Устройство компьютера

Занятие по рабочей программе №04

Дисциплина: БД.08 «Информатика»

Раздел 1. Информация и информационная деятельность человека.

Тема: Устройство компьютера.

1. Цель занятия:

   1. Дидактическая:

• сформулировать представление студентов об устройстве персонального компьютера (ПК) и информационных процессах;

• выяснить характеристики основных модулей ПК;

• определение некоторых дополнительных модулей ПК;

• систематизировать и обобщить знания по хранению информационных объектов на различных цифровых носителях;

• углубить и закрепить знания по дисциплине «Информатика».

Воспитательная:

• развивать коммуникативные способности;

• развивать аналитические способности;

• развивать творческий подход к процессу обучения.

• воспитывать самостоятельность, дисциплинированность;

• стимулировать студентов к изучению дисциплины;

• побуждать к формированию активной жизненной позиции;

• прививать уважение и любовь к будущей профессии.

Вид занятия: лекция.

Тип занятия: обобщение и систематизация знаний.

Форма проведения занятия: репродуктивная и эвристическая беседа.

Междисциплинарные связи:

Обеспечивающие Математика, Охрана труда, Безопасность жизнедеятельности.

Обеспечиваемые

Информационные технологии в профессиональной деятельности, и др.

Методическое обеспечение: опорный конспект.

Литература:

1. Филимонова, Е.В. Информационные технологии в профессиональной деятельности : учебник. – Изд-е 2-е, доп. и перераб. – Ростов н/Д : Феникс, 2008. – 381. – (СПО)., стр. 14 – 25

ХОД ЗАНЯТИЯ

1. Ознакомление с темой, целью и планом занятия.

Тема: Устройство компьютера.

ПЛАН

1. Основы архитектуры ЭВМ.

2. Структура ПК.

3. Характеристики основных модулей ПК.

4. Некоторые дополнительные модули ПК.

1. Изложение и изучение нового материала.

ЛИТЕРАТУРА: [3], стр. 14 – 25

1. Основы архитектуры ЭВМ

Составные части, из которых состоит компьютер, называют модулями. Среди всех модулей выделяют основные модули, без которых работа компьютера невозможна, и остальные модули, которые используются для решения различных задач: ввода и вывода графической информации, подключения к компьютерной сети и т.д.

В основу построения большинства ЭВМ положены принципы, сформулированные в 1945 году Джоном фон Нейманом:

1. Принцип программного управления (программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в заданной последовательности).

2. Принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными).

3. Принцип адресности (основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек).

ЭВМ, построенные на этих принципах, имеют классическую архитектуру (архитектуру фон Неймана). Архитектура ЭВМ – это её логическая организация, структура и ресурсы. Архитектура определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов ЭВМ:

• процессора;

• оперативного ЗУ (запоминающего устройства);

• внешних ЗУ;

• периферийных устройств.

Функции памяти:

• приём информации от других устройств;

• запоминание информации;

• передача информации по запросу в другие устройства машины.

Память делят, на:

основную:

1. ОЗУ (оперативно запоминающее устройство);

2. ПЗУ (постоянное запоминающее устройство);

внешнюю (устройства внешней памяти позволяют длительно хранить информацию).

Носители внешней памяти: жесткие и гибкие магнитные диски, а также лазерные диски (CD). Прежде, чем использовать, диски форматируют на дорожки и секторы.

К функциям периферийных устройств относятся ввод и вывод информации.

Функции процессора:

1. Обработка данных по заданной программе (выполнение над ними арифметических и логических операций)– функция АЛУ (арифметико-логического устройства);

2. Программное управление работой устройств ЭВМ – функция УУ (устройства управления).

В состав процессора входят также регистры (процессорная память) – ряд специальных запоминающих ячеек.

Регистры выполняют две функции:

• кратковременное хранение числа или команды;

• выполнение над ними некоторых операций.

