Архитектура современных компьютеров была разработана еще в 1945 году. При таком методе команды и данные хранятся вместе в памяти компьютера. Набор команд, называемый программой, и данные загружаются в память. Память разделена на индивидуальные ячейки, так что и команды и данные в любой момент могут быть найдены.
Центральный процессор (ЦПУ) содержит программный счетчик, обеспечивающий порядок команд. После каждой операции программный счетчик продвигается на один шаг.
Другие компоненты ЦПУ, включают контрольный модуль, который руководит пошаговыми операциями по обработке данных; арифметический логический модуль (АЛМ), осуществляющий операции со сложением, вычитанием и сравнением.
Справа изображены шаги, объясняющие, как компьютер оперирует командами и данными, чтобы выполнить простое задание «сложение». Программа поручает компьютеру сложить два числа и запомнить их сумму - как приказано в третьей строке на экране (внизу), что читается как «30 С = А+Б». Для выполнения этой задачи требуется пройти много шагов, но каждый из них занимает всего тридцать биллионных секунды, и вычисления производятся очень быстро. Хотя внутри компьютера все числа записаны в двоичной системе исчисления, здесь они представлены в десятичной системе для облегчения чтения.
Инструктирование компьютера
Оператор записал короткую программу на компьютерном языке БЕЙСИК. Первые две строки под номерами 10 и 20 (слева) приказывают компьютеру извлечь цифры из клавиатуры. На диаграммах справа показано, как компьютер выполняет третью команду. Эта команда «С = А+Б» приказывает компьютеру сложить числа А и Б, а в четвертой строке содержится приказ запомнить результат. Строка 50 завершает программу. В данном случае А находится в ячейке 86, Б в ячейке 87, а С будет определено в ячейку 88.
1. Первые инструкции. Контрольный модуль получает команды из ячеек 78 и 79. После декодирования команд он знает, что должен доставить данные из ячейки 86.
2. Передвижение первого числа. Контрольный модуль копирует А - число «3» из ячейки 86, и помещает его в один из регистров - временное хранилище для небольшого количества данных.
3. Считывание команды «Сложение». Контрольный модуль получает следующую команду - команду «сложение» - из ячеек 80 и 81 и декодирует эти команды.
4. Считывание данных. Следуя командам, контрольный модуль копирует значение В, равное 2 из ячейки 87, и помещает его в АЛМ.
5. Сложение данных. Первое число берется из ЗУ центрального процессора и направляется в АЛМ, где осуществляются математические операции. Компьютер может сложить два числа.
6. Временное хранение. Сумма сложения временно хранится в регистре ЦПУ, пока в контрольный модуль не поступит дальнейших распоряжений от пользователя.
7. Суммирование. Контрольный модуль добывает из ячейки 82 команду сохранить данные в памяти в позиции 88, где они будут легко доступны для последующих вычислений
8. Хранение. Контрольный модуль помещает сумму, число «5», в ячейку 88 в соответствии с командой, завершив восемь операций, необходимых для выполнения одной стооки тоогоаммы.
Для успешного «общения» с компьютером вредно воспринимать его как черный ящик, который вот-вот выдаст что-то неожиданное. Чтобы понимать реакцию компьютера на Ваши действия, нужно знать как он устроен и как работает .
В этом IT-уроке узнаем, как работает большинство вычислительных устройств (к которым относятся не только персональные компьютеры).
Что обрабатывает всю информацию в компьютере
Основная задача компьютера – обрабатывать информацию , то есть выполнять вычисления. Большую часть вычислений выполняет специальное устройство – . Это сложная микросхема, содержащая сотни миллионов элементов (транзисторов).
Что в данный момент времени делать процессору говорит программа, она указывает, какие данные необходимо обработать и что с ними нужно сделать.
Программы и данные загружаются с накопителя (жесткого диска).
Но жесткий диск – относительно медленное устройство , и если бы процессор ждал, пока будет считываться информация, а потом записываться после обработки обратно, то он бы долго оставался без дела.
Не оставим процессор без дела
Поэтому между процессором и жестким диском установили более быстрое запоминающее устройство – (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ). Это небольшая печатная плата, на которой находятся быстрые микросхемы памяти.
В оперативную память заранее считываются с жёсткого диска все необходимые программы и данные. Во время работы процессор обращается к оперативной памяти , считывает команды программы, которая говорит какие данные нужно взять и как именно их обработать.
При выключении компьютера содержимое оперативной памяти не сохраняется в ней (в отличие от жесткого диска).
Процесс обработки информации
Итак, теперь мы знаем, какие устройства участвуют в обработке информации. Посмотрим теперь на весь процесс вычислений.
Когда компьютер выключен, все программы и данные хранятся на жестком диске. При включении компьютера и запуске программы , происходит следующее:
Ввод и вывод информации
Чтобы компьютер получил информацию для обработки, её нужно ввести. Для этого используются устройства ввода данных :
- Клавиатура (с помощью неё мы вводим текст и управляем компьютером);
- Мышь (с помощью мыши мы управляем компьютером);
- Сканер (заносим изображение в компьютер);
- Микрофон (записываем звук) и т.д.
