Внутренние устройства системного блока

Блок питания

Блок питания подключается к электрической сети и преобразует стандартное сетевое напряжение в несколько различных постоянных напряжений, необходимых для питания внутренних устройств. Он является неотъемлемой частью корпуса и поставляется вместе с ним, хотя может быть приобретен отдельно. Основными параметрами блока питания являются мощность и типоразмер. Мощность выбирается исходя из количества внутренних устройств, устанавливаемых в системном блоке.

Материнская плата

Материнская плата (англ. motherboard (MB); также используется англ. название mainboard – главная плата) – основная плата персонального компьютера (Рис. 2.9).

 

Рис. 2.9. Материнская плата в системном блоке ПК

 

На материнской плате размещаются:

- процессор – основная микросхема, в которой производятся все вычисления. Центральный процессор предназначен для преобразования информации в соответствии с выполняемой программой, управления вычислительным процессом и устройствами, работающими совместно с процессором;

- микропроцессорный комплект (чипсет) – набор микросхем, управляющий работой внутренних устройств компьютера;

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

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

- видеокарта(графическая карта, видеоадаптер) – устройство, которое реализует вывод информации на монитор;

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

- разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты и порты).

Видеокарта (видеоадаптер)

Совместно с монитором видеокарта образует видеоподсистему персонального компьютера. Видеоадаптер не всегда был компонентом ПК. В начале развития персональной вычислительной техники в общей области оперативной памяти существовала небольшая выделенная область памяти, в которую процессор заносил данные об изображении.

С переходом к технически более требовательным мониторам и программному обеспечению произошло выделение всех операций, связанных с управлением экраном в отдельный блок, получивший название видеоадаптера (Рис. 2.10). Физически он выполнен в виде отдельной платы, которая вставляется в один из слотов материнской платы и называется видеокартой (графическим ускорителем, графической картой или графическим адаптером). Видеоадаптер взял на себя функции видеоконтроллера, видеопроцессора и видеопамяти.

Рис. 2.10. Видеокарта

 

За время существования компьютеров сменилось несколько стандартов видеоадаптеров.

Первый компьютер компании IBM (International Business Machines) был оснащен видеоадаптером MDA (Monochrome Display Adapter). Видеосистема была предназначена для работы в монохромном текстовом режиме.

Через год небольшая фирма Hercules выпустила видеоадаптер Hercules Graphic Card. Он поддерживал также и графический черно-белый режим.

Следующим шагом был видеоадаптер CGA (Color Graphic Adapter). Это первая цветная модель для IBM PC. Адаптер CGA позволял работать в цветных текстовом или графическом режимах. Далее мы будем рассматривать только графические режимы видеоадаптеров. Графических режимов для CGA было два: черно-белый и цветной. В цветном режиме можно было отображать одновременно только четыре цвета.

В 1984 году появился адаптер EGA (Enhanced Graphic Adapter). Это было значительное достижение для персональных компьютеров. Появился графический 16-цветный видеорежим. Цвета можно было выбирать из палитры цветов. В это время начали распространяться компьютерные игры с более или менее качественной графикой и графические программы для работы. Однако шестнадцати цветов было явно недостаточно для качественного отображения фотографий, а разрешающая способность недостаточна для графических пакетов типа САПР.

В 1987 году появились видеоадаптеры MCGA (Multi-Color Graphic Array) и VGA (Video Graphic Array). Они обеспечивали уже 256-цветные видеорежимы.

Более популярным стал видеоадаптер VGA. Адаптер VGA имел 256-цветный графический видеорежим с размерами растра 320x200. Это дало возможность полностью удовлетворить потребности отображения черно-белых (в 256 градациях серого) фотографий. Цветные фотографии отображались достаточно качественно, однако 256 цветов мало, поэтому в компьютерных играх и графических пакетах активно использовался дизеринг (создание иллюзии глубины цвета). Кроме того, режим 320x200 тоже имеет разную разрешающую способность по горизонтали и вертикали. Для мониторов, которые использовались в персональных компьютерах типа IBM PC, необходимо, чтобы количество пикселей по горизонтали и вертикали было в пропорции 4:3, то есть, не 320x200, а 320x240.

Видеоадаптер VGA также имел 16-цветовой видеорежим 640x480. Это соответствует "квадратным пикселям". Увеличение разрешающей способности в сравнении с EGA не очень большое, но ощутимое, что дало новый толчок для развития графических программ на персональных компьютерах.

Дальнейшее развитие видеоадаптеров для компьютеров связано с увеличением разрешающей способности и количества цветов. Начали появляться видеоадаптеры разных фирм, которые обеспечивали сначала видеорежимы 800x600, а потом и 1024x768 при 16-ти цветах, а также видеорежимы 640x480, 800x600 и более — для 256 цветов. Эти видеоадаптеры стали называть SuperVGA (SVGA).

