Архитектура и устройство ПЭВМ

1
АРХИТЕКТУРА И УСТРОЙСТВО ПЭВМ
Состав вычислительной системы (конфигурация) включает в себя
аппаратные и программные средства.
Архитектура ПК - это совокупность аппаратных и программных средств
ПК, а также система взаимодействия их, обеспечивающая функционирование ПК.
Основные особенности архитектуры ПК- открытость и модульность.
Открытость означает возможность замены отдельных компонентов ПK
их более совершенными версиями, а также возможность подключения новых
устройств к компьютеру с целью расширения его возможностей.
Все компоненты компьютера оформлены в виде законченных конструкций
– модулей, имеющих стандартные размеры и стандартные средства соединения с
ЭВМ. Они не связаны жестко, в единое неразъемное устройство: предусмотрена
возможность быстрого подсоединения и отсоединения любого из них к ПK.
Кроме того, в любой ЭВМ подобного типа используется стандартный набор
основных модулей, при любой её модификации.
Состав ПК
Персональный компьютер - универсальная ЭВМ, предназначенная для
индивидуального пользования. Обычно ПК проектируется на основе принципа
открытой архитектуры. Его конфигурацию (состав оборудования) можно
гибко изменять по мере необходимости. Тем не менее, существует понятие
базовой конфигурации ПК, которую считают типовой. Понятие базовой
конфигурации может меняться, в настоящее время в нее входят 4 устройства:
системный блок, монитор, клавиатура, мышь.
1) Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого
установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри
системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему
снаружи – внешними (периферийные) - это дополнительные устройства,
предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных.
Внутренние устройства системного блока:
1. Материнская плата
2. Жесткий диск
3. Дисководы гибких дисков
4. Дисковод компакт-дисков: CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD
5. Адаптеры: видеоадаптер, звуковая плата, сетевая плата и др.
6. Порты ввода-вывода
7. Блок питания
1. Материнская плата - основная плата ПК. На ней размещаются:
Процессор (CPU) – основная микросхема, которая производит все
арифметические и логические операции, осуществляет управление всем
процессом решения задачи по заданной программе, т.е. является главным
компонентом компьютера. Процессоры выполнены в виде одной микросхемы и
поэтому называются также микропроцессорами. Тип ПК определяется типом
процессора.
2
Главные характеристики процессора:
1) Разрядность процессора показывает, сколько двоичных разрядов (бит)
информации обрабатывается за один такт (время выполнения одной элементарной
операции) – 8, 16, 32 (в старых моделях) или 64.
2) Тактовая частота показывает, сколько элементарных операций
(тактов) процессор выполняет в течение одной секунды. Чем выше тактовая
частота процессора, тем быстрее он работает. Единица измерения тактовой
частоты - мегагерц (МГц).
Первые 16-ти разрядные процессоры (например, Intel-8086) работали с
тактовой частотой не выше 4,7MГц.
Оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) –
набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда
компьютер включен. Объем памяти в современном ПК от 128 Мбайт и выше.
Постоянная память (постоянное запоминающее устройство, ПЗУ) –
микросхема, предназначенная для длительного хранения данных, в том числе и
когда компьютер выключен. Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует
базовую систему ввода-вывода (BIOS). Основное назначение программ этого
пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной
системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким
диском и дисководом гибких дисков.
Энергозависимая память CMOS её содержимое не стирается во время
выключения ПК (отличие от оперативной памяти) и в неё можно вносить и
изменять данные самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование
входит в состав системы.
Быстрая память (сверхоперативная, КЭШ-память) используется для
ускорения операций в памяти ПК. В КЭШ-память записывается часть
информации из ОЗУ, с которой процессор работает в данный момент времени
(буферная область). Создана для того, чтобы уменьшить количество обращений к
оперативной памяти.
Системная шина – система объединенных проводников для передачи
информации между подключёнными к ней устройствами ПК. По шине передаётся
информация трёх типов: адреса, адреса данных, команды.
2. Жесткий диск (винчестер) - основное устройство для долговременного
хранения больших объемов информации, представляет собой группу соосных
дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой скоростью.
Основными параметрами жестких дисков являются емкость и
производительность. Ёмкость дисков зависит от технологии их изготовления. В
настоящее время большинство производителей жестких дисков используют
изобретенную компанией IBM технологию с использованием гигантского
магниторезистивного эффекта. В настоящее время на пластину может
приходится 40 и более Гбайт и развитие продолжается. Объем винчестера
современной ПК должен быть не менее 1 Гбайта.
Производительность жестких дисков меньше зависит от технологии их
изготовления. Сегодня все жесткие диски имеют очень высокий показатель
3
скорости внутренней передачи данных (до 30-60 Мбайт/с), и поэтому их
производительность зависит от характеристик интерфейса, с помощью которого
они связаны с материнской платой.
