Архитектура компьютеров

Архитектура компьютеров. Основные характеристики компьютеров. Многообразие компьютеров, внешних устройств. Виды программного обеспечения компьютеров. Примеры комплектации компьютерного рабочего места

Персональный компьютер (ПК) приобрел в последнее десятилетие огромную популярность, стал самой массовой настольной вычислительной системой широкого спектра использования. ПК является открытой системой, т. е может быть укомплектован необходимыми устройствами в зависимости от желаний пользователя.

Вместе с тем существует минимально необходимый набор устройств, называемой базовой аппаратной конфигурацией ПК, при которой пользователь получает возможность работать на компьютере. Этот набор включает системный блок, клавиатуру, монитор и мышь.

1. Системный блок

Системный блок (СК) персонального компьютера содержит корпус и находящиеся в нем источник питания, материнскую плату с процессором и оперативной памятью, платы расширения (видеокарту, звуковую карту и др.), различные накопители (жесткий диск, дисководы, приводы CD ROM), дополнительные устройства.

От типа корпуса системного блока зависят тип, размеры и размещение используемой системной платы, мощность блока питания, количество устанавливаемых приводов накопителей. Монтажные места для накопителей могут быть двух типов – с внешним и внутренним доступом. В настоящее время используется два типоразмера накопителей: шириной 5,25 дюймов (приводы CD ROM, некоторые жесткие диски) и 3,5 дюймов (дисководы, жесткие диски). В зависимости от рекомендуемого рабочего положения корпуса их делят на горизонтальные и вертикальные.

Материнская плата является главным узлом, определяющим возможности компьютера. На ней обычно размещаются: базовый микропроцессор; оперативная память; сверхоперативное запоминающее устройство (ЗУ), называемое также кэш-памятью; ПЗУ с системой BIOS (базовой системой ввода/вывода); набор управляющих микросхем (чипсетов), вспомогательных микросхем и контроллеров ввода/вывода; СМОС-память с данными об аппаратных настройках и аккумулятором для ее питания; разъемы расширения (слоты); разъемы для подключения интерфейсных кабелей жестких дисков, дисководов, последовательного и параллельного портов, инфракрасного порта, а также универсальной последовательной шины USB; разъемы питания; преобразователь напряжения с 5 В на 3,3 В для питания процессора (некоторым процессорам требуется меньшее напряжение); разъем для подключения клавиатуры и ряд других компонентов.

На платах находятся разъемы мыши и клавиатуры, разъемы параллельного и последовательного портов. На материнской плате могут находиться микросхемы видеоадаптера, звуковой платы и контроллера SCSI. На платах также могут находиться специальные разъемы для установки микросхем математического сопроцессора.

Для подключения индикаторов, кнопок и динамика, расположенных на корпусе системного блока, на материнской плате имеются миниатюрные специальные разъемы-вилки. Подобные же разъемы служат как контакты для перемычек при задании аппаратной конфигурации системы. У большинства персональных компьютеров системные платы содержат лишь основные функциональные узлы, а остальные элементы расположены на отдельных печатных платах (платах расширения), которые устанавливаются в разъемы расширения. Например, устройство формирования изображения на экране монитора – видеоадаптер – чаще всего располагается на отдельной плате расширения – видеокарте

Микропроцессор (МП, CPU, Central Processor Unit, ЦПУ или центральное процессорное устройство) – важнейший компонент любого персонального компьютера, его «мозг». Он управляет работой компьютера и выполняет большую часть обработки данных. Микропроцессор представляет собой сверхбольшую интегральную схему (СБИС), возможности которой определяются размером кристалла и количеством транзисторов. Иногда интегральные микросхемы называют чипами (chip).

Базовыми элементами микропроцессора являются транзисторные переключатели, на основе которых строятся регистры, представляющие собой совокупность устройств, имеющих два устойчивых состояния и предназначенных для хранения данных и быстрого доступа к ним. Количество и разрядность регистров определяют архитектуру микропроцессора.