Первой достигла глубины цвета в 24-6ит фирма Truevision с видеоадаптером Targa 24, что позволило получить на персональных компьютерах видеорежим True Color. Такое достижение можно считать началом профессиональной графики на персональных компьютерах этого типа. Там, где раньше использовали графические рабочие станции или персональные компьютеры Apple Macintosh, отныне постепенно переходили на более дешевые компьютеры IBM PC. Одной из таких областей было компьютерное "настольное" издательство.

Сейчас на персональных компьютерах используется много типов видеоадаптеров. Все видеосистемы – растрового типа. Они позволяют устанавливать глубину цвета до 32 бит на пиксель при размерах растра 1600x1200 и больше.

Параметры отображения обуславливаются не только моделью видеоадаптера, но и объемом установленной видеопамяти. Видеопамять персонального компьютера (VRAM – Video RAM) сохраняет растровое изображение, которое демонстрируется на экране монитора. Изображение на мониторе полностью соответствует текущему содержимому видеопамяти. Видеопамять постоянно сканируется с частотой кадров монитора. Запись новых данных в видеопамять мгновенно изменяет изображение на мониторе.

В видеоадаптерах первых образцов количество видеопамяти исчислялось килобайтами, например, адаптер CGA имел 16 Кбайт. В современных видеоадаптерах счет идет на сотни и тысячи мегабайт. Обычно объем видеопамяти кратен степени двойки — 1, 2, 4, 8 Мбайт (в настоящее время — от 64 Мбайт и больше). Наблюдается тенденция увеличения объемов видеопамяти.

Современные видеоадаптеры обычно поддерживают видеорежимы, которые использовались ранее. Это делается для обеспечения возможности функционирование старых программ. Каждый видеорежим имеет собственный номер (код) согласно со стандартом VESA (Video Electronic Standards Association).

Кроме физической организации памяти компьютера – в виде одномерного вектора байтов в общем адресном пространстве, необходимо учитывать логическую организацию видеопамяти. Следует отметить, что названия "физическая" и "логическая" организация могут означать совсем разные вещи для разных уровней рассмотрения. Например, если говорить о физической организации памяти, то она в микросхемах выглядит совсем не как одномерный вектор байтов, а как матрица битов. Логическая организация видеопамяти зависит от видеорежима.

Обмен данными по системной шине для видеосистемы обеспечивают процессор, видеоадаптер и контроллер локальной шины. До недавнего времени для подключения видеоадаптеров использовалась локальная шина PCI (Peripheral Component Interconnect local bus). Шина PCI предназначена не только для графики, она является стандартом присоединения разнообразных устройств, например, модемов, сетевых контроллеров, контроллеров интерфейсов.

В настоящее время видеоадаптеры подключаются через локальную шину AGP (Accelerated Graphics Port).Ее разрядность – 64 бит. На частоте 66 МГц шина обеспечивала скорость обмена 528 Мбайт/с. Сейчас она работает и на более высоких скоростях. Шина AGP была разработана для повышения скорости обмена данными между видеоадаптером и оперативной памятью по сравнению с возможностями шины PCI. Это позволяет достичь большей частоты кадров при работе ЗD-акселераторов (ускорителей). Наличие AGP-порта также приводит к росту быстродействия компьютера в целом благодаря уменьшению нагрузки на шину PCI, что дает возможность более эффективно использовать последнюю для работы с другими устройствами.

Современные видеоадаптеры представляют собой сложные графические устройства. На плате видеоадаптера (его также называют видеокартой) располагается мощный специализированный графический процессор,который по сложности приближается к центральному процессору. Кроме визуализации кадрового буфера графический процессор видеоадаптера выполняет как относительно простые растровые операции (копирование массивов пикселей, манипуляции с цветами пикселей), так и более сложные. Там, где раньше использовался исключительно центральный процессор, теперь все чаще применяется графический процессор видеоадаптера, например, для выполнения операций графического вывода линий, полигонов.

Первые графические процессоры видеоадаптеров выполняли преимущественно операции рисования плоских элементов. Современные графические процессоры выполняют уже много базовых операций трехмерной графики, например, поддержку Z-буфера (учет удаленности элемента изображения), наложение текстур и т. п. Видеоадаптер выполняет эти операции аппаратно, что позволяет намного ускорить их в сравнении с программной реализацией данных операций центральным процессором. Так появился термин графические акселераторы (ускорители).Быстродействие таких видеоадаптеров часто измеряется количеством графических элементов, которые рисуются за одну секунду. Современные графические акселераторы способны отображать миллионы объектов за секунду. Этим "интеллектуальность" видеоадаптеров не ограничивается. Относительно недавно появились модели, которые, кроме некоторых простых неизменных базовых операций, способны сами выполнять небольшие программы, которые могут составлять пользователи. Эти программы называются шейдерами(англ. shaders). Такие возможности графических акселераторов сейчас активно используются разработчиками компьютерных игр.

