Аппаратное обеспечение компьютера

К аппаратному обеспечению относятся устройства, образующую конфигурацию компьютера. Различают внутренние и внешние устройства. Согласование между отдельными узлами и блоками выполняется с помощью аппаратно-логических устройств, называемых аппаратными интерфейсами. Стандарты на аппаратные интерфейсы называют протоколами. Протокол - это совокупность технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств.

Персональный компьютер - универсальная техническая система, конфигурацию которой можно изменять по мере необходимости. Тем ни менее существует понятие базовой конфигурации. В настоящее время базовая конфигурация состоит из 4 составляющих

системный блок

монитор

клавиатура

мышь.

Системный блок

Системный блок - основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока называются внутренними, а подключаемые к нему снаружи - внешними и периферийными. Основной характеристикой корпуса системного блока является параметр, называемый форм-фактором. От него зависят требования, предъявляемые к размещаемым устройствам. Форм-фактор системного блока обязательно должен быть согласован с форм-фактором главной (системной, материнской) платы. В настоящее время наиболее распространенны корпуса с форм-фактором ATX. Корпуса поставляются вместе с блоком питания.

Внутренние устройства системного блока

Материнская плата - основная плата компьютера. На ней размещаются:

процессор - основная микросхема, выполняющая арифметические и логические операции - мозг компьютера. Процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называются регистрами. Часть регистров являются командными, то есть такими, которые воспринимают данные как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах. Управляя засылкой данных в разные регистры, можно управлять обработкой данных. На этом основано исполнение программ. С остальными устройствами процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами. Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина. Адресная шина состоит из 32 параллельных проводников(32-разрядная). По ней передаются адреса ячеек оперативной памяти. К ней подключается процессор для копирования данных из ячейки ОП в один из своих регистров. Само копирование происходит по шине данных. В современных компьютерах она, как правило, 64-разрядная, т.е. одновременно на обработку поступает 8 байт. По командной шине передаются команды из той области ОП, в которой хранятся программы. В большинстве современных компьютеров командная шина 32-разрядная, но есть уже и 64-разрядные.

Основными характеристиками процессора являются разрядность, тактовая частота и кэш-память. Разрядность указывает, сколько бит информации процессор может обработать за один раз (один такт). Тактовая частота определяет количество тактов за секунду, например, для процессора выполняющего около 3 миллиардов тактов за секунду тактовая частота равна 3 Ггц/сек. Обмен данными внутри процессора происходит быстрее, чем с оперативной памятью. Для того, чтобы уменьшить число обращений к ОП, внутри процессора создают буферную область - кэш-память. Принимая данные из ОП, процессор одновременно записывает их в кэш-память. При последующем обращении процессор ищет данные в кэш-памяти. Чем больше кэш-память, тем быстрее работает компьютер.

микропроцессорный комплект (чипсет) - набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств и определяющих основные функциональные возможности материнской платы.

шины - наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами .

оперативная память - набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных

Оперативная память(RAM - random access memory) - массив ячеек, способных хранить данные. память может быть динамической и статической. Ячейки динамической памяти можно представить в виде микроконденсаторов, накапливающих электрический заряд. Динамическая память является основной оперативной памятью компьютера. Ячейки статической памяти представляют собой тригеры - элементы в которых хранится не заряд, а состояние (включен/выключен). Этот вид памяти более быстрый, но и более дорогой и используется в т.н. кэш-памяти, предназначенной для оптимизации работы процессора. Оперативная память размещается на стандартных панельках (модулях, линейках). Модули вставляются в специальные разъёмы на материнской плате.

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство. В момент включения компьютера его оперативная память пуста. Но процессору, чтобы начать работать, нужны команды. Поэтому сразу после включения на адресной шине выставляется стартовый адрес. Это происходит аппаратно. Этот адрес указывает на ПЗУ. В ПЗУ находятся "зашитые" программы, которые записываются туда при создании микросхем ПЗУ и образуют базовую систему ввода-вывода(BIOS - Base Input/Output System). Основное назначение этого пакета - проверить состав и работоспособность базовой конфигурации компьютера и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жёстким диском и дисководом гибких дисков.

разъёмы для подключения дополнительных внутренних устройств (слоты).

Жёсткий диск

Жёсткий диск - устройство для долговременного хранения больших объёмов данных и программ.

