Как устроен компьютер

Лекция № 3 (2 часа)

Как устроен компьютер

Основные блоки.  Обычно ПК состоят из трех частей:

• Системного блока.
• Клавиатуры, позволяющей вводить символы в компьютер.
• Монитора (дисплея) –  для изображения текстов и графической информации.

Компьютеры выпускаются и в портативном варианте – обычно в блокнотном исполнении (ноутбук). Здесь системный блок, монитор и клавиатура, заключены в один корпус: системный блок спрятан под клавиатурой, а монитор сделан как крышка к клавиатуре.

Системный блок. Хотя из этих частей компьютера системный блок выглядит наименее эффектно, именно он является в компьютере “главным”. В нем располагаются все основные узлы компьютера:

· Электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессор, оперативная память, контролеры устройств и т.д.)

· Блок питания, который преобразует электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера.

· Накопители (дисководы) для гибких магнитных дисков, используемые для чтения и записи на гибкие магнитные диски.

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

Рекомендуемые материалы

· Другие устройства.

Дополнительные устройства.

К системному блоку компьютера можно подключить различные устройства ввода- вывода информации, расширяя тем самым его функциональные возможности.

Внешние устройства. Многие устройства располагаются вне системного блока компьютера и присоединяются к нему через специальные гнезда (разъемы), находящиеся обычно на задней стенке системного блока. Такие устройства обычно называются внешними. Кроме монитора и клавиатуры такими устройствами являются.

· Принтер – для вывода на печать графической и текстовой информации.

· Мышь – устройство облегчающее ввод информации в компьютер.

· Джойстик – манипулятор в виде укрепленной на шарнире ручки с кнопкой, употребляется в основном для компьютерных игр;

· А также другие устройства.

Внутренние устройства. Некоторые устройства могут вставляться внутрь системного блока, поэтому они называются внутренними, например:

· Модем или факс-модем –  для обмена информацией с другими компьютерами через телефонную сеть (факс-модем может также получать и принимать факсы).

· Дисковод для компакт-дисков, он обеспечивает возможность чтения данных с компьютерных компакт дисков и проигрывание аудио компакт-дисков

· Стример – для хранения данных на магнитной ленте

· Звуковая карта – для воспроизведения и записи звуков(музыки, голоса и т.д.)

Впрочем, модемы, факс-модемы, стримеры и другие устройства могут выпускаться и во внешнем исполнении. Как правило, устройства во внутреннем исполнении стоят дешевле – для них не надо изготавливать корпус и их не надо снабжать своим блоком питания.

Контроллеры и устройства. Для управления работой устройств в компьютере используется электронные схемы – контроллеры. Различные устройства используют разные способы подключения к контролерам:

1. Дисковод для дискет, клавиатура и т.д. подключается к имеющимся в составе компьютера стандартным контроллерам;

2. Звуковые карты, многие факс-модемы и т.д. выполнены как электронные платы, т.е. смонтированы на одной плате со своим контролером;

3. Остальные устройства используют следующий способ подключения: в системный блок компьютера вставляется электронная  плата (контроллер), управляющая работой устройства, а само устройство подсоединяется к этой плате кабелем.

Микропроцессор и сопроцессор.

Микропроцессор. Самым главным элементом в компьютере, его “мозгом”, является микропроцессор  –  небольшая (в несколько сантиметров) электронная схема, выполняющая все вычисления и обработку информации. Микропроцессор умеет выполнять сотни различных  операций и делает это со скоростью в несколько десятков или даже сотен миллионов операций в секунду. Микропроцессоры в порядке возрастания производительности и цены: Intel-8088, 80286, 80386 (модификации SX и DX), 80486 (модификации SX, SX2, DX, DX2 и DX4), Pentium, Pentium Pro (3,4).

Тактовая частота. Тактовая частота указывает скорость выполнения элементарных операций внутри микропроцессора. Разные модемы микропроцессоров выполняют одни и те же команды ( например сложение или умножения) за разное число тактов. Чем более современная модель микропроцессора, тем как правило, меньше тактов требуется микропроцессору для выполнения команд.

