Устройство персонального компьютера

Обработка информации и представление результатов обработки в удобном для человека виде производится с помощью вычислительных средств. Научнотехнический прогресс привел к созданию разнообразных вычислительных средств: электронных вычислительных машин (ЭВМ), вычислительных сетей (ВС). Они различаются структурной организацией и функциональными возможностями.

Дать определение такому явлению, как ЭВМ, представляется сложным. Достаточно сказать, что само по себе название ЭВМ, т.е. электронные вычислительные машины, не отражает полностью сущность концепции. Слово «электронные» подразумевало электронные лампы в качестве элементной базы; современные ЭВМ правильнее следовало бы называть микроэлектронными. Слово «вычислительный» подразумевает, что устройство предназначено для проведения вычислений, однако анализ программ показывает, что современные ЭВМ не более 10 –15% времени тратят на чисто вычислительную работу – сложение, вычитание, умножение и т.д. Основное время затрачивается на выполнение операций пересылки данных, сравнения, вводавывода и т.д. То же самое относится и к англоязычному термину «компьютер», т.е. «вычислитель».

Базовая аппаратная конфигурация

ЭВМ включает три основных устройства: системный блок, клавиатуру и дисплей (монитор). Однако для расширения функциональных возможностей ПЭВМ можно подключить различные периферийные устройства, в частности: печатающие устройства (принтеры), накопители на магнитной ленте (стримеры), различные манипуляторы (мышь, джойстик, трекбол, световое перо), устройства оптического считывания изображений (сканеры), графопостроители (плоттеры) и др.

Эти устройства подсоединяются к системному блоку с помощью кабелей через специальные гнезда (разъемы), которые размещаются обычно на задней стенке системного блока.

В некоторых моделях ЭВМ при наличии свободных гнезд дополнительные устройства вставляются непосредственно в системный блок, например, модем для обмена информацией с другими ПЭВМ через телефонную связь или стример для хранения больших массивов информации на МЛ.

Дисплей (монитор) – основное устройство для отображения информации, выводимой во время работы программ на ПЭВМ. Дисплеи могут существенно различаться, от их характеристик зависят возможности машин и используемого программного обеспечения. Различают дисплеи, пригодные для вывода лишь алфавитноцифровой информации, и графические дисплеи. Другой важный признак – возможность поддержки цветного или только монохромного изображения. Важными техническими параметрами являются текстовой формат и разрешающая способность изображения. Текстовой формат (в текстовом режиме) характеризуется числом символов в строке и числом текстовых строк на экране. В графическом режиме разрешающая способность задается числом точек по горизонтали и числом точечных строк по вертикали. Указанные параметры зависят как от конструкции экрана, так и от схемы управления, сосредоточенной в системном блоке. В настоящее время в большинстве случаев применяется схема формирования изображения на основе растровой памяти (bit mapping). Каждый элемент изображения – одна точка на экране дисплея формируется из фрагмента растровой памяти, состоящего из 1, 2 или 4 бит. Информация, записанная в указанных битах, управляет яркостью (или цветом) точки на экране, а также ее миганием и другими возможными атрибутами.

Большинство профессиональных ПЭВМ использует дисплеи, основанные на цветных ЭЛТ (электроннолучевых трубках). Наиболее часто в IBMсовместимых ПЭВМ используются мониторы типа SVGA.

В профессиональных ПЭВМ широко применяются цветные мониторы с очень высоким разрешением (1024х1024 и 2048х2048 точек) и возможностью получения изображений из 4096 базовых цветов, что обеспечивает до 16 млн. оттенков.

Общение пользователя с ПЭВМ облегчается с помощью различных манипуляторов. Наиболее распространенным из них является так называемая «мышь».

Мышь представляет собой устройство с двумя или тремя клавишами и утопленным свободно вращающимся в любом направлении шариком на нижней поверхности. Мышь подключается к компьютеру при помощи специального кабеля. Пользователь, перемещая мышь по поверхности стола (обычно для этого используются специальные резиновые коврики), позиционирует указатель мыши (стрелку, прямоугольник) на экране дисплея, а нажатием клавиш выполняет определенное действие, связанное с соответствующей клавишей (например, выполняет определенный пункт меню). Мышь требует специальной программной поддержки.

