Лекция 2. Современные персональные компьютеры

 

Общие сведения.

Современные персональные компьютеры (PERSONAL COMPUTERS) представляют собой универсальные технические устройства индивидуального пользования, предназначенные для обработки информации.

Для нормального функционирования современных персональных компьютеров необходимо взаимодействие двух равноправных компонентов: аппаратного (HARDWARE) и программного (SOFTWARE) обеспечения (рис. 2.1.1).

 

Рис. 2.1.1. Структура современного персонального компьютера.

 

Аппаратное обеспечение (HARDWARE) – это набор технических средств (аппаратуры), из которых состоит современный персональные компьютер.

Программное обеспечение (SOFTWARE) – это набор программ, обеспечивающих оптимальное функционирование всех элементов современных персональных компьютеров и дружественный интерфейс с пользователями при решении конкретных задач.

Структура современных персональных компьютеров называется их конфигурацией. Обычно аппаратное и программное обеспечение современных персональных компьютеров рассматривается отдельно и, следовательно, отдельно рассматриваются их аппаратная и программная конфигурации.

Аппаратную и программную конфигурации современных персональных компьютеров можно гибко изменять, однако существуют понятия типовых базовых аппаратной и программной конфигураций.

Типовая базовая аппаратная конфигурация современных персональных компьютеров включает в себя:

– системный блок,

– клавиатуру,

– монитор,

– манипулятор «мышь».

В таком комплекте современные персональные компьютеры обычно поставляются пользователям.

Системный блок представляет собой основной элемент современных персональных компьютеров, внутри которого расположены наиболее важные устройства. Эти устройства называются основными устройствами. Устройства, которые находятся вне системного блока, называются периферийными устройствами.

К основным устройствам относятся:

· материнская плата,

· дисковод жесткого диска,

· дисковод гибкого диска,

· дисковод оптического диска.

К периферийным устройствам относятся:

· клавиатура,

· монитор,

· принтер,

· сканер,

· манипулятор «мышь» и др.

Типовая базовая программная конфигурация включает в себя:

· базовую систему ввода-вывода BIOS (BASE INPUT/OUTPUT SYSTEM),

· операционную систему (WINDOWS)

· программы стыковки с внешними устройствами (драйверы)

· вспомогательные сервисные программы – утилиты,

· пакеты типовых прикладных программ (MS WORD, MS EXEL, MS ACCESS и др.).

Аппаратное обеспечение.

Аппаратным обеспечением (HARDWARE) называется совокупность технических средств (аппаратуры), входящих в состав современных персональных компьютеров.

Структура аппаратного обеспечения современных персональных компьютеров называется аппаратной конфигураций.

Исходя из того, что аппаратная конфигурация современных персональных компьютеров может изменяться в широких пределах, рассмотрим так называемую типовую базовую аппаратную конфигурацию. Эта типовая базовая конфигурация современных персональных компьютеров приведена на рис. 2.2.1.

Рис. 2.2.1. Структурная схема современного персонального компьютера

с базовой конфигурацией.

 

На приведенном рисунке сплошными линиями показаны устройства, находящиеся на материнской плате (серый цвет) и внутри системного блока. Внешние (периферийные) устройства, подключаемые к портам ввода-вывода, оказаны пунктиром.

Основным устройством современного персонального компьютера является центральный процессор (микропроцессор). Он управляет работой всех функциональных элементов персонального компьютера и выполняет все операции по обработке информации.

Для хранения наиболее часто используемой информации центральный процессор дополняется устройствами сверхоперативной памяти (КЭШ-памяти) двух уровней: первого и второго. КЭШ-память первого уровня составляет одно целое с микропроцессором, а КЭШ-память второго уровня представляет собой отдельную микросхему, которая находится в одном корпусе с микропроцессором.

Центральный процессор через КЭШ-память и системную шину взаимодействует с системным контроллером и через него со всеми другими устройствами персонального компьютера, и в первую очередь, с оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) и шинами PCI и AGP.

Функциональный контроллер обеспечивает взаимодействие с дисководами магнитных и оптических дисков, с шинами ISA и USB, а также обслуживание последовательных (COM) и параллельных (LPT) портов ввода-вывода. Через эти порты к функциональному контроллеру подключаются клавиатура, принтер и манипулятор «мышь».