Важнейшие регистры:

• счетчик команд (служит для автоматической выборки команд программы из последовательных ячеек памяти, в нем хранится адрес выполняемой команды);

• регистр команд и состояний (служит для хранения кода команды).

Команда – это элементарная операция, которую должна выполнить ЭВМ. Команда содержит:

• код выполняемой операции;

• адреса операндов;

• адрес размещения результата.

2. Структура ПК

Рассмотрим классическую архитектуру персонального компьютера

В системном блоке находятся все основные узлы компьютера:

• материнская плата;

• электронные схемы (процессор, контроллеры устройств и т.д.);

• блок питания;

• дисководы (накопители).

Рассмотрим характеристики основных модулей ПК.

Рис.1. Взаимодействие процессора и ОЗУ

3. Характеристики основных модулей ПК

3.1. Материнская плата

Материнская (системная, главная) плата является центральной частью любого компьютера. На материнской плате размещаются в общем случае центральный процессор, сопроцессор, контроллеры, обеспечивающие связь центрального процессора с периферийными устройствами, оперативная память (RAM), кэш-память, элемент ROM-BIOS (базовой системы ввода/вывода), аккумуляторная батарея, кварцевый генератор тактовой частоты и слоты (разъемы) для подключения других устройств.

Общая производительность материнской платы определяется не только тактовой частотой, но и количеством (разрядностью) данных, обрабатываемых в единицу времени центральным процессором, а также разрядностью шины обмена данных между различными устройствами материнской платы.

По функциональному назначению шины делятся на:

• шину данных;

• адресную шину;

• шину управления.

По шине данных происходит обмен данными между центральным процессором, картами расширения и памятью. Разрядность шины данных варьируется от 8-ми битов (сейчас не используется) до 64-х битов в материнских платах современных PC.

По адресной шине происходит адресация ячеек памяти, в которые производится запись данных.

По шине управления или системной шине происходит передача управляющих сигналов между центральным процессором и периферией. На материнской плате системная шина заканчивается слотами для установки других устройств. Адресные шины и шины данных иногда занимают одни и те же физические проводники.

В настоящее время существует несколько стандартов шин: ISA (Industry Sland art Architecture), MCA (MicroChannel Architecture), EISA (Extended ISA), VESA (Video Electronics SlandarlAssollallon), PCI (Peripheral Component Interconnect), USB (Universal Serial BUS).

Архитектура материнских плат постоянно совершенствуется: увеличивается их функциональная насыщенность, повышается производительность. Стало стандартом наличие на материнской плате таких встроенных устройств, как двухканальный E-IDE-контроллер HDD (жёстких дисков), контроллер FDD (гибких (floppy) дисков), усовершенствованного параллельного (LPT) и последовательного (COM) портов, а также последовательного инфракрасного порта.

Порт – многоразрядный вход или выход в устройстве.

3.2. Процессор

В общем случае под процессором понимают устройство, производящее набор операций над данными, представленными в цифровой форме (двоичным кодом). Применительно к вычислительной технике под процессором понимают центральное процессорное устройство (CPU), обладающее способностью выбирать, декодировать и выполнять команды, а также передавать и принимать информацию от других устройств. Проще говоря, процессор – это электронная схема, выполняющая обработку информации.

Производство современных персональных компьютеров начались тогда, когда процессор был выполнен в виде отдельной микросхемы.

Количество фирм, разрабатывающих и производящих процессоры для IBM-совместимых компьютеров, невелико. В настоящее время известны: Intel, Cyrix, AMD, NexGen, Texas Instrument.

Кроме процессоров, которые составляют основу IBM-совместимых персональных компьютеров, существует целый класс процессоров, составляющих параллельную платформу. Среди самых известных: персональные компьютеры американской фирмы Apple, для которых используются процессоры типа Power PC, имеющие принципиально другую архитектуру; ПК выпускаемые фирмой Motorola и др. Производительность персональных компьютеров на основе процессоров Power PC значительно выше, чем у IBM-совместимых, поэтому, несмотря на значительную разницу в цене, для серьезных профессиональных приложений им отдают предпочтение.

