Тема 2. Технические средства персональных компьютеров

Тема 2. Технические средства персональных компьютеров

Вопросы для изучения 1. 1 Представление информации в ПК 1. 2 Структурная схема ПК 1. 3 Основные устройства ПК (назнчение и характеристика, принципы организации и функционирования)

История и этапы развития ЭВМ Первая страница в истории создания вычислительных машин связана с именем французского философа, писателя, математика и физика Блеза Паскаля. В 1641 42 году он сконструировал механический вычислитель, который позволил складывать и вычитать числа. В 1673 году немецкий ученый Готфрид Лейбниц построил первую счетную машину, способную выполнять все четыре действия арифметики. Она послужила прототипом арифмометров. В начале 19 века (1823 – 1834) английский математик Чарльз Беббидж сформулировал основные положения, которые должны лежать в основе конструкции вычислительной машины принципиально нового типа.

Проект машины содержал все основные устройства вычислительных машин: память, арифметическое устройство, устройство управления, устройства ввода вывода. Вычислительные программы для этой машины были созданы Адой Лавлейс, которая по праву считается первой программисткой. Через 100 лет в 40 х годах 20 века удалось создать программируемую счетную машину на основе электромеханического реле. Эти машины не успели даже начать выпускать серийно, как появились первые ЭВМ на основе радиоламп. В вычислительных машинах первого поколения основными элементами были электронные лампы. Эти машины занимали громадные залы, весили сотни тонн и расходовали сотни киловатт электроэнергии. Их быстродействие и надежность были низкими, а стоимость достигала 500 700 тысяч долларов.

Появление более мощных и дешевых ЭВМ второго поколения стало возможным благодаря изобретению в 1948 году полупроводниковых устройств транзисторов. Главный недостаток машин первого и второго поколений заключался в том, что они собирались из большого числа компонент, соединяемых между собой. В ЭВМ третьего поколения (с середины 60 х годов ХХ века) стали использоваться интегральные микросхемы (чипы) устройства, содержащие в себе тысячи транзисторов и других элементов, но изготовляемые как единое целое, без сварных или паяных соединений этих элементов между собой. Это привело не только к резкому увеличению надежности ЭВМ, но и к сниижению размеров, энергопотребления и стоимости (до 50 тысяч долларов). История ЭВМ четвертого поколения началась в 1970 году, когда ранее никому не известная американская фирма INTEL создала большую интегральную схему (БИС), содержащую в себе практически всю основную электронику компьютера. Цена одной такой схемы (микропроцессора) составляла всего несколько десятков долларов, что в итоге и привело к снижению цен на ЭВМ до уровня доступных широкому кругу пользователей.

Если рассматривать историю вычислительной техники с точки зрения развития информационной технологии, то в ней можно выделить три этапа, кратко характеризуемые следующим образом. Первый этап (50— 60 е гг. ) — экономия машинных ресурсов. Машин мало, нерешенных задач счетного характера множество. Чтобы ускорить процесс кодирования (подготовки задач к решению), были созданы алгоритмические языки Алгол, Фортран и др. Второй этап (середина 60 х — начало 80 х гг. ) — экономия человеческих ресурсов. Успехи развития микроэлектроники привели к быстрому снижению удельной стоимости машинной операции и единицы объема оперативной памяти, тогда как расходы на разработку и сопровождение программ не снижались, а в ряде случаев имели тенденцию к росту. Третий этап (от начала 80 х гг. до настоящего времени) — формализация знаний. До середины 70 х гг. с ЭВМ работали в среднем один или несколько профессиональных программистов, задачей которых было программирование формализованных знаний.

1. 1 Представление информации в ПК Для того, чтобы использовать ЭВМ для обработки данных, необходимо располагать некоторым способом представления данных. Способ представления данных будет зависеть от того, для кого эти данные предназначены: - для человека (внешнее представление); - для ЭВМ (внутреннее представление).