Для вывода результата обработки информации используются устройства вывода данных :
- Монитор (выводим изображение на экран);
- Принтер (выводим текст и изображение на бумагу);
- Акустические системы или «колонки» (слушаем звуки и музыку);
Кроме того, мы можем вводить и выводить данные на другие устройства с помощью:
- Внешних накопителей
(с них мы копируем уже имеющиеся данные в компьютер):
- флэшка,
- компакт-диск (CD или DVD),
- переносной жесткий диск,
- дискета;
- Компьютерной сети (получаем данные с других компьютеров через Интернет или городскую сеть).
Если в нашу схему добавить устройства ввода-вывода, то получится вот такая диаграмма:
То есть компьютер работает с ноликами и единичками , а когда информация поступает на устройство вывода, она переводится в привычные нам образы (изображение, звук).
Подводим итог
Итак, сегодня мы вместе с сайтом узнали, как работает компьютер . Если кратко, то компьютер получает данные с устройств ввода (клавиатура, мышь и т.д.), заносит их на жесткий диск, затем передает в оперативную память и обрабатывает с помощью процессора. Результат обработки возвращается сначала в оперативную память, затем либо на жесткий диск, либо сразу на устройства вывода (например, монитор).
Если появились вопросы, можно задать их в комментариях к этой статье.
Обо всех перечисленных в сегодняшнем уроке устройствах Вы можете узнать подробнее из последующих уроков на сайте IT-уроки. Чтобы не пропустить новые уроки – подпишитесь на новости сайта .
Копирование запрещено
Напомню, что на сайте IT-уроки есть постоянно обновляемые справочники:
Видео-дополнение
Сегодня небольшое познавательное видео о производстве процессоров.
P.S. В следующем уроке – Внешнее устройство компьютера , описание внешних разъемов, индикаторов и кнопок. Не пропустите!
Мир активно компьютеризируется. Но, вместе с тем, принципы работы домашних, планшетных и иных ПК не всегда активно изучаются пользователями. Рассмотрим основные аспекты, касающиеся устройства компьютера, его производительности и особенностей функционирования программ.
Основные принципы работы компьютера
Главная задача компьютера - это вычисление. Остальные операции и сколько-нибудь значимые с точки зрения потребностей человека действия, выполняемые на нем - суть производные. Структура вычислений, о которых идет речь, многоуровневая. Изучение ее поможет нам понять, как работает компьютер.
На самом низком уровне микросхемы ПК "обрабатывают" биты - двоичные сигналы, состоящие из нулей и единиц. Никаких других цифр на этом уровне нет, и на нем компьютер, скорее, не вычисляет что-то, а правильно расставляет последовательность нулей и единиц. Для чего? Дело в том, что 8 битов образуют байт. Который, в свою очередь, становится основой следующего уровня вычислений.
Несложно подсчитать, что возможное количество комбинаций битов в одном байте - 256, то есть 2 в 8-й степени. Почему 2? Потому что цифр в бите, как мы уже сказали выше, только две - 0 и 1. На практике объединение битов в байты позволяет "закодировать" в последних некую информацию. Например, букву, цифру или, скажем, знак препинания. Как работает компьютер на этом уровне? Он преобразует байты в практически значимые для человека объекты на экране - текст, пиксели, составляющие картинку, звуки и т. д.
Следующий уровень - это вычисления, связанные с операциями с той информацией, что составлена из байтов. То есть если это текст, то это может быть его редактирование, форматирование, печать. Если музыка или видео - то проигрывание, запись и т. п.
Таковы основные принципы того, как работает компьютер. Вместе с тем, каждый из уровней, отмеченных выше, не существует отдельно от другого. Вместе они формируют операционную среду вычислений. Которая также неоднородна. Исходя из современных теоретических представлений в области информатики, специалисты выделяют два компонента операционной среды, в которой происходят вычисления, - аппаратное и программное обеспечение. Изучим особенности каждого.
Аппаратное обеспечение
Аппаратная часть (на сленге IT-специалистов - "железо", реже "хард", от англ. Hardware) - это все микросхемы, механизмы и устройства, обеспечивающие работу компьютера. Классификация компонентов аппаратного обеспечения может быть разной. Все зависит от конкретного типа устройства. Что касается типично "домашних" ПК, то "железо", установленное на нем, представлено набором следующих компонентов:
1. Системный блок. В нем, как правило, располагаются:
- процессор;
- материнская плата;
- видеокарта;
- аудиокарта;
- оперативная память;
- жесткий диск;
- DVD или CD-привод;
- сетевая карта.
2. Монитор.
3. Средства управления - как правило, это клавиатура и мышь.
4. Периферийные устройства - модемы, принтеры, сканеры, роутеры и т. д.
Возможен вариант, при котором какие-то из вышеперечисленных устройств взаимным образом интегрированы. Например, ряд моделей материнских плат включает в себя встроенную видео- и аудиокарту. Многое зависит от типа вычислительной техники. Например, то, как работает планшетный компьютер, может отличаться от основных принципов функционирования десктопа - настольного ПК.
Программное обеспечение
Следующий компонент операционной среды, в которой осуществляются вычисления, - это программное обеспечение, или ПО (называемое также на сленге специалистов софтом). Оно представляет собой набор алгоритмов, позволяющих управлять "железом". То есть без программного обеспечения аппаратные компоненты компьютера не несут никакой пользы. Даже на самом первом уровне, где ПК обрабатывает нули и единицы - и там "железо" действует согласно запрограммированным алгоритмам.
