Устройство персонального компьютера

Лекция по теме 1.1(1.1.3)

Устройство персонального компьютера

для студентов очной формы обучения

Вопросы для рассмотрения:

1. Базовая аппаратная конфигурация ПК

2. Внутренние устройства системного блока

3. Системы, расположенные на материнской плате

4. Периферийные устройства ПК

1.Базовая аппаратная конфигурация ПК

Персональный компьютер (ПК) – универсальная техническая система. Его конфигурацию (состав оборудования) можно гибко менять по мере необходимости. Существует понятие базовой конфигурации:

• системный блок;

• монитор;

• клавиатура;

• мышь.

Системный блок - это основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты, называемые внутренними. Устройства, подключаемые к нему снаружи, называются внешними или периферийными.

По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса. Корпуса ПК выпускают в горизонтальном (desktop) и вертикальном (tower) исполнении. Корпуса, имеющие вертикальное исполнение, различают по габаритам: полноразмерный (big tower), среднеразмерный (midi tower) и малоразмерный (mini tower). Кроме формы, для корпуса важен параметр, называемый форм-фактором. От параметра форм-фактор зависят требования к размещаемым устройствам. В настоящее время используются корпуса big tower форм-фактора ATX. Форм-фактор корпуса обязательно должен быть согласован с форм-фактором главной платы компьютера – материнской платой.

Корпус ПК поставляется с блоком питания мощностью 250-300 Вт.

Монитор - устройство визуального представления данных. Его основные потребительские параметры: тип, размер и шаг маски экрана, максимальная частота регенерации изображения, класс защиты.

Тип монитора – на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) и плоские жидкокристаллические (ЖК).

Размер монитора измеряется между противоположными углами видимой части экрана по диагонали в дюймах (1дюйм=25.4 мм). В настоящее время наиболее универсальными являются мониторы размером 15"(ЖК) и17"(ЭЛТ).

Шаг маски (маска – панель перед люминофором с отверстиями для повышения четкости изображения) в современных мониторах 0.24-0.26 мм (расстояние между отверстиями).

Частота регенерации изображения показывает, сколько раз в течение секунды монитор может полностью сменить изображение и измеряется в герцах (Гц). Для ЭЛТ-мониторов частота 75-100 Гц, для ЖК-мониторов – 75 Гц. Чем больше частота, тем меньше утомление глаз.

Класс защиты монитора определяется стандартом, которому соответствует монитор с точки зрения безопасности.

Клавиатура - это клавишное устройство для ввода алфавитно-цифровых данных и команд управления.

Принцип действия клавиатуры заключается в следующем:

• При нажатии на клавишу (или комбинацию клавиш) контроллер клавиатуры генерирует скан-код.

1. Скан-код поступает в порт (микросхема, связывающая процессор с устройствами ПК) клавиатуры, который выдает прерывание с номером 9.

2. Процессор откладывает текущую работу и по номеру прерывания находит программу обработки прерывания.

3. Программа-обработчик направляет процессор к порту клавиатуры, где он находит скан-код нажатой клавиши, загружает его в свои регистры и затем под управлением обработчика определяет, какой код символа соответствует данному скан-коду.

4. Обработчик прерывания отправляет полученный код символа в буфер клавиатуры и прекращает свою работу.

5. Процессор возвращается к отложенной задаче.

6. Введенный символ хранится в буфере клавиатуры до тех пор, пока его не заберет оттуда программа, для которой он предназначался, например текстовый редактор.

Стандартная клавиатура имеет более 100 клавиш, функционально распределенных по нескольким группам:

1. Алфавитно-цифровые клавиши с типовой раскладкой QWERTY. Раскладки принято именовать по символам, закрепленным за первыми клавишами верхней строки алфавитной группы.

2. Функциональные клавиши, размещенные в верхней части клавиатуры (от F1 до F12).

3. Служебные клавиши (Shift, Enter, Backspace и др.). Они имеют увеличенный размер.

