Вопрос 3. Назначение внутренних устройств персонального компьютера.

 

Материнская плата (системная плата) – это основа компьютера. Именно эта плата определяет, какого типа процессор можно использовать, какой максимальный размер оперативной памяти можно будет установить и т. д.

Все платы расширения (видеокарта, контроллер SCSI, модем, сетевая карта и т. д.) крепятся к материнской плате. Кроме того, на материнской плате находятся микросхемы, управляющие всем, что есть в компьютере.

Ниже приведен список основных компонентов системной платы:

· Процессорное гнездо.

· Разъемы для оперативной памяти.

· Интерфейсы шины PCI.

· Микросхема системной логики (чипсет).

· Интерфейсы для подключения жестких дисков и накопителей CD или DVD дисков.

· Интерфейсы для подключения FDD.

· Блок портов ввода/вывода.

Форм-фактор материнской платы — стандарт, определяющий размеры материнской платы для персонального компьютера, места ее крепления к корпусу; расположение на ней интерфейсов шин, портов ввода/вывода, разъема центрального процессора и слотов для оперативной памяти, а также тип разъема для подключения блока питания.

Устаревшими считаются: Baby-AT; Mini-ATX; полноразмерная плата AT; LPX.

Современными считаются: АТХ; microATX; Flex-АТХ; NLX; WTX, CEB.

Внедряемыми считаются: Mini-ITX и Nano-ITX;Pico-ITX; BTX, MicroBTX и PicoBTX

Процессор (ЦП; CPU — англ. céntral prócessing únit, дословно — центральное вычислительное устройство) – это устройство, которое занимается обработкой и вычислением данных. Современные процессоры очень сложны. Основой любого процессора является ядро, которое состоит из миллионов транзисторов, расположенных на кристалле кремния.

Изначально термин центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры.

Функционально процессор можно разделить на две части:

· АЛУ (Арифметико-Логическое Устройство) – занимается обработкой данных;

· УУ (Устройство Управления) – занимается передачей данных.

 

Рис. 3.3 Процессор Intel Pentium 4

 

Процессор снабжен внутренней памятью, которая называется кэш-память. Она бывает двух уровней.

Современные процессоры имеют корпуса типа PGA (Pin Grid Array – шахматная решетка массива штырьков). На данный момент времени существуют несколько производителей процессоров, среди них можно особо выделить компании Intel и AMD.

Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти, но в этих ячейках 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 центрального процессора, можно управлять обработкой данных. На этом и основано исполнение программ.

Ранние ЦПУ создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, отказались. Производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦПУ с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках.

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

Оперативная память (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) в первом приближении можно представить в виде микроконденсаторов - устройств способных накапливать электрический заряд на своих обкладках. Это наиболее распространенный и экономически доступный тип памяти. Если такую 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.

Представление о том, сколько оперативной памяти должно быть в типовом компьютере, непрерывно меняется. В середине 80-х годов поле памяти размером 1 Мбайт казалось огромным, в начале 90-х годов достаточным считался объем 4 Мбайт, к середине 90-х годов он увеличился до 8 Мбайт, а затем и до 16 Мбайт. Сегодня типичным считается размер оперативной памяти 512-1024 Мбайт, но очень скоро эта величина будет превышена в 2-4 раза даже для моделей массового потребления.

 

Рис.3.4. Модули оперативной памяти (DIMM- модули)

 

Оперативная память в компьютере размещается на стандартных платах, называемых модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате. Если к разъемам есть удобный доступ, то операцию можно выполнять своими руками. Если удобного доступа нет, может потребоваться неполная разборка узлов системного блока, и в таких случаях операцию поручают специалистам.

Конструктивно модули памяти имеют два исполнения:

· однорядные - SIMM-модули;

· двухрядные модули - DIMM-модули (см. рис. 4.5.).

 

Память типа SIMM уже очень устарела и сейчас встречается только в старых компьютерах.

Рис. 3.5. Внешний вид накопителя на жестких магнитных дисках

Жёсткий диск (Hard Drive Disk, HDD) – основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ. На самом деле это не один диск, а группа 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.

Для пользователя персонального компьютера весьма важно иметь большую емкость HDD, высокую производительность, а также обеспечить сохранность данных. Рассмотренные ниже технические параметры определяют затраты времени на позиционирование магнитных головок (МГ) и передачу больших объемов информации, а также оказывают наибольшее влияние на работу прикладных программ, которые часто обращаются к диску для чтения и записи:

· среднее время поиска;

· средняя латентность (запаздывание);

· среднее время доступа;

· скорость передачи данных (пропускная способность);

· скорость передачи данных в групповом (burst) режиме (скорость внешнего обмена);

· скорость внутреннего обмена (долговременная максимальная или минимальная скорость передачи данных).