Функциональный контроллер через постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и расположенную в нем базовую систему ввода-вывода (BIOS) осуществляет также тестирование всех устройств персонального компьютера, начальную загрузку операционной системы, а также обеспечивает доступ к базовой системе ввода-вывода во время работы компьютера.

Основные устройства.

Основные устройства современного персонального компьютера – это устройства, расположенные внутри системного блока (на материнской плате и вне ее). К этим устройствам относятся:

– центральный процессор (микропроцессор),

– микропроцессорный комплект (CHIPSET),

– системная и интерфейсные шины,

– устройства внутренней памяти (микросхемы ПЗУ, ОЗУ),

– устройства внешней памяти (магнитные и оптические диски).

Рассмотрим эти устройства более подробно.

Центральный процессор (микропроцессор) – это специальная микросхема сверхбольшой степени интеграции (СБИС), выполняющая функции управления всеми устройствами современного персонального компьютера и обеспечивающая обработку поступающих данных.

Микропроцессоры в значительной степени определяют мощность современных персональных компьютеров, поэтому тип микропроцессора используется для их классификации.

Современные микропроцессоры характеризуются следующими основными параметрами:

– разрядностью,

– объемом адресного пространства,

– тактовой частотой,

– архитектурой.

Понятие разрядности включает в себя:

– разрядность внутренних регистров микропроцессора (ш),

– разрядность шины данных (и),

– разрядность шины адреса (к).

Исходя из этого, разрядность микропроцессора обозначается в виде ш/и/к. Например, разрядность микропроцессора Intel Pentium обозначается следующим образом: 32/64/32, то есть:

разрядность внутренних регистров – 32,

разрядность шины данных – 64,

разрядность шины адреса – 32.

Разрядность внутренних регистров (ш) микропроцессора определяет принадлежность его к тому или иному классу. Так, например, микропроцессоры семейства Intel Pentium относятся к классу 32-разрядных микропроцессоров.

Разрядность шины данных (и) определяет скорость передачи данных между микропроцессором и другими устройствами. При 64-разрядной шине данных скорость передачи в два раза выше, чем у 32-разрядной шины.

Разрядность шины адреса (к) определяет объем адресного устройства, то есть максимальное количество ячеек памяти, к которым можно осуществлять непосредственный доступ по индивидуальному адресу (одна ячейка памяти обеспечивает хранение одного байта данных). Очевидно, что объем адресного пространства (N) связан с разрядностью шины адреса (к) следующим простым соотношением: N = 2к.

При к = 16 N = 216 = 65536 байт = 64 Кб.

При к = 20 N = 220 = 210 Кб = 1 Мб.

При к = 32 N = 232 = 216 Кб = 4 Гб.

Архитектура микропроцессора – это его внутренняя логическая организация, его внутренняя логическая структура.

Современные микропроцессоры типа Pentium имеют так называемую суперскалярную архитектуру, которая позволяет выполнять за один такт более одной элементарной операции. Это достигается за счет использования двух параллельно работающих 32-разрядных конвейеров, выполняющих поступающие команды.

Устройства внутренней памяти. К ним относятся:

- постоянное запоминающее устройство (ПЗУ),

- оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – это микросхема, которая используется для хранения системных программ тестирования основных узлов современного персонального компьютера при его включении, а также системных программ начальной загрузки.

ПЗУ является устройством, предназначенным только для чтения, поэтому в англоязычной литературе используется обозначение ROM (Read only memory – память только для чтения). Запись информации в ПЗУ производится на специальных устройствах – программаторах. Однако в настоящее время появились специальные перепрограммируемые микросхемы ПЗУ, в которых имеется возможность изменения хранимой в них информации.

ПЗУ является энергонезависимым устройством, т.е. устройством, в котором при выключении компьютера вся информация, хранящаяся в нем, сохраняется.

В современных персональных компьютерах емкость ПЗУ составляет десятки Кб.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – это набор микросхем, который используется для кратковременного хранения программ и данных, используемых во время работы персонального компьютера.

ОЗУ является энергозависимым устройством, т.е. устройством, в котором при выключении компьютера вся информация, хранящаяся в нем, не сохраняется.

В современных персональных компьютерах емкость ОЗУ составляет 128, 256, 512 и более Мб.