Производительность CPU характеризуется следующими основными параметрами:

1. тактовой частотой;

2. степенью интеграции;

3. внутренней и внешней разрядностью обрабатываемых данных;

4. памятью, к которой может адресоваться CPU.

Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет за одну секунду (измеряется в МГц). Тактовая частота определяет быстродействие процессора.

Степень интеграции микросхемы показывает, сколько транзисторов (самый простой элемент любой микросхемы) может поместиться на единице площади. Для процессора Pentium Intel эта величина составляет приблизительно 3 млн. на 3,5 кв.см, у Pentium Pro – 5 млн.

Внутренняя разрядность процессора определяет, какое количество битов он может обрабатывать одновременно при выполнении арифметических операций (в зависимости от поколения процессоров – от 8 до 32 битов). Внешняя разрядность процессора определяет, сколько битов одновременно он может принимать или передавать во внешние устройства (от 16 до 64 и более в современных процессорах).

Для процессора различают внутреннюю (собственную) тактовую частоту процессора (с таким быстродействием могут выполняться внутренние простейшие операции) и внешнюю (определяет скорость передачи данных по внешней шине). Количество адресов ОЗУ, доступное процессору, определяется разрядностью адресной шины.

С бурным развитием мультимедиа приложений перед разработчиками процессоров возникли проблемы увеличения скорости обработки огромных массивов данных, содержащих графическую, звуковую или видео информацию. В результате возникли дополнительно устанавливаемые специальные процессоры DSP.

3.3. Память

Центральный процессор имеет доступ к данным, находящимся в оперативной памяти (физическое устройство памяти называется ОЗУ - оперативное запоминающее устройство или RAM – Random Access Memory). Работа компьютера с пользовательскими программами начинается после того как данные будут считаны из внешней памяти в ОЗУ.

ОЗУ работает синхронно с центральным процессором и имеет малое время доступа. Оперативная память сохраняет данные только при включенном питании. Отключение питания приводит к необратимой потере данных, поэтому пользователю, работающему с большими массивами данных в течение длительного времени, рекомендуют периодически сохранять промежуточные результаты на внешнем носителе.

По способу реализации оперативная память делится на динамическую и статическую.

Основными характеристиками ОЗУ являются: количество ячеек памяти (адреса) и время доступа к информации, определяемое интервалом времени, в течение которого информация записывается в память или считывается из нее.

Основой ОЗУ являются микросхемы памяти (chips), которые объединяются в блоки (банки) различной конфигурации. При комплектации банков различными микросхемами необходимо следить, чтобы время доступа у них не различалось больше, чем на 10 нс.

Для нормального функционирования системы большое значение имеет согласование быстродействия центрального процессора и ОЗУ.

Кэш-память. Кэш-память предназначена для согласования скорости работы сравнительно медленных устройств, таких, например как динамическая память с быстрым микропроцессором. Использование кэш-памяти позволяет избежать циклов ожидания в его работе, которые снижают производительность всей системы.

С помощью кэш-памяти обычно делается попытка согласовать также работу внешних устройств, например, различных накопителей, и микропроцессора. Соответствующий контролер кэш-памяти должен заботиться о том, чтобы команды и данные, которые будут необходимы микропроцессору в определенный момент времени, именно к этому моменту оказывались в кэш-памяти.

Рис.2. Системный блок

3.4. Винчестер

Винчестеры или накопители на жестких дисках – это внешняя память большого объема, предназначенная для долговременного хранения информации, объединяющая в одном корпусе сам носитель информации и устройство записи/чтения. По сравнению с дисководами винчестеры обладают рядом очень ценных преимуществ: объем хранимых данных неизмеримо больше (достигает 40 Гбайт и более), время доступа у винчестера на порядок меньше. Единственный недостаток: они не предназначены для обмена информацией (это касается стационарных, т.е. встраиваемых в корпус компьютера винчестеров, в настоящее время существуют сменные винчестеры).