Опять же, в зависимости от типа компьютера, механизмы классификации софта могут различаться. В годы, когда IT-индустрия только зарождалась, существовали целые инженерные дисциплины, слушатели которых осваивали то, как научиться работать на компьютере, представлявшем собой прибор размером с гараж. Что касается современных домашних ПК, ситуация, конечно, проще. Большинство видов ПО представляют собой дружелюбный, понятный на уровне интуиции, снабженный подробной справкой, рассчитанной на среднестатистического пользователя, инструмент управления. Исходя из представлений современных теоретиков, программы можно подразделить на следующие основные типы:
Системное ПО (дает возможность пользователю решать задачи, связанные с функциями ПК: как посмотреть, сколько компьютер работает, какие программы запущены и т. д.);
Прикладное ПО (предназначено для решения практически значимых для пользователя задач - печатания текста, рисования, программирования, прослушивания музыки, просмотра видео и т. д.).
Но четкой границы между этими двумя типами программного обеспечения нет. Например, задача: "Как узнать, сколько работает компьютер по времени?" (вроде бы, типично системная) может быть поставлена с прикладной целью. Например, с тем, чтобы запрограммировать запуск какой-то программы или файла по расписанию.
Как работает компьютер в плане взаимодействия аппаратного обеспечения и ПО? Очень просто. Пользователь ставит перед машиной "задачу", вводя данные в программу с помощью элемента управления ПК - клавиатуры или мыши. Например: "сделать шрифт текста красным" (на практике - выделив нужную область букв на экране и нажав на соответствующую область палитры в Word). Программа "сообщает" аппаратному обеспечению (условимся, что монитору и видеокарте), что необходимо выдать на экран такой-то участок красного цвета. Видеокарта и монитор, "взаимодействуя" между собой, выдают пользователю нужный результат: текст на выбранном участке становится красным. Разумеется, все это происходит за доли секунды.
При этом скорость принятия решений компьютером предопределяется особой его характеристикой - производительностью. Если она высокая, то "железо" сможет принимать больше "распоряжений" от программ за единицу времени, вследствие чего пользователь решает свои задачи быстрее. Рассмотрим данный аспект.
Производительность ПК
Производительность ПК зависит главным образом от уровня технологичности "железа". Хотя и грамотность, и качество проработки алгоритмов в ПО - тоже важное условие. Бывает так, что какой-то компонент аппаратного обеспечения может быть высокопроизводительным, но программа, "управляющая" им, неспособна в полной мере задействовать имеющийся ресурс. В архитектуре современных "домашних" ПК за производительность отвечают два базовых вида "железа" - это процессор и оперативная память. Почему именно они?
Процессор
Как работает процессор компьютера? Какова его главная задача? Работает он подобно многим другим типам микросхем. В кристалле кремния присутствуют области, ответственные за обработку нулей и единиц, объединение их в байты и последующую передачу их в "компетенцию" других компонентов аппаратного обеспечения (равно как и обратные операции).
Изобретение процессора стало настоящей находкой в компьютерной индустрии. Долгое время в вычислительных машинах данного компонента попросту не было: операции с цифрами распределялись по разным участкам аппаратного обеспечения. Но в конце 60 - начале 70-х годов инженеры все же решили, что целесообразнее концентрировать ключевые, а в математическом плане - наиболее сложные, операции в одной микросхеме, "шефствующей" над другими.
Производительность процессора измеряется в тактовой частоте, количестве операций в секунду. Единица измерения здесь - Герц. На практике, если говорить о современных моделях микросхем, речь идет, как правило, о сотнях миллионов, о миллиардах операций в секунду. Поэтому при фабричной маркировке соответствующий показатель производительности процессоров выражается в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц). Общее правило: чем цифра выше, тем быстрее будет работать "шефствующая" микросхема ПК, а значит, и весь компьютер в целом.
Следует отметить нюанс: современные процессоры, выполняя большое количество операций, как правило, сильно греются. Как узнать, работал ли компьютер? Нужно просто приложить руку к системному блоку. Если он ощутимо теплый, значит, его только что выключили.
На процессоры, таким образом, нужно ставить кулер. Иначе главная микросхема перегорит. Как работает кулер компьютера? Он попросту дует на процессор мощным потоком холодного воздуха, остужая его. Мощность кулера выражается в оборотах в минуту. Чем этот показатель выше, тем эффективнее охлаждается процессор.
Оперативная память
Как работает память компьютера - другой важнейший аппаратный ресурс ПК, прямо влияющий на его производительность? Дело в том, что процессор, в силу особенностей своей структуры, не наделен способностью оперативно, тактически "запоминать" производимые вычислительные операции с тем, чтобы использовать их результаты в дальнейшем. "Шефствующей" микросхеме нужен "блокнот" для того, чтобы фиксировать промежуточные итоги работы с цифрами.