Во внутреннем представлении данные могут быть описаны в: - в аналоговой (непрерывной); - цифровой (дискретной) формах. В соответствии с этим различают аналоговые и цифровые ЭВМ. Практически все используемые ЭВМ в настоящее время являются цифровыми. Таким образом, любые данные в современных ЭВМ представляются в виде целых чисел.

Любые аналоговые (непрерывные) информационные сигналы должны быть последовательно подвергнуты трем действиям 1 Дискретизация – это процесс разбиения сигнала на отдельные составляющие, взятые в определенные тактовые моменты времени t 0 , t 1 , t 2 … и через четко определенны тактовые интервалы времени Т. 2 Квантование – замена отдельных составляющих исходного дискретного значения сигнала ближайшим уровнем квантования, сдвинутых друг относительно друга на промежуток, называемый шагом квантования: 3 Кодирование – перевод значения уровня квантования в конкретный двоичный код

Во внешнем представлении все данные хранятся в виде файлов. Во многих случаях требуется ещё более высокий уровень организации данных на внешнем уровне, тогда данные группируются в базы данных. исходные внешнее внутреннее данные представление данных символы данных База изображения Данные данных, Целые в любой файл числа звук форме числа Рисунок 1. 3 - Уровни представления данных

Процедуры обработки данных также представляются на внешнем и внутреннем уровне. На внутреннем уровне каждая такая процедура представляет собой последовательность логических операций с целыми числами, и называется программой. исходная алгоритм программа задача текст Алгоритм программы машинный Задача ический на язык в любой язык алгоритмиче форме ском языке Рисунок 1. 4 - Уровни обработки данных

Минимальной единицей информации считается бит. Бит это величина, принимающая значение 0 или 1. Любая другая информация может быть закодирована последовательностью из нулей и единиц. Именно в таком виде вся информация представляется в памяти ЭВМ. Единицей памяти в современных ЭВМ считается байт. Байты это 8 разрядные двоичные числа вида 0000, 00000001, . . . , 1111. Один байт записывается в виде 8 двоичных знаков инфор мации нулей и единиц: 1 байт = 8 бит.

Для измерения памяти большого объема используются следую щие единицы: 1 Кбайт = 1024 байт (1 килобайт); 1 Мбайт = 1024 Кбайт (1 мегабайт); 1 Гбайт = 1024 Мбайт (1 гигабайт); 1 Тбайт = 1024 Гбайт (1 терабайт).

1. 2 Структурная схема ПК Классическая архитектура ЭВМ и принципы фон Неймана Архитектура ЭВМ общий принцип построения и организации работы, включая определение функционального состава основных узлов и блоков, а также структуры управляющих и информационных связей между ними, обеспечивающих реализацию заданных целей и характеристик. В группу создателей первая ЭВМ "Эниак" ( США в 1946 г. ) входил выдающийся ученый 20 века Джон фон Нейман , который предложил основные принципы построения ЭВМ: переход к двоичной системе счисления для представления информации; принцип хранимой программы.

Фон Нейман выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, предложил ее структуру (рисунок 2. 1): • устройство управления; • арифметико логическое устройство (процессор); • память; • внешняя память; • устройства ввода и вывода. Сплошные линии со стрелками на рисунке указывают направление потоков информации, пунктирные – управляющих сигналов от процессора к остальными узлам ЭВМ

Рисунок 2. 1– Архитектура ЭВМ Фон Неймана

Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название “фон неймановской архитектуры”. Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день – фон неймановские машины. Значительное отклонение от фон неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.

1. 3 Основные устройства ПК Конфигурация ЭВМ особенности ее конструкции, включая архитектуру, состав и характеристики основных ее составных частей и вспомогательных (периферийных) средств, а также организацию связей между ними. Характер конфигурации ПЭВМ как при их проектировании, так и выборе, определяется составом и сложностью задач, на которые они рассчитаны, включая требования, предъявляемые соответствующими средствами программного обеспечения.