 

Периферийные устройства.

К периферийным устройствам относятся:

– клавиатура,

– манипулятор «мышь»

– мониторы,

– принтеры,

– другие устройства.

Рассмотрим эти устройства более подробно.

 

Клавиатура – это клавишное устройство, которое служит для ввода алфавитно-цифровых данных, а также команд управления.

Клавиатура относится к стандартным средствам персонального компьютера. Ее основные функции не нуждаются в поддержке специальных программ (драйверов). Необходимое программное обеспечение для начала работы с компьютером уже имеется в микросхеме ПЗУ в составе базовой системы ввода-вывода (BIOS) и поэтому компьютер реагирует на нажатие клавиш сразу после включения.

Стандартная клавиатура современных персональных компьютеров имеет 102 клавиши, функционально распределенных по четырем группам:

- алфавитно-цифровые клавиши

- функциональные клавиши

- служебные клавиши

- дополнительные клавиши

Манипулятор «мышь» - это устройство управления специальным указателем (указателем мыши) на экране монитора. Перемещение мыши по плоской поверхности синхронизировано с перемещением указателя мыши на экране монитора.

Монитор – это устройство визуального представления данных, Это не единственное, но главное устройство вывода. Его основными эксплуатационными параметрами являются:

– размер экрана,

– максимальная частота регенерации,

– класс защиты.

Размер экрана монитора измеряется по диагонали между противоположными углами экрана. Единицей измерения являются дюймы. Стандартными размерами экрана являются 14”, 15”, 17”, 19”, 21”. В настоящее время наиболее распространенным размером экрана является 17 дюймов. Однако для работы с графикой желательно иметь размеры 19-21 дюйм.

В настоящее время в персональных компьютерах используются в основном мониторы трех типов:

– мониторы на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ или CRT-мониторы),

– мониторы на жидких кристаллах (LCD-мониторы).

– плазменные мониторы

В мониторах на электронно-лучевых трубках изображение на экране получается в результате облучения люминофорного покрытия тремя остронаправленными пучками электронов. Для получения цветного изображения люминофорное покрытие имеет точки или полоски трех типов, светящихся красным, зеленым и синим цветом. Чтобы на экране все три луча сходились строго в одну точку, и изображение было четким, перед люминофором устанавливается маска – специальная панель с регулярно расположенными отверстиями или щелями. Шаг маски измеряется в долях миллиметра. В настоящее время наиболее распространенные мониторы имеют шаг маски 0,25-0,27 мм.

В жидкокристаллических мониторах изображение представляет собой совокупность отдельных точек – пикселов. Однако принцип действия ЖК-мониторов существенно отличается от принципа действия монитора на основе ЭЛТ. Различия заключаются в способах создания светящегося элемента и формирования растра.

В жк-мониторе минимальным элементом изображения является жк-ячейка. В отличие от зерна люминофора жк-ячейка не генерирует свет, а только управляет интенсивностью проходящего света. Для формирования изображения на экране жк-монитора не требуется высокое напряжение, поэтому жк-мониторы имеют низкое энергопотребление.

Принтер – это печатающее устройство вывода данных, позволяющее получать копии документов на бумаге или прозрачном носителе.

В современных персональных компьютерах используются различные типы принтеров, которые различаются по принципу действия. К ним относятся принтеры:

– матричные,

– струйные,

– светодиодные,

– лазерные.

Матричные принтеры – это простейшие печатающие устройства. В настоящее время практически вышли из употребления.

Струйные принтеры – это печатающие устройства, в которых изображение на бумаге формируется из пятен, образующихся при попадании капель красителя на бумагу. Выброс микрокапель красителя происходит под давлением, которое развивается в печатающей головке за счет парообразования.

К положительным сторонам струйных принтеров относится возможность получить высококачественные цветные оттиски (тексты, картинки и т.д.).

Лазерные принтеры – это печатающие устройства, в которых изображение на бумаге формируется при помощи луча лазера. Эти принтеры обладают высоким качеством печати, не уступающим, а во многих случаях превосходящим полиграфическое. Они отличаются также высокой скоростью печати, которая измеряется в страницах в минуту – ppm (page per minute). Как и в матричных принтерах изображение на бумаге формируется из отдельных точек.

 

Программное обеспечение.