Номенклатура видеоадаптеров для персональных компьютеров и ноутбуков весьма широка. Несколько примеров: видеоадаптеры Matrox (качественная двумерная графика), ATI Radeon, NVidia (профессиональные и игровые видеокарты) и др.

Оперативная память (ОЗУ)

Оперативная память, оперативное запоминающее устройство (англ. Random Access Memory (RAM) – память с произвольным доступом) представляет собой набор кристаллических ячеек, способных хранить электрические заряды в течение крайне непродолжительного времени (сотые доли секунды). Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается числом.

Рис. 2.11. Модуль ОЗУ

 

Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках, называемых модулями (Рис. 2.11). Модули вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате.

Конструктивно модули памяти имеют два исполнения – однорядные (SIMM-модули) и двухрядные (DIMM-модули).

Основными характеристиками оперативной памяти являются объем и время доступа. Объем модуля памяти измеряется в мегабайтах и гигабайтах. Время доступа показывает сколько времени необходимо для обращения к ячейкам памяти – чем оно меньше, тем лучше. Современные модули ОЗУ имеют большую емкость и высокое быстродействие (измеряется в мегагерцах (МГц)).

Процессор

Центральный процессор (англ. central processing unit, CPU) – основная микросхема компьютера. Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изменяться (Рис. 2.12). С остальными устройствами компьютера процессор связан несколькими группами шин.

Рис. 2.12. Процессор (CPU) AMD

 

Основными параметрами процессоров являются: количество ядер, рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти.

Процессоры могут быть одноядерными и многоядерными. Многоядерный процессор – центральный процессор, содержащий два и более вычислительных ядра на одном процессорном кристалле или в одном корпусе. В настоящее время весьма популярными являются мощные 2-ядерные центральные процессоры. Однако это не является пределом.

Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать за один раз. Первые процессоры были 16-разрядными. В настоящее время выделяются 32- и 64-разрядные процессоры.

Тактовая частота процессора определяет скорость его работы с командами в единицу времени (миллионов тактов в секунду). Измеряется тактовая частота в мегагерцах.

Материнская плата работает на гораздо меньших частотах, чем центральный процессор. Для получения более высоких частот тактовых сигналов, получаемых от материнской платы, в процессоре происходит внутренне умножение частоты на некоторый коэффициент (3, 4, 5 и более).

Внутри процессора имеется своеобразная буферная область, называемая кэш-памятью (англ. cache). Она существует для запоминания рабочих данных вне оперативной памяти и тем самым некоторого увеличения скорости доступа к ним. Здесь содержится информация, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Чем больше объем кэш-памяти, тем лучше. Объемы в данном случае измеряются в килобайтах и мегабайтах.

Жесткий диск

Жесткий диск (англ. hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD) – основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ. На самом деле это не один диск, а группа соосных дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой скоростью (Рис. 2.13).

Рис. 2.13. Жесткий диск (винчестер)

 

Управление работой жесткого диска выполняет специальное аппаратно-логическое устройство – контроллер жесткого диска. В прошлом оно представляло собой отдельную плату, которая подключалась к одному из свободных слотов материнской платы. В настоящее время контроллер входит в состав самой материнской платы. Объединение нескольких функций в одном устройстве называют интеграцией. Поэтому говорят, что контроллер жестких дисков интегрирован с материнской платой.

Основными параметрами жестких дисков являются: емкость (измеряется в гигабайтах), время обращения к данным (измеряется в микросекундах) и скорость обмена (измеряется в мегабайтах в секунду). Представления о «типовом» объеме жесткого диска постоянно меняются. В настоящее время объем варьируется от нескольких сотен до нескольких тысяч гигабайт.

Дисковод гибких дисков

Первые гибкие диски появились в 1971 г., когда персональных компьютеров еще не существовало. Они использовались в работе с большими ЭВМ (ЭВМ – электронно-вычислительные машины).

Основными параметрами гибких дисков являются: технологический размер (измеряется в дюймах), плотность записи (измеряется в кратных единицах) и полная емкость (измеряется в килобайтах или мегабайтах).

В настоящее время дисковод гибких дисков (англ. floppy disk drive, FDD) является весьма редким устройством, используемым в работе для считывания и записи информации на дискету. Это связано с малой емкостью дискеты (до 2.88 Мб) и широким распространением флеш-накопителей (т.н. «флешек») и внешних жестких дисков (USB HDD) высокой емкости.