В портативных ПЭВМ мышь обычно заменяется особым встроенным в клавиатуру шариком на подставке с двумя клавишами по бокам, называемым трекбол. Позиционирование указателя трекбола на экране дисплея производится вращением этого шарика. Клавиши трекбола имеют то же значение, что и клавиши мыши.

Для непосредственного считывания графической информации с бумажного или иного носителя в ПЭВМ применяются сканеры. Сканеры бывают настольные, позволяющие обрабатывать весь лист бумаги или пленки целиком, а также ручные. Ручные сканеры проводят над нужными рисунками или текстом, обеспечивая их считывание. Введенный при помощи сканера рисунок распознается ПЭВМ с помощью специального программного обеспечения. Рисунок может быть не только сохранён, но и откорректирован по желанию пользователя соответствующими графическими пакетами программ. В настоящее время выпускаются чернобелые и цветные сканеры с точностью разрешения до 8000 точек на дюйм (более 300 точек на 1 мм), однако эти устройства весьма дороги. Использование сканеров для непосредственного ввода в ПЭВМ текстовой информации с ее последующим редактированием затруднено также значительной сложностью программного обеспечения, необходимого для правильного распознавания и интерпретации отдельных символов.

К ручным манипуляторам относится и джойстик (joystick), представляющий собой подвижную рукоять с одной или двумя кнопками, при помощи которой можно позиционировать указатель на экране дисплея. Кнопки имеют то же назначение, что и клавиши мыши. Джойстик чаще используется в бытовых ПЭВМ, в первую очередь для игровых применений.

Таким образом, большинство современных ЭВМ строится на базе принципов, сформулированных американским учёным, одним из «отцов» кибернетики Дж. фон Нейманом.

Эти принципы сводятся к следующему:

1. Основными блоками фоннеймановской машины являются блок управления, арифметикологическое устройство, память и устройство вводавывода.

2. Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы, называемые словами.

3. Алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов, которые определяют смысл операции. Эти управляющие слова называются командами. Совокупность команд, представляющая алгоритм, называется программой.

4. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Разнотипные слова различаются по способу использования, но не по способу кодирования.

5. Устройство управления и арифметическое устройство обычно объединяются в одно, называемое центральным процессором. Они определяют действия, подлежащие выполнению, путем считывания команд из оперативной памяти. Обработка информации, предписанная алгоритмом, сводится к последовательному выполнению команд в порядке, однозначно определяемом программой.

Устройства системного блока

Являясь главным в ПЭВМ, системный блок включает в свой состав центральный микропроцессор, сопроцессор, чипсет (набор микросхем системной логики), модули оперативной и постоянной памяти, контроллеры, накопители на магнитных дисках и другие функциональные модули. Набор модулей определяется типом ПЭВМ.

Микропроцессор. Ядром любой ПЭВМ является центральный микропроцессор (CPU – Central Processing Unit), который выполняет функции обработки информации и управления работой всех блоков ПЭВМ. Конструктивно МП, как правило, выполнен на одном кристалле (на одной сверхбольшой интегральной схеме).

В состав МП входят: устройство управления (УУ), арифметикологическое устройство (АЛУ), внутренняя регистровая память, кэшпамять.

АЛУ выполняет логические операции, а также арифметические операции в двоичной системе счисления и в двоичнодесятичном коде, причем арифметические операции над числами, представленными в форме с плавающей точкой, реализуются в специальном блоке. В некоторых конфигурациях с этой целью используется арифметический сопроцессор (например, i80387). Он имеет собственные регистры данных и управления, работает параллельно с центральным МП, обрабатывает данные с плавающей точкой.

Устройство управления микропроцессорного типа обеспечивает конвейерную обработку данных с помощью блока предварительной выборки (очереди команд).

Блок предварительной выборки команд и данных осуществляет заполнение очереди команд длиной 32 байта, причем выборка байтов из памяти выполняется в промежутках между магистральными циклами команд.

В состав внутренней памяти МП входят доступные программисту функциональные регистры: регистры общего назначения, указатель команд, регистр флагов и регистры сегментов.

