактор текстов»), нужна специальная программа распознавания, позволяющая выделить в считанном изображении отдельные символы и сопоставить им соответствующие коды символов. Это - достаточно сложная задача, но она успешно решена. В устройстве кодирования сканера в текстовом режиме считанные символы после сравнения с эталонными контурами специальными программами преобразуются в коды ASCII, а в графическом режиме считанные графики и чертежи преобразуются в последовательности двухмерных координат.
4.2. К устройствам вывода информации относятся:
· принтеры -печатающие устройства для регистрации информации на бумажный носитель.
· графопостроители (плоттеры) -для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумагу.
4.3. Видеосистема ПК.