4. Клавиши управления курсором.

5. Клавиши дополнительной панели. Они дублируют действие цифровых и некоторых знаковых клавиш основной панели.

Мышь - это устройство управления манипуляторного типа. Перемещение мыши по плоской поверхности синхронизировано с перемещением указателя мыши на экране монитора.

В отличие от клавиатуры мышь не является стандартным органом управления, поэтому ПК не имеет для нее выделенного порта. В связи с этим в первый момент после включения компьютера мышь не работает. Она нуждается в поддержке специальной программы – драйвера мыши. Компьютером управляют перемещением мыши по плоскости и кратковременными нажатиями правой и левой кнопок (щелчок или клик). Перемещения мыши и щелчки являются событиями с точки зрения драйвера мыши. Анализируя эти события, он устанавливает, когда произошло событие, и в каком месте экрана в этот момент находился указатель. Эти данные передаются в прикладную программу, с которой пользователь работает в данный момент. По ним программа может определить команду, которую имел в виду пользователь, и приступить к ее исполнению.

Сегодня наиболее распространены мыши, в которых роль третьей кнопки играет колесико-регулятор, и появились оптические мыши (без шарика).

1. Внутренние устройства системного блока

Материнская плата

Это основная плата ПК. На ней размещаются:

• процессор – основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций;

• микропроцессорный комплект (чипсет) – набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера;

• шины – наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами и данными между устройствами компьютера;

• оперативная память – набор микросхем, предназначенных для временного хранения программ и данных при включенном компьютере;

• постоянное запоминающее устройство – микросхема для длительного хранения данных;

• слоты – разъемы для подключения дополнительных устройств.

Жесткий диск (HDD, НЖМД)

Это основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ. На самом деле это не один диск, группа соосных дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с большой скоростью. Над каждой поверхностью располагается головка чтения/записи. При высоких скоростях вращения дисков (90-250 об/с) в зазоре между головкой и диском образуется аэродинамическая подушка, и головка парит над магнитной поверхностью на высоте, составляющей несколько тысячных долей миллиметра. При изменении силы тока, протекающего через головку, происходит изменение напряженности динамического магнитного поля в зазоре, что вызывает изменения в стационарном магнитном поле ферромагнитных частиц, образующих покрытие диска. Так осуществляется запись на диск. При считывании данных намагниченные частицы покрытия, проносящиеся вблизи головки, наводят в ней ЭДС самоиндукции. Возникающие при этом электромагнитные сигналы усиливаются и передаются на обработку.

Управление работой жесткого диска выполняет специальное аппаратно-логическое устройство – контроллер жесткого диска.

Емкость жесткого диска зависит от технологии их изготовления. Сейчас на пластину может приходиться 40 и более Гбайт. Сегодня жесткие диски имеют очень высокий показатель внутренней передачи данных (до 30-60 Мбайт/с) и их производительность зависит от характеристик интерфейса, с помощью которого они связаны с материнской платой.

Среднее время доступа зависит от скорости вращения диска и лежит в пределах от 4-10 мкс.

Дисковод гибких дисков (FDD, НГМД)

Для оперативного переноса небольших объемов информации используются гибкие магнитные диски (дискеты), которые вставляются в специальный накопитель – дисковод. Сейчас стандартными считаются диски размером 3.5" емкостью 1.4 Мбайт. Гибкие диски считаются малонадежными носителями информации. В новейших компьютерах происходит постепенный отказ от этого типа носителей, которые вытесняются записывающими дисководами CD-RW.

Дисковод компакт-дисков CD-ROM

Принцип работы этого устройства состоит в считывании числовых данных с помощью лазерного луча, отражающегося от поверхности поликарбонатного диска. Стандартный диск может хранить примерно 650 Мбайт данных. На эти диски нельзя делать запись. Но в настоящее время существуют и устройства записи компакт-дисков CD-RW. Для записи используют специальные заготовки. Некоторые из них допускают однократную запись, другие – многократную.