Физические размеры винчестеров стандартизированы параметром, который называют форм-фактором (form factor).

Винчестер состоит из не скольких жестких (чаще алюминиевых) дисков, с нанесенным на поверхность магнитным слоем и расположенных друг под другом. Каждому диску соответствует пара головок записи/чтения. Зазор между головками и поверхностью дисков составляет 0,00005–0,00001 мм. Скорость вращения дисков в зависимости от модели находится в пределах 3600–7800 об/мин. При включенном компьютере диски винчестера постоянно крутятся, даже когда нет обращения к винчестеру, таким образом, экономится время на его разгон.

3.5. Клавиатура

О

Рис. 9. Клавиатура

на является основным устройством ввода информации в PC, несмотря на сильную конкуренцию со стороны мыши. Клавиатура преобразует механическое нажатие клавиши в так называемый скэн-код, который передается в контроллер клавиатуры на материнской плате. Контроллер в свою очередь инициализирует аппаратное прерывание, которое обслуживается специальной программой, входящей в состав ROM-BIOS. При поступлении скэн-кода от клавиш сдвига (t/) или переключателя (Shift, Caps Lock) изменение статуса клавиатуры записывается в ОЗУ. Во всех остальных случаях скэн-код трансформируется в ASCII-коды или расширенные коды, которые уже обрабатываются прикладной программой.

По конструктивному исполнению различают следующие виды клавиатуры: клавиатуры с пластмассовыми штырями, клавиатуры со щелчком, клавиатуры на микропереключателях или герконах, сенсорные клавиатуры. Клавиатуры различаются также количеством и расположением клавиш. Различают клавиатуры типа СГ, AT, MFII.

Для того чтобы на экране отображался символ, набранный с помощью англоязычной клавиатуры, необходим драйвер клавиатуры, который обычно является составной частью любой операционной системы.

2.6. Монитор

Мониторы являются важнейшими устройствами отображения информации. В настоящее время существует большое разнообразие типов мониторов.

2.6.1. Цифровые мониторы (TTL). Аналоговые мониторы

Под цифровыми мониторами понимаются устройства отображения зрительной информации на основе электронно-лучевой трубки, управляемой цифровыми схемами.

К цифровым относятся монохромные мониторы, снабженные видеокартами стандартов MDA и Hercules, цветные RGB-мониторы, предназначенные для подключения к карте стандарта EGA (enhanced graphic board). Монохромные мониторы способны отображать на экране только темные и светлые точки, иногда точки могут различаться интенсивностью. Hercules-мониторы имеют разрешение до 728´348 пикселов, небольшие габариты и вес меньше 10-ти кг. Блок развертки монитора получает синхроимпульсы от соответствующей видеокарты. RGB-мониторы способны отображать 16 цветов.

В аналоговых мониторах электронно-лучевая трубка управляется аналоговыми сигналами, поступающими от видеокарты. Принцип работы электронно-лучевой трубки монитора такой же, как у телевизионной трубки. Аналоговые мониторы способны поддерживать разрешение стандарта VGA (640´480 пикселов и выше )

4. Некоторые дополнительные модули ПК

4.1. Приводы компакт-дисков. CD-ROM

Приводы компакт-дисков (CDD) – необходимый атрибут современного компьютера. Применительно к компьютерам CD-ROM – это практически неизнашиваемое компактное устройство для хранения большого объема информации.

CD-ROM (Compact Disk-Read Only Memory) представляют собой диск диаметром 120 мм толщиной 1/2 мм и центральным отверстием диаметром 15 мм. Средняя область диска шириной 33 мм, предназначенная для хранения данных, представляет собой единый трек, закрученный в виде спирали.