 

За функционирование дискового устройства отвечает дисковый контроллер, который обеспечивает интерфейс между этим дисковым устройством и шиной, соединяющей его с остальной частью компьютерной системы. Контроллер может использоваться для управления более чем одним дисковым устройством.

Контроллер диска соединяется непосредственно с процессорной системной шиной или шиной расширения. Он содержит множество регистров, содержимое которых может считываться и записываться операционной системой. Таким образом, операционная система взаимодействует с контролером диска точно так же, как с другими интерфейсами ввода-вывода.

Существует два основных интерфейса контроллера жесткого диска и его драйвера:

· встроенный интерфейс накопителей — IDE (Integrated Drive Electronics);

· интерфейс малых компьютерных систем - SCSI (Small Computer Systems Interface).

Дисковод гибких дисков (Floppy Disc Drive, FDD) – это устройство, предназначенное для работы с дискетами. В настоящее время используются только дискеты размером 3,5 дюйма с емкостью 1,44 Мбайт. Трехдюймовые дискеты имеют специальную защелку для защиты от записи, открывающую или закрывающую небольшое окно в углу дискеты; запись возможна, только когда отверстие закрыто. Перед первым использованием дискеты специальным образом инициализируются (форматируются). FDD появился достаточно давно, сегодня емкости дискет не хватает для хранения большинства программ и данных. Тем не менее, в сочетании с устройством для чтения карт памяти, это дисковод гибких дисков по-прежнему может входить в состав ПК.

В состав конфигурации персонального компьютера входит так же накопитель на CD- или на DVD- дисках. Принцип действия этих устройств состоит в считывании числовых данных с помощью лазерного луча, отражающегося от поверхности диска. Исторически первыми появились CD-ROM дисководы.

Аббревиатура CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) переводится на русский язык как память только для чтения на компакт-диске. Стандартный компакт-диск может хранить до 700 Мбайт данных. Основным параметром дисководов CD-ROM является скорость чтения данных. Она измеряется в кратных долях. За единицу измерения принята скорость чтения в первых серийных образцах, составлявшая 150 Кбайт/с. Таким образом, дисковод с удвоенной скоростью чтения обеспечивает производительность 300 Кбайт/с, с учетверенной скоростью — 600 Кбайт/с и т. д. В настоящее время наибольшее распространение имеют устройства чтения CD-ROM с производительностью 48х-52х.

Вслед за приводами CD-ROM появились диски и сами устройства для многократной записи CD-RW (Compact Disc Rewriter).

Современные образцы устройств многократной записи имеють скорость чтения от 16x до 52х, а скорость записи на CD-R диски до 52x, на CD-RW диски до 24x.

Сами же компакт диски делятся на:

· CD (Compact Disc) – компакт диск с информацией (мультимедийное издание);

· CD-R (Compact Disc Recordable) – компакт диск для записи информации;

· CD-RW (Compact Disc Rewritable) – компакт диск с возможностью многократной перезаписи информации.

 

Цифровая запись на компакт-диске отличается от записи на магнитных дисках очень высокой плотностью. Большие объемы данных характерны для мультимедийной информации (графика, музыка, видео), поэтому накопители на CD- или на DVD- дисках относят к аппаратным средствам мультимедиа.

Для хранения высококачественного видео емкость CD-дисков оказалась недостаточной, поэтому усилиями международного консорциума, в который входили такие компании как Philips, Sony и Toshiba, был создан новый формат записи дисков – DVD (Digital Versatile Disc – цифровой универсальный диск). Если в накопителях CD – ROM длина волны равна 780 нанометров, то в накопителях DVD – 635 нанометров. Это позволяет уменьшить длину штриха и повысить скорость считывания данных. DVD используют для записи данных в два слоя на одной стороне диска или по одному слою, но с двух сторон диска или по два слоя с двух сторон диска, в зависимости от формата DVD. Емкость дисков варьируется от 2,6 Гбайт до 17 Гбайт. Сейчас устройства для чтения и записи DVD-дисков стали обычным компонентом персонального компьютера.

Технический прогресс в области химии и производства лазеров в сочетании с усилиями фирм-производителей компьютерного обеспечения привел к появлению следующего поколения стандартов оптической записи информации – технологий Blu-ray и HD DVD (High Definition DVD).