Оперативная память (ОЗУ – оперативно запоминающее устройство) предназначена для хранения информации, к которой приходится часто обращаться, и обеспечивает режимы ее записи, считывания и хранения. По способу хранения информации оперативная память бывает статической и динамической.

Постоянная память (ПЗУ – постоянное запоминающее устройство) обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в ходе выполнения микропроцессором различных программ. Постоянная память имеет также название ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, что обеспечиваются только режимы считывания и хранения. Постоянная память энергонезависима, т. е. может сохранять информацию и при отключенном питании Оперативная память выполнена обычно на микросхемах динамического типа с произвольной выборкой (DRAM). Каждый бит такой памяти представляется наличием (или отсутствием) заряда на конденсаторе, образованном в структуре полупроводникового кристалла.

Другой тип памяти – статический (SRAM) – в качестве элементарной ячейки использует так называемый статический триггер (схема которого состоит из нескольких транзисторов). Статический тип памяти обладает более высоким быстродействием и используется, например, для организации кэш-памяти.

Для описания характеристик быстродействия оперативной памяти применяются так называемые циклы чтения/записи. Так, для SRAM чтение одного слова выполняется за 3 такта, запись за 4 такта.

Динамическая память (DRAM) в современных ПК используется обычно в качестве оперативной памяти общего назначения, а так же как память для видеоадаптера.

Микросхемы видеопамяти, используемые в видеоадаптерах, относятся к динамической оперативной памяти, работа которой имеет ряд особенностей, состоящих в том, что доступ к ней осуществляется достаточно крупными блоками, а перезапись производится без прерывания процедуры считывания из памяти. Эту задачу наиболее эффективно решает так называемая двухпортовая RAM, для которой возможно одновременное считывание и запись данных. Такая память представлена VRAM (Video RAM) и WRAM (Window RAM). Для ускорения доступа к памяти со стороны графического ускорителя (что особенно важно в 3D-акселераторах) используется либо MDRAM, использующая распараллеливание операций доступа данным между большим количеством банков памяти. Либо синхронная память SGRAM.

Кэш-память. Кэшированием данных называется размещение наиболее важных и часто используемых данных в области памяти с более быстрым доступом. Применение кэширования существенно повышает быстродействие ПК при чтении данных (в 10-1000 раз). Помимо кэширования операций чтения данных можно выполнять кэширование записи данных. Применение кэш-записи еще более увеличивает скорость работы ПК, но повышает риск потери данных в случае внезапного выхода системы из строя (например, при отключении электропитания).

Связь устройств с материнской платой осуществляется ее шинными интерфейсами. Пропускная способность первой шины, выполненной два десятка лет назад в архитектуре ISA, составляла около 5,5 Мбит/с. Расширением этого стандарта стал EISA (расширенный ISA) производительностью до 32 Мбит/с. С 2000 г. выпуск материнских плат для разъемов ISA и EISA прекращен из-за низкой производительности этих шин.

Внешняя память реализована обычно на магнитных или оптических накопителях (носителях данных).

Накопители данных. Для хранения программ и данных в персональных компьютерах используют различного рода накопители, общая емкость которых, как правило, в сотни раз превосходит емкость оперативной памяти. По отношению к компьютеру накопители могут быть внешними и внутренними (встроенными). Внешние накопители имеют собственный корпус и источник питания, что экономит пространство внутри корпуса компьютера и уменьшает нагрузку на его блок питания. Внутренние накопители крепятся в специальных монтажных отсеках, что позволяет создавать компактные системы, которые совмещают в системном блоке все необходимые устройства. Сам накопитель можно рассматривать как совокупность носителя и привода Жесткие диски (HDD). В 1973 г. фирмой IBM по новой технологии был разработан жесткий магнитный диск, который мог хранить до 16 Кб данных. Поскольку этот диск имел 30 цилиндров (дорожек), каждый из которых был разбит на 30 секторов, то ему присвоили название 30/30. Толщина воздушной подушки, создаваемой аэродинамикой вращающегося диска и формой головки, гораздо тоньше человеческого волоса. .