И этим самым блокнотом выступает оперативная память. Называется она также ОЗУ. Или оперативно-запоминающее устройство. Чем больше "блокнот" по объему, тем эффективнее будет происходить управление остальными микросхемами, и тем быстрее будет работать компьютер в целом. Основной ресурс оперативной памяти - это ее емкость. Исчисляется она в байтах - тех самых базовых единицах информации, о которых шла речь выше. Но, если говорить о современных моделях ПК, соответствующие показатели выражаются в сотнях миллионов и гигабайтах единиц емкости - в мегабайтах (МБ) и гигабайтах (ГБ).
Кстати, оперативная память и процессор имеют ряд общих признаков. Касательно первого аппаратного компонента - у ОЗУ тоже есть показатель, отражающий количество операций в секунду. Соответственно, чем он больше, тем эффективнее происходит взаимодействие между памятью и процессором: у них будет возможность "бежать" в одном темпе.
В свою очередь, у процессора тоже есть немного встроенной ОЗУ. Называется она "кэш-память". Чем ее больше - тем меньше у "шефствующей" микросхемы будет повода "отвлекать" основную оперативную память, и тем производительнее будет работа ПК в целом.
Как заставить компьютер работать быстрее? Способ один - установить на него процессор или ОЗУ с как можно большими показателями по основным характеристикам. Безусловно, в каких-то аспектах важны параметры также и иных аппаратных компонентов - той же видеокарты, жесткого диска. Но ключевые элементы, влияющие на производительность, - это процессор и память. Если их мощности низкие, то характеристики других видов "железа" иметь значения не будут. Вместе с тем, полезно будет узнать, какого рода задачи выполняют некоторые "подотчетные" процессору аппаратные компоненты.
Видеокарта
Начнем с видеокарты. Она отвечает за визуализацию вычислений, представление их результатов перед пользователем. Интересно, что в видеокарте есть свой процессор и своя память. Причем, по характеристикам (частоте и объему) они могут в ряде случаев даже превосходить "шефствующие" компоненты. И это совершенно нормально, исходя из задач, возлагаемых на видеокарту. Дело в том, что современные компьютерные игры требуют очень большой производительности ПК. Ресурсов основного процессора и памяти может попросту не хватать на необходимые вычисления. Поэтому современные видеокарты берут на себя значительную часть операций, в результате чего обработка данных идет быстрее. Итог радует - игра не "тормозит" и не "виснет".
Поэтому вопрос о том, как заставить компьютер работать быстрее, может оказаться особенно актуален, если на ПК стоит устаревшая, обладающая скромными характеристиками, видеокарта.
Производительность данного аппаратного компонента измеряется одновременно и в тактовой частоте - мегагерцах и гигагерцах, и в объеме встроенной памяти - мегабайтах и гигабайтах. Однако, как мы уже сказали выше, просто заменить одну видеокарту другой, как правило, недостаточно. Ключевые аппаратные компоненты производительности ПК - процессор и память. Их, вероятно, также придется менять на более мощные, вслед за видеокартой.
Монитор
Как работает монитор компьютера? Дело в том, что сама по себе видеокарта, как и процессор, функционирует на уровне "нулей и единиц". Естественно, что человек понять соответствующий набор цифр не может. Монитор - это устройство, которое призвано "переводить" сигналы с видеокарты в понятные нам символы и картинки. Как проверить, как работает компьютер? В большинстве случаев достаточно просто включить монитор. Если изображение есть - значит, все функционирует нормально. Исторически именно рассматриваемый аппаратный компонент предшествовал появлению многих других - в частности, того же процессора. С точки зрения практической полезности компьютера, роль монитора исключительно важна, и это очевидно. Как правило, характеристики этого компонента прямо не влияют на производительность. Монитор - это скорее пассивный вид "железа", выполняющий функцию посредника между машиной и пользователем. Однако иногда может иметь значение его размер. Слишком маленький монитор может оказаться неудобен для решения пользовательских задач.
Основных критериев стандартизации два - разрешение и величина диагонали. Первый выражается в пикселях, или "точках" - количестве единичных элементов изображения на экране по горизонтали и вертикали. Второй - как правило, в дюймах, но иногда и в сантиметрах.
Жесткий диск
Выше мы сказали, что процессор может испытывать потребность в "блокноте" для записи тактических результатов операций. Жесткий диск, называемый также "винчестером", - это ресурс, где фиксируются данные на постоянной основе. Своего рода "тетрадь" процессора. Практически значимые для человека результаты вычислений процессора - это файлы: текстовые, графические, мультимедийные. Они-то и хранятся на жестком диске.
Главная характеристика данного аппаратного компонента - объем. Выражается он, по аналогии с принципами, реализованными в ОЗУ, в байтах. На практике - в мегабайтах, гигабайтах и даже терабайтах. Соответственно, чем больше цифра, отражающая объем жесткого диска, тем больше файлов на нем может быть размещено. Еще один показатель производительности "винчестера" - количество оборотов в минуту. Дело в том, что он в буквальном смысле является диском, крутится вокруг своей оси. Чем быстрее, тем оперативнее записываются или считываются файлы.
Баланс знаний и навыков
Знание основных принципов работы ПК - одно из условий того, как научиться работать на компьютере. Во многих случаях пользователи ограничиваются освоением навыков конкретных программ, не особенно задумываясь о том, как так получается, что данный тип ПО так замечательно работает. Конечно, не считая рассмотренных выше аспектов, есть большое количество интересных областей, которые можно изучить. Например, тех, что дают ответ на вопрос о том, как работает блок питания компьютера, модем, сетевая карта, принтер, проводные и Wi-Fi-интерфейсы и т. д. Но, обладая базовыми знаниями в области аппаратных компонентов ПК, всегда легко понять особенности функционирования любых других видов "железа".