В технологиях Blu-Ray и HD DVD для чтения и записи информации на диск используется лазер с длиной волны 405 нанометров. Более короткая длина волны сине-фиолетового лазера, применение высоко качественной двухлинзовой оптической системы и более тонкого защитного слоя самого диска позволяет хранить больше информации на дисках стандартного размера.

Однослойный диск Blu-ray (BD) может хранить 23.3, 25, 27 или 33 Гб, двухслойный диск может вместить 46,6, 50, или 54 Гб. Также в разработке находятся диски вместимостью 100 Гб и 200 Гб с использованием соответственно четырёх и шести слоёв. Корпорация TDK уже анонсировала прототип четырехслойного диска объёмом 100 Гб.

Противостояние двух форматов HD DVD и Blu-ray, неофициально названное «Война форматов» разрешилась в пользу последнего. В 2008 году компания Toshiba (основной сторонник HD DVD) официально отказалось от данного формата и прекращает его производство. Важным аргументом в этом споре выступило то, что ряд голливудских киностудий и, в частности, Warner Bros отказалась от формата HD DVD в пользу Blu-ray.

На данный момент доступны диски BD-R и BD-RE, в разработке находится формат BD-ROM. В дополнение к стандартным дискам размером 120 мм, выпущены варианты дисков размером 80 мм для использования в цифровых фото- и видеокамерах. Планируется, что их объём будет достигать 15 Гб для двухслойного варианта.

В наши дни для хранения информации широко используется flash-память. Сейчас flash-память – один из самых актуальных и удобных способов записи и хранения информации средних размеров (512 Мб – 8 Гб). Этот вид памяти не требует постоянного источника питания. Питание необходимо только для записи или стирания информации. Носители на ее основе называются твердотельными, поскольку не имеют механических частей, что повышает надежность flash-памяти. Конструктивно носители на основе flash-памяти выполнены в виде карт или накопителей с USB-интерфейсом. Возможность долговременного хранения информации на микросхемах памяти, компактные размеры сделали flash-карты принадлежностью цифровых фотокамер и мобильных компьютеров. Существуют различные стандарты карт памяти, которые отличаются друг от друга в основном габаритными размерами, количеством и конфигурацией контактных площадок на поверхности, энергопотреблением:

· Compact Flash;

· SmartMedia;

· MultiMedia Card;

· Secure Digital;

· Memory Stick и т.д.

· RS-MMC;

· Mini-SD;

· T-Flash.

 

Для быстрого и удобного обмена информацией между Flash-картами и компьютером используются специальные устройства для чтения и записи, по аналогии с дисководами они называются картоводами. Эти устройства бывают мультиформатными (устройства способные читать карты разных моделей), и компактными – устройства способные считывать карты одной модели.

Эти устройства производятся в двух вариантах, как внутренние, то есть вставляются в отсек для 3,5-дюймовый дисководов и подключаются к АТА интерфейсу. Скорость их работы при этом будет 1-2 Мбайт/с. И как внешние, имея возможность подключения к компьютеру через группу интерфейсов:

· USB;

· IEEE1394 (FireWire или iLink).

 

Flash-накопители по сути, близки к картам памяти, однако они подключаются к компьютеру напрямую через USB интерфейс, то есть коннектор для USB порта является частью платы устройства.

Видеокарта (видеоадаптер) — это электронная плата, которая обрабатывает видеоданные (текст и графику) и управляет работой дисплея. Содержит видеопамять, регистры ввода вывода и модуль BIOS. Посылает в дисплей сигналы управления яркостью лучей и сигналы развертки изображения.

За время существования персональных компьютеров сменилось несколько стандартов видеоадаптеров, в настоящее время применяются видеоадаптеры SVGA, обеспечивающие по выбору воспроизведение до 16,7 миллионов цветов с возможностью произвольного выбора разрешения экрана из стандартного ряда значений (640х480, 800х600,1024х768,1152х864; 1280х1024 точек и далее).

Разрешение экрана является одним из важнейших параметров видеоподсистемы. Чем оно выше, тем больше информации можно отобразить на экране, но тем меньше размер каждой отдельной точки и, тем самым, тем меньше видимый размер элементов изображения. Использование завышенного разрешения на мониторе малого размера приводит к тому, что элементы изображения становятся неразборчивыми и работа с документами и программами вызывает утомление органов зрения. Использование заниженного разрешения приводит к тому, что элементы изображения становятся крупными, но на экране их располагается очень мало.