На самом деле, это не один диск, а группа дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой скоростью. Над поверхностью каждого диска располагается головка чтения-записи. При высоких скоростях вращения возникает аэродинамическая подушка между поверхностью диска и головкой. При изменении силы тока, протекающего через головку, меняется напряженность магнитного поля в зазоре, что вызывает изменение магнитного поля ферромагнитных частиц, образующих покрытие диска. Так осуществляется запись на диск. Чтение происходит в обратном порядке. Намагниченные частицы наводят в головке ЭДС самоиндукции, возникают электромагнитные сигналы, которые усиливаются и передаются на обработку. Управление работой жёсткого диска осуществляется специальным устройством - контроллером жесткого диска. Функции контроллера частично вмонтированы в жёсткий диск, а частично находятся на микросхемах чипсета. Отдельные виды высокопроизводительных контроллеров поставляются на отдельной плате.

Дисковод гибких дисков

Для оперативного переноса небольших (до 1.4Мб) объёмов информации используются гибкие диски, которые вставляют в специальный накопитель - дисковод.

Дисковод для компакт-дисков CD или DVD

Принцип действия устройства CD состоит в считывании(записи) данных, с помощью лазерного луча, отражающегося от поверхности диска. При этом плотность записи, по сравнению с магнитными дисками, очень высокая. На стандартный CD-диск можно записать до 650Мб. Появление формата DVD ознаменовало собой переход на новый, более продвинутый, уровень в области хранения и использования данных, звука и видео. Первоначально аббревиатура DVD расшифровывалась, как digital video disc, это оптические диски с большой емкостью. Эти диски используются для хранения компьютерных программ и приложений, а так же полнометражных фильмов и высококачественного звука. Поэтому, появившаяся несколько позже расшифровка аббревиатуры DVD, как digital versatile disc, т.е. универсальный цифровой диск - более логична. Снаружи, диски DVD выглядят как обычные диски CD-ROM. Однако возможностей у DVD гораздо больше. Диски DVD могут хранить в 26 раз больше данных, по сравнению с обычным CD-ROM. Имея физические размеры и внешний вид, как у обычного компакт-диска или CD-ROM, диски DVD стали огромным скачком в области емкости для хранения информации, по сравнению со своим предком, вмещающим 650MB данных. Стандартный однослойный, односторонний диск DVD может хранить 4.7GB данных. Но это не предел -- DVD могут изготавливаться по двухслойному стандарту, который позволяет увеличить емкость хранимых на одной стороне данных до 8.5GB. Кроме этого, диски DVD могут быть двухсторонними, что увеличивает емкость одного диска до 17GB.

Видеокарта

Совместно с монитором видеокарта образует видеосистему компьютера. Видеокарта(видеоадаптер) выполняет все операции, связанные с управлением экраном монитора и содержит видеопамять в которой хранятся данные об изображении.

Звуковая карта

Звуковая карта выполняет операции, связанные с обработкой звука, речи, музыки. Звук воспроизводится через колонки (наушники), подключаемые к выходу звуковой карты. Имеется также разъём для подключения микрофона. Основным параметром ЗК является разрядность, Чем выше разрядность, тем меньше погрешность, связанная с оцифровкой, тем лучше звучание.

Порты (каналы ввода - вывода)

На задней стенке корпуса современных ПК размещены (точнее могут размещаться) следующие порты :

Game - для игровых устройств (для подключения джойстика)

VGA - интегрированный в материнскую плату VGA – контроллер для подключения монитора для офисного или делового ПК

COM - асинхронные последовательные (обозначаемые СОМ1—СОМЗ). Через них обычно подсоединяются мышь, модем и т.д.

PS/2 – асинхронные последовательные порты для подключения клавиатура и манипулятора мышь

LPT - параллельные (обозначаемые LPT1—LPT4), к ним обычно подключаются принтеры

USB - универсальный интерфейс для подключения 127 устройств (этот интерфейс может располагаться на передней или боковой стенке корпуса)

IEЕЕ-1394 (FireWire) - интерфейс для передачи больших объемов видео информации в реальном времени (для подключения цифровых видеокамер, внешних жестких дисков, сканеров и другого высокоскоростного оборудования). Интерфейсом FireWire оснащены все видеокамеры, работающие в цифровом формате. Может использоваться и для создания локальных сетей.

iRDA - инфракрасные порты предназначены для беспроводного подключения карманных или блокнотных ПК или сотового телефона к настольному компьютеру. Связь обеспечивается при условии прямой видимости, дальность передачи данных не более 1 м. Если в ПК нет встроенного iRDA адаптера, то он может быть выполнен в виде дополнительного внешнего устройства (USB iRDA адаптера), подключаемого через USB-порт.