Компакт-диск имеет одну физическую дорожку в форме непрерывной спирали, идущей от наружного диаметра диска к внутреннему

Сетевые карты – устройства для подключения компьютера к кабелю компьютерной сети. Она, как и любая плата расширения, рассчитана на определенный тип системной (или локальной) шины компьютера.

На крепежной панели сетевого адаптера может находиться до трех типов разъемов. Однако даже универсальная плата (со всеми тремя разъемами) одновременно может подключаться только к одной кабельной системе. На плате имеется гнездо, предназначенное для микросхемы ПЗУ, содержимое которой используется при загрузке операционной системы из сети для бездисковых рабочих станций, то есть компьютеров, которые не имеют встроенных жестких дисков

Модем – это устройство, предназначенное для подключения к компьютерной сети посредством использования телефонной линии связи. Модем способен осуществлять модуляцию и демодуляцию информационных сигналов (Модуляция-ДЕМодуляция). Работа модулятора модема заключается в том, что поток битов из компьютера преобразуется в аналоговые сигналы, пригодные для передачи по телефонному каналу связи. Демодулятор модема выполняет обратную задачу. Данные, подлежащие передаче, преобразуются в аналоговый сигнал модулятором модема «передающего» компьютера. Принимающий модем, находящийся на противоположном конце линии, «слушает» передаваемый сигнал и преобразует его обратно в цифровой с помощью демодулятора. Режим работы, когда передача данных осуществляется только в одном направлении, называется полудуплексом, в обе стороны – дуплексом. Одной из основных характеристик модема является скорость модуляции. Она определяет физическую скорость передачи данных без учета исправления ошибок и сжатия данных, единицей измерения которой, является количество бит в секунду (бит/с). Модемы бывают внешними и внутренними. В настоящее время используются внутренние модемы (в виде электронной платы). Такой модем устанавливается в слоте материнской платы.

2. Мониторы

Монитор – это устройство визуального отображения данных.

В последнее время распространение получили плоские мониторы, которые имеют небольшую толщину и малый вес, экономное энергопотребление. Они созданы при помощи различных технологий: газоплазменной, электролюминесцентной и жидкокристаллической.

Важным параметром монитора является частота регенерации (обновления) изображения (другое название – частота кадров), отражающая количество обновлений изображения за секунду. Этот параметр зависит не только от монитора, но и от характеристик видеокарты, установленной на материнской плате системного блока. Чем выше эта частота, тем выше качество (четкость) изображения. Минимально допустимой считается частота 75 Гц, нормальной – 85 Гц, комфортной – 100 Гц и выше.

3. Клавиатура

Клавиатура является основным устройством ввода данных в компьютер и представляет собой совокупность механических датчиков, воспринимающих давление на клавиши и замыкающих отдельную электрическую цепь. Наиболее распространены два типа клавиатур: с механическими и мембранными переключателями. Внутри корпуса любой клавиатуры, помимо датчиков клавиш, расположены электронные схемы дешифрации и микроконтроллер клавиатуры. Подключение клавиатуры к системной плате осуществляется посредством разъемов.

На клавиатуре имеется около 60 клавиш с буквами, цифрами, знаками пунктуации и другими символами, встречающимися в печатных текстах, и еще около 40 клавиш, предназначенных для управления компьютером и исполнения программ. Продублированы клавиши управления курсором, а также клавиши Ctrl и Alt. . .

4. Мышь

Компьютерная мышь была изобретена в 1964 г. Она имела всего одну кнопку и использовалась в компьютерах Macintosh.

Большинство производителей обеспечивают совместимость по системе команд либо с Microsoft Mouse (две управляющие клавиши), либо с Mouse Systems Mouse (три управляющие клавиши), а чаще всего с ними обеими. Главное достоинство мыши состоит в том, что ее использование позволяет значительно повысить скорость работы пользователя на ПК за счет возможностей быстрого доступа к экранным графическим объектам и удобного использования разнообразных контекстных меню.