Сопроцессор. В тех случаях когда на компьютере приходится выполнять много математических вычислений (например, в инженерных расчетах, обработке трехмерных изображений и т.д.), желательно, чтобы математические операции над вещественными числами поддерживались аппаратно, т.е. самим микропроцессором. Но микропроцессоры не обеспечивают такую поддержку, поэтому к ним для этого требуется добавить математический сопроцессор, который помогает основному микропроцессору выполнять математические операции над вещественными числами. Новейшие микропроцессоры (Pentium) сами умеют выполнять операции над вещественными числами, поэтому для них сопроцессоры не требуются.

Память.

Оперативная память. Очень важным элементом компьютера является оперативная память. Именно из нее процессор берет программы и исходные данные для обработки, в нее он записывает полученные результаты. Название “оперативная” эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору практически не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память. Однако содержащиеся в ней данные сохраняются только пока компьютер включен. При выключении компьютера содержимое оперативной памяти стирается (за некоторыми исключениями). Часто для оперативной  памяти используют обозначение RAM (random access memory, т.е. память с произвольным доступом). От количества установленной в компьютере оперативной памяти напрямую зависит, с какими программами вы сможете на нем работать. При недостаточном количестве оперативной памяти многие программы либо вовсе не будут работать, либо станут работать крайне медленно.

Кэш-память. Для ускорения доступа к оперативной памяти на быстродействующих компьютерах используется специальная сверхбыстродействующая кэш-память, которая располагается как бы между микропроцессором и оперативной памятью и хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. При обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные уже содержатся в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается.

BIOS (постоянная память). В компьютерах имеется также и постоянная память, в которую данные занесены при ее изготовлении. Как правило, эти данные не могут быть изменены, выполняемые на компьютере программы могут их только считывать. Такой вид памяти обычно называется ROM  (read only memory, или память только для чтения), или  ПЗУ (постоянное запоминающее устройство). В постоянной памяти хранятся программы для проверки оборудования компьютера, инициирования загрузки ОС и выполнения базовых функций по обслуживанию устройств компьютера. Поскольку большая часть этих программ связанна с обслуживанием  ввода-вывода, часто содержимое постоянной памяти называется  BIOS (basic input- output system, или базовая система ввода-вывода). В BIOS содержится также программа настройки конфигураций компьютера (SETUP). Она позволяет установить некоторые характеристики устройств компьютера (типы видеоконтроллера, жестких дисков и дисководов для дискет, часто также режимы работы с оперативной памятью, запрос пароля при начальной загрузке, и т.д.). Как правило, программа настройки конфигураций вызывается, если пользователь во время начальной загрузки нажмет определенную клавишу или комбинацию клавиш.

CMOS (полупостоянная память). Кроме обычной оперативной памяти и постоянной памяти в компьютере  имеются также небольшой участок памяти для хранения параметров и конфигураций компьютера. Его часто называют CMOS-памятью, поскольку эта память выполняется по технологии CMOS (complementary metal-oxide semiconductor), обладающий низким энергопотреблением. Содержимое CMOS-памяти не изменяется при выключении питания компьютера, поскольку для ее питания используется специальный аккумулятор.

Видеопамять. Еще один вид памяти в компьютерах – это видеопамять, т.е. память, используемая для хранения изображения, выводимая на экран монитора. Эта память обычно входит в состав видеоконтроллера – электронной схемы, управляющей выводом изображения на экран.

Электронные платы, контроллеры и шины

Электронные платы. Электронная начинка ПК, как правило, выполняется из нескольких модулей – электронных плат. Каждая плата представляет собой плоский кусок пластика, на котором укреплены электронные компоненты (микросхемы, конденсаторы и т.д.) и различные разъемы. Внутри электронной платы проложены проводники для соединения смонтированных на плате компонент между собой.

Материнская плата. Самой большой электронной платой в компьютере является системная, или материнская, плата. На ней обычно располагаются основной микропроцессор, оперативная память, кэш-память, шины и BIOS. Кроме того, там находятся электронные схемы (контроллеры), управляющие некоторыми устройствами компьютера. Так, контроллер клавиатуры всегда находится на материнской плате. Часто там же находятся и контроллеры для других устройств (жестких дисков, дисководов для дискет и т.д.).