3. Дисководы гибких магнитных дисках (накопители на гибких магнитных
дисках (НГМД) представляют собой ЗУ, в которых носителями информации
являются сменные магнитные диски (дискеты), которые вставляются в
специальный накопитель - дисковод.
Назначение: обмен информацией между компьютерами: сохранение
данных вне компьютера, создание архивов данных, и в частности архивных копий
текстов и программ, записанных на винчестере.
В настоящее время используются обычные гибкие диски и флоптические
гибкие диски.
4. Дисководы для работы с лазерным диском
Эти системы служат для чтения информации с компакт-дисков различного
вида и пользуются в настоящее время исключительным спросом.
Рассмотрим виды этих дисков:
1. CD-ROM – компакт-диск только для чтения.
2. CD-R- диски. Запись на CD-R-диск возможна только 1 раз, производится
пользователем с помощью компактного и недорогого записывающего
дисковода.
3. CD-RW-диски. Обеспечивают возможность многократной перезаписи
информации на диск (до 1000 циклов) пользователем с помощью
специального записывающего дисковода.
4. DVD-диски. Это так называемые цифровые диски. Основное отличие их от
прочих лазерных дисков – значительно более высокая плотность записи
информации.
5. Адаптеры - это печатные платы с микросхемами, которые преобразуют
различные формы представления информации для организации различных
устройств компьютера. Например: видеоадаптер (видеокарта), звуковая плата,
сетевая плата и др.
Видеоадаптер - это электронная плата, которая обрабатывает видеоданные
(текст и графику) и управляет работой дисплея. Содержит видеопамять, регистры
ввода вывода и модуль BIOS. Посылает в дисплей сигналы управления яркостью
лучей и сигналы развертки изображения.
Основные свойства видеоадаптера:
Цветовое разрешение (глубина цвета) определяет количество различных
оттенков, которые может принимать отдельная точка экрана. Минимальное
требование на сегодняшний день – 256 цветов, хотя большинство программ
требуют не менее 65 тыс. цветов (режим High Color). Наиболее комфортная
работа достигается при глубине 16,7 млн. цветов (режим True Color), которая
требует значительных размеров видеопамяти (обычно составляет 32-128 Мбайт).
Видеоускорение – свойство видеоадаптера, которое заключается в том, что
часть операций по построению изображений может происходить без выполнения
4
математических вычислений в основном процессоре ПК, а путем преобразования
данных в микросхемах видеоускорителя. Различают: ускорители плоской (2D) и
трехмерной (3D) графики.
Наиболее распространенный видеоадаптер на сегодняшний день - адаптер
SVGA (Super Video Graphics Array - супервидеографический массив), который
может отображать на экране дисплея 1280х1024 пикселей при 256 цветах и
1024х768 пикселей при 16 миллионах цветов.
С увеличением числа приложений, использующих сложную графику и
видео, наряду с традиционными видеоадаптерами широко используются
разнообразные устройства компьютерной обработки видеосигналов:
Графические акселераторы (ускорители) - специализированные
графические сопроцессоры, увеличивающие эффективность видеосистемы. Их
применение освобождает центральный процессор от большого объема операций с
видеоданными, так как акселераторы самостоятельно вычисляют, какие пиксели
отображать на экране и каковы их цвета.
Фрейм-грабберы, которые позволяют отображать на экране компьютера
видеосигнал от видеомагнитофона, камеры, лазерного проигрывателя и т. п., с
тем, чтобы захватить нужный кадр в память и впоследствии сохранить его в виде
файла.
TV-тюнеры - видеоплаты, превращающие компьютер в телевизор. TVтюнер позволяет выбрать любую нужную телевизионную программу и
отображать ее на экране в масштабируемом окне. Таким образом, можно следить
за ходом передачи, не прекращая работу.
Звуковая карта выполняет вычислительные операции, связанные с
обработкой звука, речи, музыки. Звук воспроизводится через внешние звуковые
колонки.
Основным параметром является разрядность, определяющая количество
битов, используемых при преобразовании сигналов из аналоговой в цифровую
форму и наоборот. Чем выше разрядность, тем меньше погрешность, связанная с
оцифровкой, тем выше качество звучания. Минимальное требование – 16
разрядов, а наибольшее распространение имеют 32-разрядные и 64-разрядные
устройства.
Сетевой адаптер (сетевая карта) – устройство для подключения
компьютера к локальной сети. Сетевой адаптер контролирует доступ к среде
передачи данных и обмен данными в сети, выполняет функцию сопряжения
компьютера с каналами связи.
6. Порты ввода-вывода - разъемы, с помощью которых к системному блоку
подключаются периферийные устройства (Принтер, «мышь» и т.д.).