Понятие минимальная (базовая) конфигурация ПЭВМ ( ПК ) связывается с конкретным типом центрального процессора, стандартными или минимальными для него размерами внутренней и внешней памяти, клавиатурой и монитором. Понятие базовая конфигурация ПЭВМ ( ПК ) обычно связывается с минимальным набором устройств обеспечивающих работу с ЭВМ.

Базовая конфигурация ЭВМ включает такие аппаратные устройства как: - системный блок, который включает в себя средства для выполнения команд и обработки данных, накопители для хранения программ и данных и устройства, управляющие другими блоками компьютера. - дисплей (монитор), предназначенный для вывода визуальной информации. - клавиатура, позволяющая вводить в компьютер алфавитно-цифровую информацию и специальные символы. - манипулятор мышь, предназначенный для ввода информации в компьютер при помощи его передвижения по столу и нажатии имеющихся на нем кнопок.

Рисунок 2. 2 – Базовая конфигурация ЭВМ

Материнская плата, системные шины. Системный блок является одной из наиболее важных и дорогих частей компьютера. Он содержит всю необходимую для работы компьютера электронику, устройства хранения данных и блок питания. Материнская плата Основой электроники системного блока является материнская плата характеристики и функциональность, которой определяются набором микросхем системной логики – чипсетом. На ней имеются разъемы для установки процессора, оперативной памяти и подключения к ней дополнительных плат, расширяющих возможности компьютера видеокарты, сетевых карт и т. д.

Характеристики материнской платы: поколение процессора под который предназначена материнская плата; диапазон поддерживаемых тактовых частот системной шины. частота системной шины напрямую связана с частотой и скоростью работы процессора; форм фактор – способ расположения основных микросхем и слотов и тип блока питания at, atx и др; базовый набор слотов и разъемов; наличие встроенных устройств. на материнской плате присутствуют чипы видео, звуковой, сетевой карт.

PCI – разъем обычно белый, разделенный перемычкой на 2 части. В него может быть установлена видеокарта, звуковая карта, сетевая плата, внутренний модем, специальные карты сканеров и др. (типа PCI). PCI express – разъем обычно самый короткий или длинный на плате, белый, разделенный перемычкой на 2 части. В него может быть установлена видеокарта (длинный), звуковая карта, сетевая плата, внутренний модем, специальные карты сканеров и др. (короткий). AGP (AdvancedAccelerated. Graphic. Port) – ускоренный графический порт. По существу AGP представляет собой усовершенствованный вариант PCI (как павило коричневого цвета в настоящее время не используется) Разъемы SATA. Эти разъемы могут быть разных версий – SATA 2 и SATA 3. SATA 2 подходят для подключения жестких дисков и оптических приводов. Для подключения быстрых SSD-дисков желательно, что бы материнская плата имела разъемы SATA 3. Старые материнские платы имели разъем IDE для подключения жестких дисков и оптических приводов. Слоты для установки модулей памяти (ОЗУ). В них имеются замки-защелки. Используются слоты 3 х видов памяти типа Dimm – DDR, DDR 2, DDR 3). Количество слотов может быть

Разъемы на задней панели для подключения внешних устройств: PS 2 – небольшой круглый разъем для мыши и клавиатуры. Зеленый – мышь, сиреневый – клавиатура, либо совмещенный; DVI – разъем для подключения монитора в материнских платах со встроенным видео; антенные разъемы Wi Fi – есть только на некоторых платах с Wi Fi адаптером; HDMI – разъем для подключения телевизора в материнских платах со встроенным видео; Display. Port – разъем для подключения некоторых мониторов, не обязателен; USB 2 (Universal. Serial. Bus)– разъем для подключения клавиатуры, мышки, принтера и многих других устройств, (или разъемов USB 3);

разъем для подключения сетевого кабеля; оптический аудиовыход; звуковые выходы/выходы – для подключения аудио колонок микрофона и т. п; параллельные порты (LPT) – (розового цвета) – для подключения принтеров и сканеров– устаревший; последовательные порты (Com) – (голубого цвета). Для подключения мыши, внешнего модема – устаревший.