Основным параметром дисководов CD-ROM является скорость чтения данных. Она измеряется в кратных долях. За единицу измерения принята скорость чтения музыкальных компакт-дисков, составляющая в пересчете на данные 150 Кбайт/с. Таким образом, дисковод с удвоенной скоростью чтения обеспечивает производительность 300 Кбайт/с, с учетверенной скоростью – 600 Кбайт/с и т.д. В настоящее время наибольшее распространение имеют 48-56 - скоростные устройства CD-ROM.

Видеокарта (видеоадаптер)

Совместно с монитором видеокарта образует видеоподсистему ПК. Все операции, связанные с управлением экраном, выделены в отдельный блок – видеоадаптер. Физически видеоадаптер выполнен в виде отдельной дочерней платы, которая вставляется в один из слотов материнской платы и называется видеокартой.

За время существования ПК сменилось несколько стандартов видеоадаптеров: MDA (монохромный), CGA (4 цвета), EGA (16 цветов), VGA (256 цветов). В настоящее время применяются видеоадаптеры SVGA, обеспечивающие по выбору до 16.7 миллионов цветов с возможностью произвольного выбора разрешения экрана из стандартного ряда значений (640×480, 800×600, 1024×768, 1152×864, 1280×1024 точек и далее).

Для каждого размера монитора существует свое оптимальное разрешение экрана, которое должен обеспечить видеоадаптер. Например, для современных программ типичное разрешение у монитора 17"ЭЛТ составляет 1024×768.

Звуковая карта

Звуковая карта явилась одним из наиболее поздних усовершенствований ПК. Она устанавливается в один из слотов материнской платы в виде дочерней карты и выполняет вычислительные операции, связанные с обработкой звуков, речи, музыки. Звук воспроизводится через внешние звуковые колонки, подключаемые к выходу звуковой карты. Специальный разъем позволяет отправить звуковой сигнал на внешний усилитель. Имеется также разъем для подключения микрофона, что позволяет записывать речь или музыку и сохранять их на жестком диске для последующей обработки и использования.

1. Системы, расположенные на материнской плате

Оперативная память (RAM, ОЗУ)

Существует много различных типов оперативной памяти, но с точки зрения физического принципа действия различают динамическую память и статическую память.

Ячейки динамической памяти можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Чтобы заряд не утекал с обкладок, в компьютере постоянно происходит регенерация ячеек оперативной памяти. Микросхемы динамической памяти используются в качестве основной оперативной памяти компьютера. Микросхемы статической памяти (триггеры, хранящие не заряд, а состояние – вкл/выкл) используют в качестве кэш-памяти.

Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках, называемых модулями. Модули вставляются в соответствующие разъемы на материнской плате. Сегодня типичным считается размер оперативной памяти в 256 Мбайт. Наиболее распространены сейчас модули типа DDR DIMM, обеспечивающие более быстрый доступ к памяти. Основными характеристиками модулей оперативной памяти является объем памяти и время доступа. Сегодня наиболее распространены модули объемом 128-512 Мбайт. Время доступа к современной памяти составляет 5 нс, (нс – наносекунда – миллиардная доля секунды).

Процессор

Это основная микросхема компьютера, производящая все вычисления. Конструктивно состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называются регистры. Управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных. На этом и основано выполнение программ. Для работы с вещественными данными в состав процессора входит сопроцессор.

С остальными устройствами компьютера процессор связан несколькими группами проводников – шинами:

• Адресная шина. У процессоров Pentium она 32-разрядная, к ней подключается процессор для копирования данных из ячейки оперативной памяти с указанным 32-разрядным адресом в один из своих регистров.

• Шина данных. По ней происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В современных ПК она 64-разрядная, т.е. за один раз на обработку поступает 8 байт.

• Шина команд. Это 32-разрядная шина для засылки команд из оперативной памяти в процессор, чтобы он мог обрабатывать данные.