7. Блок питания преобразует переменный ток сети электропитания в постоянный
ток низкого напряжения. Устройства компьютера используют напряжение 12,5 и
3,5 Вольт.
5
Стандартные устройства ввода-вывода
Процесс взаимодействия пользователя с персональным компьютером (ПК)
непременно включает процедуры ввода входных данных и получение результатов
обработки этих данных. Поэтому, обязательными составляющими типичной
конфигурации ПК являются разнообразные устройства ввода-вывода, среди
которых можно выделить стандартные устройства, без которых современный
процесс диалога вообще невозможен. К стандартным устройствам ввода-вывода
относятся монитор, клавиатура и манипулятор "мышка".
Монитор (дисплей) - это стандартное устройство вывода, предназначенное
для визуального отображения информации. В зависимости от принципа действия,
мониторы делятся на:
 мониторы с электронно-лучевой трубкой;
 дисплеи на жидких кристаллах.
Основными характеристиками монитора являются: размер по диагонали,
разрешающая способность, частота регенерации (обновление) и класс защиты.
Клавиатура - это стандартное клавишное устройство ввода,
предназначенное для ввода алфавитно-цифровых данных и команд управления.
Стандартная клавиатура содержит:
1) набор алфавитно-цифровых клавиш;
2) дополнительно управляющие и функциональные клавиши;
3) клавиши управления курсором;
4) малую цифровую клавиатуру.
Координатные устройства ввода - манипуляторы для управления работой
курсора (Мышь, Трекбол, Тачпад, Джойстик)
Мышь - это устройство управления манипуляторного типа. Существует
большое количество конструкций мыши:
 беспроводная мышь - сигналы от мыши к ПК пересылаются с
помощью миниатюрного радиопередатчика;
 оптическая мышь - использует специальный коврик и луч света
вместо шарика;
К числу параметров мышки, которыми может настроить пользователь,
относят: чувствительность (характеризует величину перемещения курсора
мышки по экрану при заданном перемещении мышки), функции левой и правой
клавиш, а также чувствительность к двойному клику (определяет
максимальный промежуток времени, на протяжении которого два отдельных
клика клавиши рассматриваются как один двойной клик).
Тачпад - манипулятор для портативных компьютеров, встроен в ПК,
перемещение курсора осуществляется путем прикосновения к тачпаду пальцев.
Джойстик - манипулятор для управления электронными играми.
Периферийные устройства ввода-вывода
Это устройства фиксации выходных результатов: принтеры, плоттеры,
модемы, сканеры и т.д.
6
Принтер - печатающее устройство. Осуществляет вывод из компьютера
закодированной информации в виде печатных копий текста или графики. По
принципу действия различают: матричные, струйные, лазерные и светодиодные
принтеры.
Лазерный принтер – печать формируется за счет эффектов ксерографии.
Струйный принтер – печать формируется за счет микро капель
специальных чернил.
Матричный принтер – формирует знаки несколькими иголками,
расположенными в головке принтера. Бумага втягивается с помощью вала, а
между бумагой и головкой принтера располагается красящая лента.
Светодиодный принтер - это разновидность лазерных принтеров, но
вместо лазерной системы изображение проецируется на светочувствительный
барабан с помощью линейки светодиодов (содержащей до 15330 диодов), т.е.
линейка формирует сразу всю строку светочувствительного барабана.
Каждый принтер обязательно имеет свой драйвер - программу, которая
способна переводить (транслировать) стандартные команды печати компьютера в
специальные команды, требующиеся для каждого принтера.
Сканер – устройство ввода и преобразования в цифровую форму
изображений и текстов. Существуют планшетные и ручные сканеры.
Плоттер (графопостроитель) – устройство, которое служит для ввода
графики, рисунков и диаграмм под управлением компьютера. Изображение
получается с помощью пера. Используется для получения сложных
конструкторских чертежей, архитектурных планов, географических и
метеорологических карт, деловых схем.
Акустические колонки и наушники – устройство для вывода звуковой
информации.
Модем - это устройство, предназначенное для передачи и приема по
телекоммуникационным линиям. Для передачи информации модем преобразует
сигнал из цифровой формы в аналоговую, для приема сигнала – наоборот.
Факс - это устройство факсимильной передачи изображения по телефонной
сети.
Сенсорные устройства ввода:
Сенсорный экран - чувствительный экран. Общение с компьютером
осуществляется путем прикосновения пальцем к определенному месту экрана. Им
оборудуют места операторов и диспетчеров, используют в информационносправочных системах.
Дигитайзер – устройство преобразования готовых (бумажных) документов
цифровую форму.
Световое перо – светочувствительный элемент. Если перемещать перо по
экрану, то можно им рисовать. Обычно применяют в карманных компьютерах,
системах проектирования и дизайна.