Программным обеспечением (SOFTWARE) называется совокупность программ, обеспечивающих оптимальное функционирование всех аппаратных средств современных персональных компьютеров, а также дружественное взаимодействие с пользователями при решении ими конкретных задач.

Программы – это упорядоченные последовательности команд. Конечная цель любой компьютерной программы – управление аппаратными средствами. Даже если на первый взгляд программа никак не взаимодействует с оборудованием, не требует никакого ввода данных с устройств ввода и не осуществляет вывод данных на устройство вывода, все равно ее работа основана на управлении аппаратными устройствами персонального компьютера.

Программное и аппаратное обеспечение современных персональных компьютеров работают в непрерывной связи и непрерывном взаимодействии. Несмотря на то, что мы рассматриваем эти две категории отдельно, нельзя забывать, что между ними существует диалектическая связь, и раздельное их рассмотрение является условным.

По выполняемым функциям все программное обеспечение современных персональных компьютеров можно условно разделить на две большие части: системное программное обеспечение и прикладное программное обеспечение. (рис. 2.5.1).

 

Программное обеспечение (ПО)

 

Системное ПО

Прикладное ПО

 

Рис. 2.5.1. Структура программного обеспечения современных персональных компьютеров

 

Состав программного обеспечения современных персональных компьютеров называется программной конфигурацией.

Между отдельными программами, как и между отдельными элементами аппаратного обеспечения, существует тесная взаимосвязь – многие программы работают, опираясь на другие программы, т.е. существует определенный программный интерфейс. Возможности существования такого интерфейса основаны на существовании определенных технических условий и протоколов взаимодействия, а на практике оно обеспечивается разделением всего программного обеспечения на несколько взаимосвязанных между собой уровней. Эти уровни следующие:

– базовый,

– системный,

– служебный,

– прикладной.

Указанные уровни программного обеспечения представляют собой стройную пирамидальную конструкцию, в которой каждый следующий уровень опирается на программное обеспечение предшествующих уровней. Такое деление очень удобно для всех этапов работы на современных персональных компьютерах, начиная с установки программного обеспечения до практической эксплуатации и технического обслуживания. Рассмотрим кратко эти уровни.

Базовый уровень является самым низким уровнем программного обеспечения. Он отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Как правило, базовое программное обеспечение непосредственно входит в состав базового аппаратного обеспечения и хранится в специальной микросхеме, называемой постоянным запоминающим устройством – ПЗУ (в англоязычной литературе используется сокращение ROM – Read only memory – память только для чтения). Программы и данные записываются в микросхему ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены в процессе эксплуатации.

В тех случаях, когда изменение базовых программных средств в процессе эксплуатации является технически целесообразным, то вместо микросхем ПЗУ используются микросхемы ППЗУ – перепрограммируемые постоянно запоминающие устройства (EPROM – Erasable and programmable read only memory). Системный уровень является переходным: программы, работающие на этом уровне, обеспечивают взаимодействие прочих программ современных персональных компьютеров с программами базового уровня и непосредственно с аппаратными средствами, т.е. выполняют посреднические функции.

От программного обеспечения этого уровня во многом зависят эксплуатационные показатели всего персонального компьютера в целом.

Конкретные программы, отвечающие за взаимодействие с конкретными устройствами, называются драйверами.

Конкретные программы, отвечающие за взаимодействие с пользователями, называются программами пользовательского интерфейса. От этих программ непосредственно зависит удобство работы на персональном компьютере и производительность труда на рабочем месте.

Совокупность программного обеспечения системного уровня образует ядро операционной системы. Наличие ядра операционной системы – непременное условие для установки программ боле высокого уровня, а также для взаимодействия с пользователем.

Служебный уровень программного обеспечения является уровнем взаимодействия, как с программами базового уровня, так и с программами системного уровня. Основное назначение служебных программ заключается в автоматизации работ по проверке, наладке и настройке всех систем персонального компьютера. Эти программы называются утилитами.

Прикладной уровень программного обеспечения представляет собой комплекс прикладных программ, с помощью которых конкретный пользователь современного персонального компьютера может выполнять конкретные задачи.

К прикладным программам этого уровня относятся программы Блокнот, Калькулятор, текстовый редактор WORD PAD, графический редактор PAINT.