Совокупность всех команд, которые может выполнить процессор, образуют систему команд процессора. Система команд процессора Pentium насчитывает более тысячи различных команд.

Основными параметрами процессоров являются:

• Рабочее напряжение. Раньше оно было 5 В, сейчас 2 В. Понижение напряжения позволяет увеличивать производительность без угрозы перегрева процессора.

• Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один такт. Современные процессоры – 32-разрядные.

• Рабочая тактовая частота. Чем выше тактовая частота, тем больше команд сможет исполнить процессор в единицу времени. Сегодня рабочие тактовые частоты некоторых процессоров уже превосходят 3 миллиарда тактов в секунду (3ГГц).

• Кэш-память – буферная память внутри процессора. Это как бы «сверхоперативная память». Когда процессору нужны данные, то он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит обращение в оперативную память.

Микросхема ПЗУ и система BIOS

В момент включения ПК в его оперативной памяти ничего нет, поэтому на адресной шине выставляется стартовый адрес, указывающий на постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). В микросхему ПЗУ «зашиты» программы, которые образуют базовую систему ввода/вывода (BIOS). Эти программы тестируют оборудование ПК и обеспечивают взаимодействие оборудования компьютерной системы.

Энергонезависимая память CMOS

Для того, чтобы начать работу с другим оборудованием, программы, входящие в BIOS, должны знать, где можно найти нужные параметры. Специально для этого на материнской плате есть микросхема «энергонезависимой памяти», по технологии изготовления называемая CMOS. От ПЗУ она отличается тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно при помощи программы SETUP, которая вызывается нажатием клавиши DELETE сразу после включения питания компьютера. Эта микросхема постоянно подпитывается от небольшой аккумуляторной батарейки, расположенной на материнской плате. В ней хранятся данные о гибких и жестких дисках, о процессоре и других устройствах ПК. Там также хранятся показания системных часов.

Таким образом, программы BIOS сначала считывают данные о составе оборудования из микросхемы CMOS, после чего они могут выполняться.

1. Периферийные устройства ПК

Периферийные устройства ПК подключаются к его интерфейсам и предназначены для выполнения вспомогательных операций.

По назначению периферийные устройства можно подразделить на:

• устройства ввода данных;

• устройства вывода данных;

• устройства хранения данных;

• устройства обмена данными.

Устройства ввода данных

1. Специальные клавиатуры. Они имеют специальную форму, другую раскладку или другой метод подключения к системному блоку (клавиатура Дворака). Они эргономичны, но на них надо специально учиться работать.

1. Устройства командного управления. Это специальные манипуляторы. Кроме мыши существуют и другие манипуляторы.

Трекбол устанавливается стационарно и его шарик приводится в движение рукой.

Тачпады – сенсорные пластины, реагирующие на движение пальца пользователя по поверхности. Удар по поверхности – аналог щелчка.

Пенмаус – ручка, на конце которой вместо пишущего узла установлен узел, реагирующий на перемещение.

Инфракрасная мышь отличается от обычной наличием устройства беспроводной связи с системным блоком.

Джойстики – манипуляторы рычажно-нажимного типа, применяются в компьютерных играх.

Устройство ввода графических данных.

Планшетные сканеры вводят информацию с прозрачного или непрозрачного листового материала. Луч света, отраженный от поверхности материала (или прошедший сквозь прозрачный материал), фиксируется приборами с зарядовой связью (ПЗС).

Штрих-сканеры используются для ввода данных, закодированных в виде штрих-кода.

Графические планшеты (дигитайзеры) предназначены для ввода художественной графической информации.

Цифровые фотокамеры обеспечивают разрешение до 1600×1200 точек и выше.

Устройства вывода данных

В качестве устройства вывода данных, дополнительных к монитору, используют печатающие устройства (принтеры).

1. Матричные принтеры. Данные выводятся на бумагу в виде оттиска, образующегося при ударе цилиндрических стержней (иголок) через красящую ленту. В настоящее время они практически не выпускаются.