Глава 3
Начинаем «вскрытие»
А вместо сердца – пламенный мотор.
Из песенки о революционерах-киборгах
И снова здравствуйте! Это на тот случай, если первая часть показалась вам слишком простой и вы начали читать книгу с данной главы.
Специально для таких читателей озвучим краткое содержание предыдущих глав. Мы пришли к выводу, что компьютер нам необходим, потратили немного времени и нервов на его покупку, привезли домой и попытались разобраться, где его лучше всего расположить в квартире.
В общем, теперь у нас есть рабочая машина, на которой (при наличии элементарных навыков) можно выполнять необходимую работу или осуществлять не менее необходимый отдых. Но при постоянном общении с ПК у любопытного человека рано или поздно обязательно возникнет вопрос: «А как это все работает?» В этой части книги мы попытаемся на него ответить. Не бойтесь, уговор о сведении к минимуму количества умных слов и запутанных определений остается в силе.
Видимые и невидимые части компьютера. Краткий обзор
Итак, перед вами компьютер (см. рис. 1.1). Возможно, ваша машина внешне отличается от приведенной на рис. 1.1, но, скорее всего, незначительно. Чтобы убедиться в этом, предлагаем провести что-то типа переклички. Перечислим основные части компьютера (вашего и нашего, изображенного на рисунке) в порядке возрастания их значимости.
Мышь (это устройство еще называют манипулятор типа «мышь» ) предназначена исключительно для управления компьютером. На заре становления компьютерной техники люди обходились без этого устройства, однако в наши дни вы, наверное, уже и не встретите ПК без мыши. Управлять компьютером с помощью мыши просто и наглядно, по этой причине начинающие пользователи очень любят данный инструмент. Однако как ни крути, а часто ну просто никак не обойтись без другого, не менее уважаемого инструмента управления, который называется…
Клавиатура – устройство для ввода информации в компьютер и управления им. Вот уж без чего точно не обойтись (хотя мы видали компьютеры без клавиатур).
Монитор нам уже слегка знаком, а подробно о нем мы поговорим в главе 7.
Системный блок (часто его называют «системник»). Собственно, это и есть компьютер. Именно в системном блоке расположены все компоненты, которые только и ждут команд от мыши и клавиатуры, чтобы выполнить поставленную вами задачу. Нужно четко представлять, что системный блок – это не одно устройство. Именно в нем самым причудливым (для начинающих пользователей) образом соединяются и совместно работают процессор, оперативная память, видеокарта и многие другие устройства. Причем все они должны соединяться друг с другом не только физически, но и функционально (то есть работать как единое целое). Если добавить немного образности в наше повествование, то можно сказать, что в «системнике» находится спинной и головной «мозг» вашего компьютера.
Тут кто-то скажет: «А у меня на компьютерном столе есть еще колонки, принтер, сканер и это… Не знаю, как называется эта штуковина». Согласимся с данным утверждением, к тому же его вполне можно считать удачной подводкой к двум основным определениям этого раздела.
Определения
Внутренние (встроенные) устройства – это компоненты компьютера, находящиеся внутри системного блока.
Внешние устройства – это приспособления, работающие вне системного блока (к последнему они, как правило, подключаются с помощью различных соединительных проводов).
Необходимо добавить, что некоторые внутренние устройства (например, модем) имеют внешние аналоги (рис. 3.1). Как правило, внешние устройства стоят дороже (поскольку им необходим собственный корпус, источник питания, соединительный кабель и т. д.), но зато их можно подключить в считанные минуты, не разбирая корпус системного блока.
Рис. 3.1. Внутренний (слева) и внешний (справа) модемы
В следующих разделах и главах рассматриваемой части мы подробно и обстоятельно познакомимся с большинством комплектующих компьютера. Для облегчения понимания начнем с внутренних устройств (или устройств, которые чаще встречаются как внутренние), а затем перейдем к внешним. Готовы? Поехали!
Персональный компьютер - универсальная техническая система.
Его конфигурацию (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости.
Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. В таком комплекте компьютер обычно поставляется.
Понятие базовой конфигурации может меняться.
В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают четыре устройства:
- системный блок;
- монитор;
- клавиатуру;
- мышь.
Помимо компьютеров с базовой конфигурации все большее распространение получают мультимедийные компьютеры, оснащенные устройством чтения компакт-дисков, колонками и микрофоном.
Справка : «Юлмарт», на сегодняшний день самый хороший и удобный интернет магазин, где бесплатно вас проконсультируют при покупке компьютера любой конфигурации.
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, называют внешними.
Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными.
Как устроен системный блок
По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса.
Корпуса персональных компьютеров выпускают в горизонтальном (desktop) и вертикальном (tower) исполнении.
Корпуса, имеющие вертикальное исполнение, различают по габаритам:
- полноразмерный (big tower);
- среднеразмерный (midi tower);
- малоразмерный (mini tower).