Шины С другими устройствами, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан группами проводников, которые называются шинами. Основных шин три: • шина данных, • адресная шина, • командная шина. Адресная шина. Данные, которые передаются по этой шине трактуются как адреса ячеек оперативной памяти. Именно из этой шины процессор считывает адреса команд, которые необходимо выполнить, а также данные, с которыми оперируют команды. В современных процессорах адресная шина 32. . 64 разрядная.

Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и наоборот. В современных ПК шина данных 64 разрядная. Это означает, что за один такт на обработку поступает сразу 8 байт данных. Командная шина. По этой шине из оперативной памяти поступают команды, выполняемые процессором. Команды представлены в виде байтов. Простые команды вкладываются в один байт, но есть и такие команды, для которых нужно два, три и больше байта. Большинство современных процессоров имеют 64 разрядную командную шину. .

Назначение и характеристики центрального процессора, ОЗУ, ПЗУ. Процессор Одним из самых основных элементов компьютера, является процессор. Процессор получает из оперативной памяти команды, выполняет все предписанные каждой командой действия и затем переходит к выборке следующей команды. Процессор может выполнять арифметические и логические операции над двоичными числами, а также обмениваться данными с оперативной памятью и внешними устройствами.

Характеристиками процессора является: тип установочного разъема (сокет); техпроцесс и архитектура ядра; энергопотребление; тактовая частота; частота шины; разрядность; количество ядер; объем внутренней буферной памяти, набор поддерживаемых инструкций.

3. 2 ОЗУ Оперативная память устанавливается в разъемы на материнской плате. Ее также сокращенно называют ОЗУ, от слов Оперативное Запоминающее Устройство, или RAM — от слов Random. Access. Memory, что означает "память с произвольным доступом". Этот компонент относится к классу энергозависимой памяти (при отключении питания все данные удаляются). В процессе работы ОЗУ выступает в качестве буфера между дисковыми накопителями и процессором, благодаря значительно большей скорости чтения и записи данных. От объема установленной в компьютере памяти зависит, с каким количеством одновременно запущенных программ можно одновременно работать без существенной потери производительности.

Основные параметры ОЗУ: тип; обьем; тактовая частота ; пропускная способность ; тайминги ; форм фактор; режим работы.

ПЗУ При включении компьютера должны выполняться одни и те же стандартные операции: тестирование, настройка необходимых параметров используемого в данном компьютере оборудования и загрузка операционной системы. Эти действия при включении питания всегда выполняет одна и та же, заранее определенная программа, которая находится в ПЗУ. В современной литературе распространено сокращение ROM (Read Only Memory, что в переводе означает память только для чтения), ПЗУ в рабочем режиме допускает только считывание информации. Постоянная память или постоянное запоминающее устройство, ПЗУ, располагается на материнской плате.

Основные параметры ОЗУ: тип; обьем; тактовая частота ; пропускная способность ; тайминги ; форм фактор; режим работы.

Внешние запоминающие устройства и их характеристики HDD Накопители на жестких дисках (винчестеры). Операционная система и все запускаемые приложения должны быть доступны процессору для их загрузки в оперативную память и последующего выполнения. При этом они должны сохраняться и после выключения компьютера. Наиболее подходящим для этого местом хранения являются носители на жестких магнитных дисках — НЖМД или винчестеры.

Винчестер представляет собой пакет магнитных дисков, который вращается с высокой скоростью, порядка 5— 15 тысяч оборотов в минуту. Над каждой поверхностью каждого диска очень близко планирует магнитная головка, предназначенная для записи и считывания информации.