Контроллеры. Электронные схемы, управляющие различными устройствами компьютера, называются контроллерами. Во всех компьютерах имеются контроллеры для управления клавиатурой, монитором, дисководами, жестким диском и т.д.

Интегрированные контроллеры. В современных компьютерах многие контроллеры входят в состав материнской платы. Такие контроллеры называются встроенными или интегрированными. Так, контроллер клавиатуры всегда является встроенным. На современных материнских платах обычно имеются контроллеры дискет, портов ввода-вывода, контроллер жестких дисков, иногда – видеоконтроллер.

Платы контроллеров. Разным пользователям в компьютере нужен разный набор контроллеров. Поэтому все контроллеры компьютера встраиваются в материнскую плату только в некоторых специальных компьютерах. В большинстве компьютеров некоторые контроллеры располагаются на отдельных электронных платах – платах контроллеров. Эти платы вставляются в специальные разъемы (слоты) на материнской плате компьютера.

С помощью добавления и замены плат контроллеров пользователь может модифицировать компьютер, расширяя его возможности и настраивая его по своим потребностям. Например, пользователь может добавить в компьютер факс-модем, звуковую карту, плату приема телепередач и т.д.

1 Информация и информационные ресурсы - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

Шины. При вставке в разъем материнской платы контроллер подключается к шине – магистрали передачи данных между оперативной памятью и контроллерами. В современных компьютерах обычно имеются две шины:

1. Шина ISA для контроллеров низкоскоростных устройств (т.е. для обмена данными с клавиатурой, мышью, дисководами, модемом, звуковой картой и т.д.)
2. Шина PCI для обмена данными с высокоскоростными устройствами (жесткими дисками, видеоконтроллером и т.д.)

В более старых компьютерах могут быть и другие шины – EISA, VESA (VLB) и др. Впрочем, для обеспечения совместимости даже современные серверы локальных сетей обычно оснащаются шиной EISA .

Разъемы шин. Каждый контроллер может быть подключен лишь к той шине, на которую он рассчитан. Поэтому разъемы различных шин сделаны разными, чтобы их нельзя было перепутать. При покупке контроллеров следует знать, разъемы каких шин имеются в вашем компьютере, так как иначе купленный контроллер окажется бесполезен.

Контроллеры портов ввода-вывода. Одним из контроллеров, которые присутствуют почти в каждом компьютере, является контроллер портов ввода-вывода. Часто этот контроллер интегрирован в состав материнской платы. Контроллер портов ввода-вывода соединяется кабелями с разъемами на задней стенке компьютера, через которые к компьютеру подключаются принтер, мышь и некоторые другие устройства. Порты ввода-вывода бывают следующих типов:

• Параллельные (обозначаемые LPT1 – LPT4). К соответствующим разъемам на задней стенке компьютера (имеющим 25 гнезд) обычно подключаются принтеры.
• Последовательные (обозначаемые COM1 – COM3). К соответствующим разъемам на задней стенке компьютера (имеющим 9 или 25 штырьков) обычно подсоединяются мышь, модем и др. устройства.
• Игровой порт. К его разъему (имеющему 15 гнезд) подключается джойстик. Игровой порт имеется не у всех компьютеров.

Как правило, контроллер портов компьютера поддерживает один параллельный и два последовательных порта.

Разъемы шины USB. В компьютерах имеются разъемы универсальной последовательной шины USB. По-видимому скоро будут выпущены модели клавиатур, мышей, принтеров, модемов, дисководов, сканеров и т.д., подключаемые к шине USB. При этом к каждому устройству, подключенному к шине USB, можно подключать другие USB-устройства (всего может быть подключено до 127 устройств). USB-устройство можно подсоединять и отсоединять при работающем компьютере. Возможно, в недалеком будущем в компьютерах вместо разъемов клавиатуры, портов и джойстика будут иметься только два-три маленьких разъема USB.