Среди корпусов, имеющих горизонтальное исполнение, выделяют плоские и особо плоские (slim).
Выбор того или иного типа корпуса определяется вкусом и потребностями модернизации компьютера.
Наиболее оптимальным типом корпуса для большинства пользователей является корпус типа mini tower.
Он имеет небольшие габариты, его удобно располагать как на рабочем столе, так и на тумбочке вблизи рабочего стола или на специальном держателе.
Он имеет достаточно места для размещения от пяти до семи плат расширения.
Кроме формы, для корпуса важен параметр, называемый форм-фактором.От него зависят требования к размещаемым устройствам.
В настоящее время в основном используются корпуса двух форм-факторов: AT и АТХ.
Форм-фактор корпуса должен быть обязательно согласован с форм-фактором главной (системной) платы компьютера, так называемой материнской платы.
Корпуса персональных компьютеров поставляются вместе с блоком питания и, таким образом, мощность блока питания также является одним из параметров корпуса.
Для массовых моделей достаточной является мощность блока питания 200-250 Вт.
В системный блок входит (вмещается):
- Материнская плата
- Микросхема ПЗУ и система BIOS
- Энергонезависимая память CMOS
- Жесткий диск
Материнская плата
Материнская плата (mother board ) - основная плата персонального компьютера, представляющая из себя лист стеклотекстолита, покрытый медной фольгой.
Путем травления фольги получают тонкие медные проводники соединяющие электронные компоненты.
На материнской плате размещаются:
- процессор - основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций;
- шины - наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;
- оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) - набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен;
- ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) - микросхема, предназначенная для длительного хранения данных, в том числе и когда компьютер выключен;
- микропроцессорный комплект (чипсет) - набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы;
- разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты).
(микропроцессор, центральный процессор, CPU) - основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления.
Он представляет из себя большую микросхему, которую можно легко найти на материнской плате.
На процессоре устанавливается большой медный ребристый радиатор, охлаждаемый вентилятором.
Конструктивно процессор состоит из ячеек, в которых данные могут не только храниться, но и изменяться.
Внутренние ячейки процессора называют регистрами.
Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах.
Среди регистров процессора есть и такие, которые в зависимости от своего содержания способны модифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных.
На этом и основано исполнение программ.
С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами.
Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.
Адресная шина
У процессоров Intel Pentium (а именно они наиболее распространены в персональных компьютерах) адресная шина 32-разрядная, то есть состоит из 32 параллельных линий. В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комбинация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.
Шина данных
По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на базе процессоров Intel Pentium, шина данных 64-разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.
Шина команд
Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, но не из тех областей, где хранятся массивы данных, а оттуда, где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. Самые простые команды укладываются в один байт, однако есть и такие, для которых нужно два, три и более байтов. В большинстве современных процессоров шина команд 32-разрядная (например, в процессоре Intel Pentium), хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже 128-разрядные.
В процессе работы процессор обслуживает данные, находящиеся в его регистрах, в поле оперативной памяти, а также данные, находящиеся во внешних портах процессора.
Часть данных он интерпретирует непосредственно как данные, часть данных - как адресные данные, а часть - как команды.
Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора.
Основными параметрами процессоров являются:
- рабочее напряжение
- разрядность
- рабочая тактовая частота
- коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты
- размер кэш памяти
Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения.
Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт).
В основе работы процессора лежит тот же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов.
В настенных часах такты колебаний задает маятник; в ручных механических часах их задает пружинный маятник; в электронных часах для этого есть колебательный контур, задающий такты строго определенной частоты.
В персональном компьютере тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате.
Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность.
Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью.
Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область - так называемую кэш память.Это как бы «сверхоперативная память».
Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память.
Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш память.
«Удачные» обращения в кэш память называют попаданиями в кэш.
Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш памяти, поэтому высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш памяти.
Нередко кэш память распределяют по нескольким уровням.
Кэш первого уровня выполняется в том же кристалле, что и сам процессор, и имеет объем порядка десятков Кбайт.
Кэш второго уровня находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле, что и процессор, хотя и исполняется на отдельном кристалле.
Кэш-память первого и второго уровня работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора.
Кэш-память третьего уровня выполняют на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещают на материнской плате вблизи процессора. Ее объемы могут достигать нескольких Мбайт, но работает она на частоте материнской платы.
Шинные интерфейсы материнской платы
Связь между всеми собственными и подключаемыми устройствами материнской платы выполняют ее шины и логические устройства, размещенные в микросхемах микропроцессорного комплекта (чипсета).
От архитектуры этих элементов во многом зависит производительность компьютера.
Шинные интерфейсы
ISA (Industry Standard Architecture) - устаревшая системная шина IBM PC-совместимых компьютеров.
EISA (Extended Industry Standard Architecture) - Расширение стандарта ISA. Отличается увеличенным разъемом и увеличенной производительностью (до 32 Мбайт/с). Как и ISA, в настоящее время данный стандарт считается устаревшим.
PCI (Peripheral Component Interconnect - дословно: взаимосвязь периферийных компонентов) - шина ввода/вывода для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера.