Основные характеристики жесткого диска (HDD): количество данных (емкость), которые можно уместить на HDD сегодняшний день – до 8 Тб (5 000 Гб); интерфейс (средство взаимодействия между собой двух устройств: сигналов, линий связи, технических средств – контроллеров и протоколов); размер (форм фактор) – 2, 5 3, 5 дюйма (реже 0, 85; 1; 1, 3; 1, 8). ; надежность (показатель средней наработки на отказ); время доступа (время, за которое запоминающее устройство может выполнить операцию позиционирования считывающей головки записи либо считывания на произвольных участках магнитного диска); количества оборотов шпинделя (от параметров скорости его вращения в минуту зависит быстрота передачи информации и среднее количество времени, потраченное на доступ к ней); объем буфера обмена (промежуточная память сглаживает неточности в скорости чтения, передачи и записи данных через интерфейс – от 8 до 130 Мб). энергопотребление.

Дисководы для оптических дисков. Первые компакт диски появились как средство для высококачественного цифрового воспроизведения звука. Для записи и чтения информации с диска применяется оптический способ. Виды: CD ROM предназначенный только для чтения; CD R/RW записываемые и перезаписываемые компакт диски (650 800 Мб). DVD диски емкость которых составляет около 4. 7 Гб применяется три основных формата: DVD R/RW, DVD+R/RW DVD Ram. CD и DVD приводы используют красный и инфракрасный лазеры с длиной волны 650 нм и 780 нм.

Blu ray. Disc (BD): BD ROM для чтения, BD R однократной записи BD RE для многократной записи. Скорость считывания информации 4. 5 Мб/с. Использован лазерный луч в сине фиолетовом диапазоне длиной 405 нм. Емкость 25 Гб.

Основные характеристики оптического привода: тип: внутренний или внешний. скорость передачи данных (Data. Transfer. Rate, DTR), соответственно указывается как двухскоростной, четырех , тридцати двух и т. д. ; объем буферной памяти (Buffer. Memory). Кэш память представляет собой микросхемы оперативной памяти, которая располагается на плате накопителя. тип интерфейса или шины, к которому подключается; среднее время доступа (Access. Time, AT); перечень поддерживаемых форматов; многослойность, число сторон для записи.

Устройства ввода/вывода данных Устройства ввода и вывода Устройства ввода Устройства связи Устройства вывода С клавиатурным Модем Принтер вводом Сетевой Плоттер адаптер Клавиатура Дисплей Прямого указания Манипулятор Мышь Требкол Джойстик Сканер Дигитайзер

Дисплей (монитор) компьютера предназначен для вывода на экран текстовой и графической информации. Самым старым типом являются ЭЛТ мониторы, на электронно лучевой трубке. Свечение происходит за счет люминофора светящегося под действием электронных лучей. Вторым видом являются жидкокристаллические мониторы. У таких мониторов меньший объем корпуса, а также ниже уровень энергопотребления. Дисплеи характеризуются: размером экрана; разрешением экрана; размером минимальной изображаемой точки на экране (пикселя) ; частотой обновления экрана; типом экрана (элт трубки или матрицы) контрастностью, яркостью.

5. 2 Клавиатура и мышь Эти устройства являются переферийными устройствами ввода. Клавиатура предназначена для ввода в компьютер информации от пользователя. По интерфейсам подключения различают: проводные: ps/2 и usb; беспроводные: Bluetooth и собственный радиоканал. По конструкции: мембранные; сенсорные; механические. По функциональности и наличию дополнительных клавиш обычные; мультимедийные; игровые; дополнительные.

Стандартная клавиатура состоит из клавиш, которые подразделяются на: алфавитные; цифровые; функциональные; управления курсором; специальные клавиши (рисунок 1. 3) Рисунок 5. 1 – Клавиатура компьютера

Мышь - координатный манипулятор. Положению мыши на столе соответствует положение специального указателя на экране называемого курсором. Перемещения мыши по столу и указателя на экране происходят согласованно и синхронно под управлением специальной программы – драйвера мыши. Классификация. По интерфейсам подключения: проводные: ps/2, usb, com; беспроводные: Bluetooth, собственный радиоканал, ИК. По конструкции: механические; оптомеханические; оптические. По функциональным особенностям.

Рисунок 5. 2 – Развитие координатного манипулятора

Принтеры. Как, правило, применяются принтеры следующих типов: матричные принтеры; струйные принтеры; лазерные принтеры