Восемь 32разрядных регистров общего назначения используются для хранения данных и адресов. Они обеспечивают работу с данными разрядностью 1, 8, 16, 32 и 64 бита и адресами размером 16 и 32 бита. Каждый из таких регистров имеет свое имя, например, ЕАХ или ESP.

Кроме вышеуказанных регистровая память МП содержит регистры процессора обработки чисел с плавающей точкой, системные и некоторые другие регистры.

Оперативная память (ОП) – функциональный блок, хранящий информацию для УУ (команды) и АЛУ (данные). Задачи, решаемые с помощью ЭВМ, требуют хранения в памяти различного количества информации, зависящего от сложности реализуемого алгоритма, количества исходных данных и т.п. Поэтому память должна вмещать достаточно большое количество информации, т.е. должна иметь большую емкость. С другой стороны, память должна обладать достаточным быстродействием, соответствующим быстродействию других устройств ЭВМ. Чем больше емкость памяти, тем медленнее к ней доступ, так как время доступа (т.е. быстродействие) определяется временем, необходимым для выборки из памяти или записи в нее информации. Поэтому в ЭВМ существует несколько запоминающих устройств, различающихся емкостью и быстродействием.

Обмен информацией между блоками МП происходит через магистраль микропроцессора, включающую 32разрядную шину адреса, 32разрядную двунаправленную шину данных и шину управления.

Таким образом, системный блок включает в свой состав центральный микропроцессор, сопроцессор, модули оперативной и постоянной памяти, контроллеры, накопители на магнитных дисках и другие функциональные модули. Ядром любой ПЭВМ является центральный микропроцессор, который выполняет функции обработки информации и управления работой всех блоков ПЭВМ.

Периферийные устройства ПК.

Периферийные устройства (ПУ). В их число входят устройства двух типов: устройства внешней памяти, предназначенные для долговременного хранения данных большого объема и программ, и коммуникационные устройства, предназначенные для связи ЭВМ с внешним миром (с пользователем, другими ЭВМ и т.д.). Обмен данными с внешним устройством осуществляется через порты вводавывода. Порт (в переводе с англ. port – ворота, дверь, отверстие) – это абстрактное понятие, на самом деле несуществующее. По аналогии с ячейками памяти порты можно рассматривать как ячейки, через которые можно записать в ПУ, или, наоборот – прочитать из него. Так же как и ячейки памяти, порты имеют уникальные номера – адреса портов вводавывода.

В ПЭВМ, в основном, используются НГМД и НЖМД типа винчестер.

Накопители на гибких дисках служат для хранения программ и данных небольшого объема и удобны для перенесения информации с одной ПЭВМ на другую.

На рабочей поверхности диска (дискеты) по концентрическим окружностям, размещенным на определенном расстоянии от центрального отверстия, записываются данные.

НГМД диаметром 3 дюйма имеют емкость 1,44 Мбайт.

Накопители на жёстких магнитных дисках (винчестер) содержат несколько дисков, объединённых в пакет. Чаще всего такой пакет включает 4 – 6 дисков диаметром 5,25 или (в портативных ПЭВМ) 3 дюйма. НЖМД является несменяемым, располагается внутри системного блока.

В НЖМД магнитные головки, объединенные в блок, перемещаются одновременно в радиальном направлении по отношению к дискам. Дорожки с одинаковыми номерами на разных поверхностях дисков образуют цилиндр. Цилиндр имеет тот же номер, что и объединённые им дорожки.

В настоящее время наиболее распространены НЖМД емкостью до 1080 ГБ.

Важным параметром для пользователя является время доступа, характеризующее скорость чтения и записи информации на диски. Для наиболее распространенных НЖМД оно колеблется от 14 до 70 мкс. Реальная скорость работы НЖМД в большой степени зависит от типа используемой программы. Так, обработка больших массивов информации, требующая многократного поиска одиночных сведений, может неожиданно для пользователя занять весьма значительное время.

В ПЭВМ используются матричные, струйные и лазерные принтеры.