AGP (Accelerated Graphics Port - ускоренный графический порт) - разработанная в 1997 году компанией Intel, специализированная 32-битная системная шина для видеокарты. Основной задачей разработчиков было увеличение производительности и уменьшение стоимости видеокарты, за счет уменьшения количества встроенной видеопамяти.
USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная магистраль) - Этот стандарт определяет способ взаимодействия компьютера с периферийным оборудованием. Он позволяет подключать до 256 различных устройств, имеющих последовательный интерфейс. Устройства могут включаться цепочками (каждое следующее устройство подключается к предыдущему). Производительность шины USB относительно невелика и составляет до 1.5 Мбит/с, но для таких устройств, как клавиатура, мышь, модем, джойстик и тому подобное, этого достаточно. Удобство шины состоит в том, что она практически исключает конфликты между различным оборудованием, позволяет подключать и отключать устройства в «горячем режиме» (не выключая компьютер) и позволяет объединять несколько компьютеров в простейшую локальную сеть без применения специального оборудования и программного обеспечения.
Параметры микропроцессорного комплекта (чипсета) в наибольшей степени определяют свойства и функции материнской платы.
В настоящее время большинство чипсетов материнских плат выпускаются на базе двух микросхем, получивших название «северный мост» и «южный мост».
«Северный мост» управляет взаимосвязью четырех устройств: процессора, оперативной памяти, порта AGP и шины PCI. Поэтому его также называют четырехпортовым контроллером.
«Южный мост» называют также функциональным контроллером. Он выполняет функции контроллера жестких и гибких дисков, функции моста ISA - PCI, контроллера клавиатуры, мыши, шины USB и тому подобное
(RAM - Random Access Memory) - это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные.
Существует много различных типов оперативной памяти, но с точки зрения физического принципа действия различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM).
Ячейки динамической памяти (DRAM) можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках.
Это наиболее распространенный и экономически доступный тип памяти.
Недостатки этого типа связаны, во-первых, с тем, что как при заряде, так и при разряде конденсаторов неизбежны переходные процессы, то есть запись данных происходит сравнительно медленно.
Второй важный недостаток связан с тем, что заряды ячеек имеют свойство рассеиваться в пространстве, причем весьма быстро.
Если оперативную память постоянно не «подзаряжать», утрата данных происходит через несколько сотых долей секунды.
Для борьбы с этим явлением в компьютере происходит постоянная регенерация (освежение, подзарядка) ячеек оперативной памяти.
Регенерация осуществляется несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы.
Ячейки статической памяти (SRAM) можно представить как электронные микроэлементы - триггеры, состоящие из нескольких транзисторов.
В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и, соответственно, дороже.
Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной памяти компьютера.
Микросхемы статической памяти используют в качестве вспомогательной памяти (так называемой кэш памяти), предназначенной для оптимизации работы процессора.
Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается числом.
Одна адресуемая ячейка содержит восемь двоичных ячеек, в которых можно сохранить 8 бит, то есть один байт данных.
Таким образом, адрес любой ячейки памяти можно выразить четырьмя байтами.
Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках, называемых модулями.
Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате.
Конструктивно модули памяти имеют два исполнения - однорядные (SIMM-модули) и двухрядные (DIMM-модули).
Основными характеристиками модулей оперативной памяти являются объем памяти и время доступа.
Время доступа показывает, сколько времени необходимо для обращения к ячейкам памяти - чем оно меньше, тем лучше. Время доступа измеряется в миллиардных долях секунды (наносекундах, нс).
Микросхема ПЗУ и система BIOS
В момент включения компьютера в его оперативной памяти нет ничего - ни данных, ни программ, поскольку оперативная память не может ничего хранить без подзарядки ячеек более сотых долей секунды, но процессору нужны команды, в том числе и в первый момент после включения.
Поэтому сразу после включения на адресной шине процессора выставляется стартовый адрес.
Это происходит аппаратно, без участия программ (всегда одинаково).
Процессор обращается по выставленному адресу за своей первой командой и далее начинает работать по программам.
Этот исходный адрес не может указывать на оперативную память, в которой пока ничего нет.
Он указывает на другой тип памяти - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).
Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию, даже когда компьютер выключен.
Программы, находящиеся в ПЗУ, называют «зашитыми» - их записывают туда на этапе изготовления микросхемы.
Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода (BIOS - Basic Input Output System).
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.
Программы, входящие в BIOS, позволяют нам наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера, а также вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры.
Энергонезависимая память CMOS
Работа таких стандартных устройств, как клавиатура, может обслуживаться программами, входящими в BIOS, но такими средствами нельзя обеспечить работу со всеми возможными устройствами.
Так, например, изготовители BIOS абсолютно ничего не знают о параметрах наших жестких и гибких дисков, им не известны ни состав, ни свойства произвольной вычислительной системы.
Для того чтобы начать работу с другим оборудованием, программы, входящие в состав BIOS, должны знать, где можно найти нужные параметры.
По очевидным причинам их нельзя хранить ни в оперативной памяти, ни в постоянном запоминающем устройстве.
Специально для этого на материнской плате есть микросхема «энергонезависимой памяти», по технологии изготовления называемая CMOS.
От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не стирается во время выключения компьютера, а от ПЗУ она отличается тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы.
Эта микросхема постоянно подпитывается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате.