Цифровые данные хранятся в виде чередующихся между собой по ходу спирали ямок, нанесенных на поверхности полиуглеродного пластика и ровных областей. Поверх этого пластикового слоя для лучшего отражения напыляется тонкий слой алюминия или золота, который также покрывается защитным слоем прозрачного пластика. Стандартные CD могу хранить до 700 Мбайт цифровой информации.

4.2. Манипуляторы

К данным устройствам можно отнести мышь, джойстик, трекбол.

Мыши и трекболы являются координаторными устройствами ввода информации в компьютер. В основном, эти устройства имеют две- три кнопки управления.

Первая мышь каталась на двух колесиках, которые были связаны с осями переменных резисторов. Перемещение такой мыши было прямо пропорционально изменению сопротивления переменных резисторов. В дальнейшем конструкция перетерпела значительные изменения. Ролики были перенесены внутрь корпуса, а с поверхностью стал соприкасаться твёрдый резиновый шарик.

В настоящее время большое распространение получили оптические и лазерные мыши.

Контрольные вопросы

1. Из каких элементов состоит компьютер?

2. Что понимается под архитектурой компьютера?

3. Перечислите функции памяти и процессора.

4. Перечислите виды компьютерных разъемов.

5. Какими параметрами можно охарактеризовать компьютер?

6. Что такое интегрированные устройства?

7. Назовите устройства для первичного ввода информации в компьютер.

8. Какие аппаратные средства применяются для хранения информации?

9. Назовите аппаратные средства обработки информации. Относятся ли к ним принтер, сканер и звуковая плата?

10. Приведите способы и средства передачи информации.

11. Какие устройства применяются для представления информации? Относятся ли к ним принтер, сканер и звуковая плата?

12. Перечислите типы процессоров и укажите их отличительные признаки.

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

1. Составить конспект лекции

2. Ответить письменно на контрольные вопросы.

Перечень рекомендуемых учебных изданий, Интернет-ресурсов, дополнительной литературы.

Основные источники:

1. Симонович, С. В. Информатика. Базовый курс : Учебник для вузов. 3 - е изд. Стандарт третьего поколения. – СПб., 2016

2. Гохберг, Г.С. Информационные технологии : учебник для студ. сред. проф. Образования / Гохберг, Г.С, Зафиевский, А.В., Короткин, А.А.- 5-е изд., стер. – М. : Издательский центр «Академия», 2010. – 208с.

3. Филимонова, Е.В. Информационные технологии в профессиональной деятельности : учебник. – Изд-е 2-е, доп. и перераб. – Ростов н/Д : Феникс, 2008. – 381. – (СПО).

4. Е.В. Михеева, О.И. Титова Информатика Учебник 6-е издание М., Издательский центр «Академия», 2011 г

Дополнительные источники:

1. Колесниченко, О.В., Шишигин, И.В. Аппаратные средства PC. 5-е издание. СПб. БХВ - Петербург, 2006.

2. Ральф Вебер. Сборка, конфигурирование, настройка, модернизация и разгон ПК. - ДиаСофт, 2007.

3. Гребенюк, Е.И., Гребенюк, Н.А. Технические средства информатизации: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / Е. И. Гребенюк, Н.А.Гребенюк. – 9-е изд., перераб. и доп. – М. : Издательский центр «Академия», 2014. – 352 с.

4. Максимов, Н. В., Партыка, Т. JI., Попов, И. И. Технические средства информатизации : учебник / Н. В. Максимов, Т. JI. Партыка, И. И. Попов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М. : ФОРУМ, 2010. — 608 с.

5. Гук, М. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия. – СПб. : Питер, 2003. – 928 с.

6. Технические средства информатизации. Учебное пособие. / Составитель А.Н. Попов. – Нижневартовск : НГСГК, - 2007. – 331 с.

Интернет - источники:

1. Электронный учебник по информатике и информационным технологиям - http://www.ctc.msiu.ru/

2. Тесты по информатике - http://www.ege.ru/

Преподаватель: Владимир Александрович Волков