Bluetooth ("блутус")- высокоскоростной микроволновый стандарт, позволяющий передавать данные на расстояниях до 10 метров. Если нет встроенного Bluetooth адаптера, то он может быть выполнен в виде дополнительного внешнего устройства (USB bluetooth адаптера), подключаемого через USB-порт. USB bluetooth адаптеры предназначены для беспроводного подключения карманных или блокнотных ПК, или сотового телефона к настольному компьютеру

Разъемы звуковой карты: для подключения колонок, микрофона и линейный выход.

Необходимо отметить, что наличие или отсутствие в ПК перечисленных портов зависит от его стоимости и уровня современности.

В системном блоке расположены основные узлы компьютера:

Системная или материнская плата (motherboard), на которой установлены дочерние платы (контроллеры устройств, адаптеры или карты) и другие электронные устройства:

блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, для электронных схем компьютера;

накопитель на жестком магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на несъемный жесткий магнитный диск (винчестер).

накопители на оптических дисках (типа DVD - RW или CD – RW), предназначенные для чтения и записи на компакт - диски

накопители (или дисководы) для гибких магнитных дисков, используемые для чтения и записи на дискеты;

устройства охлаждения

Периферийные устройства

Периферийные устройства подключаются к интерфейсам компьютера и предназначены для выполнения вспомогательных операций. По значению периферийные устройства можно подразделить на:

устройства ввода данных

Клавиатура - устройство ввода символьных данных.

Мышь - устройство командного управления

Сканеры, планшеты (дигитайзеры), цифровые фото и видео-камеры - устройства для ввода графических данных

устройства выхода данных

Принтеры

Лазерные. Обеспечивают высокое качество печати и высокую скорость.

Струйные. Главное назначение - цветная печать. Превосходят лазерные по показателю качество/цена.

устройства хранения данных

Флэш-диски. Устройство хранения данных на основе энергонезависимой флэш-памяти. Имеет минимальные размеры и допускает "горячее" подключение через разъём USB, после чего распознаётся как жёсткий диск. Объем флэш-диска может составлять от 32 Мб до нескольких Гб.

устройства обмена данными

Модем

Устройство, предназначенное для обмена информацией между удалёнными компьютерами по каналам связи. В зависимости от типа канала модемы подразделяют на радио-модемы, кабельные и т.д. Наиболее распространены модемы для телефонных линий.

Структурная схема и устройства ПК

Основным устройством ПК является материнская плата, которая определяет его конфигурацию. Все устройства ПК подключаются к этой плате с помощью разъемов расположенных на этой плате. Соединение всех устройств в единую систему обеспечивается с помощью системной магистрали (шины), представляющей собой линии передачи данных, адресов и управления.

Ядро ПК образуют процессор (центральный микропроцессор) и основная память, состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) или перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства ППЗУ. ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения данных. Подключение всех внешних устройств: клавиатуры, монитора, внешних ЗУ, мыши, принтера и т.д. обеспечивается через контроллеры, адаптеры, карты. Контроллеры, адаптеры или карты имеют свой процессор и свою память, т.е. представляют собой специализированный процессор.

Микропроцессор

Центральный микропроцессор (небольшая микросхема, выполняющая все вычисления и обработку информации) – это ядро ПК. В компьютерах типа IBM PC используются микропроцессоры фирмы Intel и совместимые с ними микропроцессоры других фирм.

Компоненты микропроцессора:

АЛУ выполняет логические и арифметические операции

Устройство управления управляет всеми устройствами ПК

Регистры используются для хранения данных и адресов

Схема управления шиной и портами – осуществляет подготовку устройств к обмену данными между микропроцессором и портом ввода – вывода, а также управляет шиной адреса и управления.

Основные характеристики процессора:

Разрядность – число двоичных разрядов, одновременно обрабатываемых при выполнении одной команды. Большинство современных процессоров – это 32 – разрядные процессоры, но выпускаются и 64 - разрядные процессоры.

Тактовая частота – количество циклов работы устройства за единицу времени. Чем выше тактовая частота, тем выше производительность.

Наличие встроенного математического сопроцессора

Наличие и размер Кэш- памяти.

Оперативная память

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM) - область памяти, предназначенная для хранения информации в течение одного сеанса работы с компьютером. Конструктивно ОЗУ выполнено в виде интегральных микросхем.