Заряда этой батарейки хватает на то, чтобы микросхема не теряла данные, даже если компьютер не будут включать несколько лет.
В микросхеме CMOS хранятся данные о гибких и жестких дисках, о процессоре, о некоторых других устройствах материнской платы.
Тот факт, что компьютер четко отслеживает время и календарь (даже и в выключенном состоянии), тоже связан с тем, что показания системных часов постоянно хранятся (и изменяются) в CMOS.
Таким образом, программы, записанные в BIOS, считывают данные о составе оборудования компьютера из микросхемы CMOS, после чего они могут выполнить обращение к жесткому диску, а в случае необходимости и к гибкому, и передать управление тем программам, которые там записаны.
Жесткий диск
Жесткий диск - основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ.
На самом деле это не один диск, а группа соосных дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой скоростью.
Таким образом, этот «диск» имеет не две поверхности, как должно быть у обычного плоского диска, а 2n поверхностей, где n - число отдельных дисков в группе.
Над каждой поверхностью располагается головка, предназначенная для чтения-записи данных.
При высоких скоростях вращения дисков (90 об/с) в зазоре между головкой и поверхностью 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 данных на магнитный диск.
Операция считывания происходит в обратном порядке.
Намагниченные частицы покрытия, проносящиеся на высокой скорости вблизи головки, наводят в ней ЭДС самоиндукции.
Электромагнитные сигналы, возникающие при этом, усиливаются и передаются на обработку.
Управление работой жесткого диска выполняет специальное аппаратно-логическое устройство - контроллер жесткого диска.
В настоящее время функции контроллеров дисков выполняют микросхемы, входящие в микропроцессорный комплект (чипсет), хотя некоторые виды высокопроизводительных контроллеров жестких дисков по-прежнему поставляются на отдельной плате.
К основным параметрам жестких дисков относятся емкость и производительность.
На жестком диске может храниться годами, однако иногда требуется ее перенос с одного компьютера на другой.
Несмотря на свое название, жесткий диск является весьма хрупким прибором, чувствительным к перегрузкам, ударам и толчкам.
Теоретически, переносить информацию с одного рабочего места на другое путем переноса жесткого диска возможно, и в некоторых случаях так и поступают, но все-таки этот прием считается нетехнологичным, поскольку требует особой аккуратности и определенной квалификации.
Для оперативного переноса небольших объемов информации используют так называемые гибкие магнитные диски (дискеты), которые вставляют в специальный накопитель - дисковод.
Приемное отверстие накопителя находится на лицевой панели системного блока.
Начиная с 1984 года выпускались гибкие диски 5.25 дюйма высокой плотности (1.2 Мбайт).
В наши дни диски размером 5.25 дюйма не используются, и соответствующие дисководы в базовой конфигурации персональных компьютеров после 1994 года не поставляются.
Гибкие диски размером 3.5 дюйма выпускают с 1980 года.
Сейчас стандартными считают диски размером 3.5 дюйма высокой плотности. Они имеют емкость 1440 Кбайт (1.4 Мбайт) и маркируются буквами HD (high density - высокая плотность).
С нижней стороны гибкий диск имеет центральную втулку, которая захватывается шпинделем дисковода и приводится во вращение.
Магнитная поверхность прикрыта сдвигающейся шторкой для защиты от влаги, грязи и пыли.
Если на гибком диске записаны ценные данные, его можно защитить от стирания и перезаписи, сдвинув защитную задвижку так, чтобы образовалось открытое отверстие.
Гибкие диски считаются малонадежными носителями информации.
Пыль, грязь, влага, температурные перепады и внешние электромагнитные поля очень часто становятся причиной частичной или полной утраты данных, хранившихся на гибком диске.
Поэтому использовать гибкие диски в качестве основного средства хранения информации недопустимо.
Их используют только для транспортировки информации или в качестве дополнительного (резервного) средства хранения.
Дисковод компакт-дисков CD-ROM
Аббревиатура CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) переводится на русский язык как постоянное запоминающее устройство на основе компакт-диска.
Принцип действия этого устройства состоит в считывании числовых данных с помощью лазерного луча, отражающегося от поверхности диска.
Цифровая запись на компакт-диске отличается от записи на магнитных дисках очень высокой плотностью, и стандартный компакт-диск может хранить примерно 650 Мбайт данных.
Большие объемы данных характерны для мультимедийной информации (графика, музыка, видео), поэтому дисководы CD-ROM относят к аппаратным средствам мультимедиа.
Программные продукты, распространяемые на лазерных дисках, называют мультимедийными изданиями.
Сегодня мультимедийные издания завоевывают все более прочное место среди других традиционных видов изданий.
Так, например, существуют книги, альбомы, энциклопедии и даже периодические издания (электронные журналы), выпускаемые на CD-ROM.
Основным недостатком стандартных дисководов CD-ROM является невозможность записи данных, но параллельно с ними существуют и устройства однократной записи CD-R (Compact Disk Recorder), и устройства многократной записи CD-RW.
Основным параметром дисководов CD-ROM является скорость чтения данных.
В настоящее время наибольшее распространение имеют устройства чтения CD-ROM с производительностью 32х-50х. Современные образцы устройств однократной записи имеют производительность 4х-8х, а устройств многократной записи - до 4х.