Матричные принтеры наиболее распространены. Печатаемые знаки синтезируются в матричных принтерах при помощи игольчатой матрицы (головки), двигающейся вдоль каждой печатаемой строки по специальной направляющей и ударяющей по красящей ленте. Чаще всего применяются принтеры с 9 и 24игольчатыми головками. Эти принтеры позволяют получить вполне приемлемое для большинства приложений качество печати, в том числе за счет многократных проходов при печати одной строки с небольшими смещениями.

Качество печати, обеспечиваемое матричными принтерами, практически не уступает качеству, обеспечиваемому пишущей машинкой, однако оно совершенно недостаточно при работе с графикой, а также для изготовления оригиналмакетов, которые можно было бы использовать в полиграфии.

Лазерные принтеры обладают многообразными возможностями печати, обеспечивают ее высокое качество при значительной скорости.

Лазерные принтеры имеют собственный расширяемый блок памяти. Они позволяют масштабировать шрифты, широко использовать «загружаемые» шрифты. «Паспортная» скорость печати у различных моделей лазерных принтеров, как правило, колеблется от 4 до 16 страниц в минуту. Вместе с тем, эта скорость зависит от объема собственной памяти принтера и может заметно сократиться при ее недостатке для конкретной печатаемой информации.

Лазерные принтеры используют исключительно листовую бумагу (форматов А4, A3 и др.), в связи с чем существенное значение приобретает емкость подающего бумагу лотка, так как от нее зависит скорость работы принтера: бумагу необходимо периодически подкладывать в лоток вруч ную. Недостатком лазерных принтеров являются довольно жесткие требования к качеству бумаги – она должна быть достаточно плотной и не должна быть рыхлой, недопустима печать на бумаге с пластиковым покрытием и т.д.

Даже самые простые модели лазерных принтеров в пять – десять раз дороже средних моделей матричных принтеров, а цена цветных лазерных принтеров более чем стократно превосходит цену матричных.

Струйные принтеры в последние годы получают все более широкое распространение среди пользователей ПЭВМ. Этот тип принтера занимает промежуточное положение между матричными и лазерными принтерами. Струйные принтеры обеспечивают качество печати, приближающееся к качеству лазерных принтеров. Они просты в эксплуатации и работают практически бесшумно. Вместе с тем, скорость печати, обеспечиваемая струйными принтерами, ненамного превосходит скорость печати матричными принтерами, а их стоимость — в дватри раза выше. Струйные принтеры вполне успешно применяются во всех случаях, когда скорость печати и качество не являются критическими факторами. Красящая жидкость («чернила») для струйных принтеров помещается в специальных компактных картриджах. Она производится нескольких цветов, так что простой заменой картриджа можно обеспечить печать многоцветных изображений. Ряд моделей струйных принтеров допускает одновременную многоцветную печать.

Графопостроители (плоттеры) применяются для вывода графической информации в ПЭВМ. Плоттеры значительно дешевле, чем лазерные принтеры, хотя скорость вывода изображений у них значительно ниже. Достоинством плоттеров, по сравнению с лазерными принтерами, является также возможность использования для печати крупноформатной бумаги и пленки (вплоть до формата АО). Плоттеры выпускают двух типов – рулонные и планшетные. В рулонных плоттерах бумажный лист перемещается транспортирующим валиком в вертикальном направлении, а пишущий узел — в горизонтальном. Рулонные принтеры позволяют получать полноцветные изображения хорошего качества. В планшетных плоттерах лист бумаги фиксируется горизонтально на плоском столе, а пишущий узел (одно или несколько разноцветных перьев) перемещается по направляющим в двух направлениях — по осям Х и Y.

В заключение отметим, что Обработка чисел, символьной информации, логическая обработка, обработка сигналов — это всё частные случаи общего понятия под названием «обработка информации». Для ЭВМ характерен признак: информация представляется с помощью двоичных целых чисел. Существует три этапа обработки информации:

1. Хранение двоичной информации.

2. Передача от одного хранилища к другому.

3. Преобразование.

ЭВМ можно представить как совокупность узлов, соединённых каналом связи. Узлы соединяют в себе функции хранения и преобразования. По каналам связи передается информация от узла к узлу. Некоторые узлы могут иметь специальную функцию ввода информации в систему и вывода из нее.