Из нее процессор считывает программы и исходные данные для обработки в свои регистры, в нее записывает полученные результаты. Название “оперативная” эта память получила потому, что она работает очень быстро, в результате процессору не приходится ждать при чтении или записи данных в память.

Однако быстродействие ОЗУ ниже быстродействия регистров процессора, поэтому перед выполнением команд процессор переписывает данные из ОЗУ в регистры. По принципу действия различают динамическую память и статическую.

Ячейки динамической памяти представляют собой микроконденсаторы, которые накапливают заряд на своих обкладках. Ячейки статической памяти представляют собой триггеры, которые могут находиться в двух устойчивых состояниях.

Основные параметры, которые характеризуют ОЗУ – это емкость и время обращения к памяти. ОЗУ типа DDR SDRAM (синхронная память с двойной скорость передачи данных) считается наиболее перспективной для ПК.

Кэш-память

Компьютеру необходимо обеспечить быстрый доступ к оперативной памяти, иначе микропроцессор будет простаивать, и быстродействие компьютера уменьшится. Поэтому современные компьютеры оснащаются Кэш-памятью или сверхоперативной памятью.

При наличии Кэш-памяти данные из ОЗУ сначала переписываются в нее, а затем в регистры процессора. При повторном обращении к памяти сначала производится поиск нужных данных в Кэш-памяти и необходимые данные из Кэш-памяти переносятся в регистры, поэтому повышается быстродействие.

Контроллеры

Только та информация, которая хранится в ОЗУ, доступна процессору для обработки. Поэтому необходимо, чтобы в его оперативной памяти находились программа и данные.

В ПК информация с внешних устройств (клавиатуры, жесткого диска и т.д.) пересылается в ОЗУ, а информация (результаты выполнения программ) с ОЗУ также выводится на внешние устройства (монитор, жесткий диск, принтер и т.д.).

Таким образом, в компьютере должен осуществляться обмен информацией (ввод-вывод) между оперативной памятью и внешними устройствами. Устройства, которые осуществляют обмен информацией между оперативной памятью и внешними устройствами называются контроллерами или адаптерами, иногда картами. Контроллеры, адаптеры или карты имеют свой процессор и свою память, т.е. представляют собой специализированный процессор.

Контроллеры или адаптеры (схемы, управляющие внешними устройствами компьютера) находятся на отдельных платах, которые вставляются в унифицированные разъемы (слоты) на материнской плате.

Системная магистраль

Системная магистраль (шина) - это совокупность проводов и разъемов, обеспечивающих объединение всех устройств ПК в единую систему и их взаимодействие.

Для подключения контроллеров или адаптеров современные ПК снабжены такими слотами как PCI. Слоты PCI – E Express для подключения новых устройств к более скоростной шине данных. Слоты AGP предназначены для подключения видеоадаптера

Для подключения накопителей (жестких дисков и компакт-дисков) используются интерфейсы IDE и SCSI. Интерфейс – это совокупность средств соединения и связи устройств компьютера.

Подключение периферийных устройств (принтеры, мышь, сканеры и т.д.) осуществляется через специальные интерфейсы, которые называются портами. Порты устанавливаются на задней стенке системного блока.

Слоты (разъемы) расширения конфигурации ПК предназначены для подключения дополнительных устройств к основной шине данных компьютера. К основным платам расширения, предназначенным для подключения к шине дополнительных устройств, относятся:

Видеоадаптеры (видеокарты)

Звуковые платы

Внутренние модемы

Сетевые адаптеры (для подключения к локальной сети)

SCSI – адаптеры

Внешняя память. Классификация накопителей

Для хранения программ и данных в ПК используются накопители различных типов. Накопители - это устройства для записи и считывания информации с различных носителей информации. Различают накопители со сменным и встроенным носителем.

По типу носителя информации накопители разделяются на накопители на магнитных лентах и дисковые накопители. К накопителям на магнитных лентах относятся стримеры и др. Более широкий класс накопителей составляют дисковые накопители.

По способу записи и чтения информации на носитель дисковые накопители разделяются на магнитные, оптические и магнитооптические.

К дисковым накопителям относятся:

накопители на флоппи-дисках;

накопители на несменных жестких дисках (винчестеры);

накопители на сменных жестких дисках;

накопители на магнитооптических дисках;

накопители на оптических дисках (CD-R CD-RW CD-ROM) с однократной записью и

накопители на оптических DVD – дисках DVD-R DVD-RW DVD-ROM