Распространение получила оптико-механическая мышь, принцип работы которой состоит в кодировании перемещений. С поверхностью стола соприкасается тяжелый, покрытый резиновой оболочкой шарик. Ролики, прижатые к поверхности шарика, установлены на перпендикулярных друг другу осях с двумя датчиками. Датчики, представляющие собой оптопары (светодиод, фотодиод), располагаются по разные стороны дисков с прорезями.

В настоящее время существуют три основных способа подключения мышки: через последовательный или СОМ-порт, через порт PS/2, при помощи универсальной последовательной шины USB. .

5. Периферийные устройства

Периферийными называют устройства персонального компьютера, которые не относятся к числу базовых. Они подключаются к внешним интерфейсам ПК. Использование периферийных устройств позволяет существенно расширить возможности компьютера.

По назначению периферийные устройства можно разделить на устройства ввода данных, устройства вывода данных, устройства хранения данных.

Устройства ввода данных

Кроме клавиатуры и мыши к этим устройствам относятся устройства ввода команд, текстовых и графических данных.

К числу устройств ввода команд относятся джойстики и аналогичные ему джойпады, геймпады, штурвальные устройства, а также трекбол и пенмаус.

Джойстик – стержень-ручка, отклонение которой от вертикального положения приводит к перемещению курсора на экране монитора в заданном направлении. Такое устройство часто применяется в компьютерных играх. В некоторых моделях в джойстик вмонтирован датчик давления. В этом случае, чем сильнее пользователь нажимает на ручку, тем быстрее движется курсор на экране дисплея.

Трекбол – небольшая коробка с шариком, встроенным в верхнюю часть корпуса. Пользователь ручкой вращает шарик, управляя тем самым перемещением экранного курсора. В отличие от мыши, трекбол не требует свободного пространства около компьютера, его можно встроить в корпус машины.

Пенмаус – аналог шариковой ручки, на конце которой установлено устройство регистрации величины перемещения.

К устройствам ввода графических данных относятся сканеры, дигитайзеры, цифровые камеры.

Сканеры – это устройство для ввода в компьютер изображений, нанесенных на прозрачной или непрозрачной плоской поверхности. Они позволяют вводить в компьютер изображения текстов, рисунков, слайдов, фотографий, чертежей и других графических данных. В большинстве устройств для преобразования изображений в цифровую форму применяются матрица или линейка светочувствительных элементов.

По способу перемещения считывающей головки носителя изображении друг относительно друга сканеры подразделяются на планшетные, ручные, рулонные и проекционные.

Операционная система Windows и прикладные программы взаимодействуют со сканером через программный интерфейс TWAIN. .

Устройства хранения данных

Потребность в периферийных внешних устройствах хранения данных диктуется главным образом необходимостью в резервном копировании на них ценных данных с целью их долгосрочного хранения. Кроме того, эти устройства используют для переноса данных на другие компьютеры.

Кроме встроенных устройств (CD ROM, жестких дисков) и упомянутых выше периферийных переносных устройств (ZIP, ZIV, Trumb, HDD IBM Microdrive) для этих целей применяют также следующие периферийные устройства.

Стримеры (накопители на магнитной ленте) имеют лентопротяжный механизм, который работает в инерционном режиме, и позволяют хранить данные объемом несколько сотен мегабайт. Ввиду низкой конкурентной способности и скорости работы в сравнении с новыми видами носителей используются редко.

JAZ-накопители компании Iomega имеют объем до нескольких гигабайт и являются достаточно надежными устройствами хранения и переноса данных.

Тенденцией последнего времени является все более широкое использование оптических накопителей для архивирования, переноса больших объемов данных, быстрого их использования. Оптические диски удобны в транспортировке. По высокой надежности и долговременности хранения данных в настоящее время им практически не равных.