1. Лазерные принтеры обеспечивают высокое качество и быстродействие. Изображение формируется путем закрепления красящего порошка (тонера) на участках светочувствительного барабана, имеющих статический заряд. Уже модели среднего качества обеспечивают разрешение печати до 600 dpi (точек на дюйм), а профессиональные модели - до 1800 dpi и выше.

2. Струйные принтеры. Изображение формируется из пятен, образующихся при попадающих капель красителя на бумагу. Они нашли широкое применение в цветной печати. Благодаря простоте конструкции они превосходят цветные лазерные принтеры по показателю качество/цена.

Устройства хранения данных

Используются для внешнего хранения данных.

1. Накопители на съемных магнитных дисках. Они приближаются к жестким дискам, но являются сменными. Например, ZIP-накопители могут хранить от 1 до 2 Гбайт данных.

1. Магнитооптические устройства получили распространение в компьютерах высокого уровня. С их помощью решаются задачи резервного копирования, обмена данными и их накопления. Однако достаточно высокая стоимость приводов и носителей не позволяет отнести их к устройствам массового спроса.

2. Флэш-диски – современные устройства на основе энергонезависимой флэш-памяти. Устройство имеет минимальные размеры и допускает «горячее» подключение в разъем USB, после чего распознается как жесткий диск. Объем может составлять от 32 Мбайт до 1 Гбайт.

Устройства обмена данными

1. Модем. Предназначен для обмена информацией между удаленными компьютерами по каналам связи (Модулятор+ДЕМодулятор). В зависимости от типа канала связи устройства приема/передачи подразделяют на радиомодемы, кабельные модемы и прочие. Наиболее широкое применение нашли модемы, ориентированные на подключение к коммутируемым телефонным каналам связи. Цифровые данные, поступающие в модем из компьютера, преобразуются в нем путем модуляции (по амплитуде, частоте, фазе) в соответствии с избранным протоколом и направляются в телефонную линию. Модем-приемник, понимающий данный протокол, осуществляет обратное преобразование (демодуляцию) и пересылает восстановленные цифровые данные в компьютер. Модемы бывают внутренние и внешние. К основным параметрам модемов относятся:

• производительность (бит/с);

• поддерживаемые протоколы связи и коррекции ошибок;

• шинный интерфейс для внутреннего модема (ISA или PCI).

Структурная схема ПК

Контрольные задания: 

1) Пользуясь конфигуратором компьютера на сайте https://www.dns-shop.ru/configurator/, подберите составные части современного персонального компьютера для работы в офисе

Пример:

2) Опишите основные параметры следующих моделей:

Процессор AMD Athlon X4 840 OEM

Материнская плата MSI A68HM-E33 V2

Корпус GiNZZU B190 [17221] черный

Видеокарта INNO3D GeForce GT 710 Silent LP [N710-1SDV-E3BX]

Оперативная память AMD Radeon R3 Value Series [R334G1339U1S-U] 4 ГБ

500 ГБ Жесткий диск Toshiba P300 [HDWD105UZSVA]

Блок питания Sven 450W [PU-450AN]

Внутренняя звуковая карта DEXP 4.0 PCI

Кулер для процессора ID-Cooling DK-01

1. Описание технических характеристик данных моделей найдите в Интернете.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение ЭВМ или компьютера.

2. Каково назначение ЭВМ или компьютера?

3. В каком году была предложена схема компьютера по фон Нейману?

4. Перечислите блоки, составляющие схему компьютера по фон Нейману.

5. В чем состоит принцип программного управления?

6. Перечислите состав устройств персонального компьютера.

7. Что такое системная (материнская) плата?

8. Перечислите основные характеристики персональных компьютеров.

9. Назовите основные элементы системного блока.

10. Чем определяется количество цветов изображения на экране монитора?

11. Чем отличается оперативная память компьютера от долговременной?

12. В чем назначение видеокарты?