 

Рис. 3.6. Видеокарта ATI Radeon X850 XT Platinum с системой охлаждения

 

С увеличением числа приложений, использующих сложную графику и видео, наряду с традиционными видеоадаптерами широко используются разнообразные устройства компьютерной обработки видеосигналов:

Графические акселераторы (видеоускорители) — специализированные графические сопроцессоры, увеличивающие эффективность видеосистемы. Их применение освобождает центральный процессор от большого объёма операций с видеоданными, так как акселераторы самостоятельно вычисляют, какие пиксели отображать на экране и каковы их цвета. Часть операций по построению изображений может происходить без выполнения математических вычислений в основном процессоре компьютера, а чисто аппаратным путем — преобразованием данных в микросхемах видеоускорителя.

Звуковая карта (Sound Blaster или аудиодаптер) явилась одним из наиболее поздних усовершенствований персонального компьютера. Она подключается к одному из слотов материнской платы в виде дочерней карты и выполняет вычислительные операции, связанные с обработкой звука, речи, музыки. Звук воспроизводится через внешние звуковые колонки, подключаемые к выходу звуковой карты. Специальный разъем позволяет отправить звуковой сигнал на внешний усилитель. Имеется также разъем для подключения микрофона, что позволяет записывать речь или музыку и сохранять их на жестком диске для последующей обработки и использования.

Аудиоадаптер содержит в себе два преобразователя информации:

· аналого-цифровой, который преобразует непрерывные (то есть, аналоговые) звуковые сигналы (речь, музыку, шум) в цифровой двоичный код и записывает его на носитель;

· цифро-аналоговый, выполняющий обратное преобразование сохранённого в цифровом виде звука в аналоговый сигнал, который затем воспроизводится с помощью акустической системы, синтезатора звука или наушников.

 

Рис. 3.7. Звуковая карта MAYA44 MKII

 

Звуковые платы обеспечивают двоичное кодирование аналогового звукового сигнала. Непрерывный сигнал дискретизируется, т. е. заменяется серией его отдельных выборок — отсчетов. Качество двоичного кодирования зависит от двух параметров: количества распознаваемых дискретных уровней сигнала и количества выборок в секунду.

Различные звуковые карты могут обеспечить 8-или 16-битные выборки, 8-битные карты позволяют закодировать 256 различных уровней дискретизации звукового сигнала, соответственно 16-битные — 65 536 уровней.

Количество выборок в секунду, т. е. частота дискретизации аналогового звукового сигнала, может принимать следующие значения: 5,5 КГц, II КГц, 22 КГц и 44 КГц. Таким образом, качество звука в дискретной форме может быть очень плохим (качество радиотрансляции) при 8 битах и 5,5 Кгц и очень высоким (качество aудиoCD) при 16 битах и 44 КГц.

Для записи звука к звуковой плате может быть подключен микрофон или устройство воспроизведения звука (магнитофон, CD-плейер). Для воспроизведения звука к ее выходу могут быть подключены акустические колонки или наушники, а также любая акустическая система (магнитофон, музыкальный центр и т. д.).

Профессиональные звуковые платы позволяют выполнять сложную обработку звука, обеспечивают стереозвучание, имеют собственное ПЗУ с хранящимися в нём сотнями тембров звучаний различных музыкальных инструментов. Звуковые файлы обычно имеют очень большие размеры. Так, трёхминутный звуковой файл со стереозвучанием u1079 занимает примерно 30 Мбайт памяти. Поэтому платы Sound Blaster, помимо своих основных функций, обеспечивают автоматическое сжатие файлов.

Область применения звуковых плат — компьютерные игры, обучающие программные системы, рекламные презентации, «голосовая почта» (voice mail) между компьютерами, озвучивание различных процессов, происходящих в компьютерном оборудовании, таких, например, как отсутствие бумаги в принтере и т.п.

Сетевая карта (адаптер) - это плата расширения персонального компьютера, которая напрямую или через другое коммуникационное оборудование взаимодействует со средой передачи данных, связывая его с другими компьютерами.

Сетевая карта устанавливается в один из свободных разъемов материнской платы и работает под управлением драйвера операционной системы, решая задачи обмена данных по внешним линиям связи. Сетевые адаптеры являются основой основ любой сети.

Основные функции сетевой карта:

· Кодирование и декодирование сигнала. Сетевая карта обеспечивает передачу исходной информации по линиям связи с определенной полосой пропускания и определенным уровнем помех таким образом, чтобы принимающая сторона смогла распознать посланную информацию.

· Обнаружение конфликтных ситуаций и контроль состояния сети.

· Получение доступа к среде передачи данных. В вычислительных сетях в основном применяются разделяемые между группой компьютеров каналы связи (общая шина, кольцо), доступ к которым предоставляется по специальному алгоритму (наиболее часто применяются метод случайного доступа или метод с передачей маркера доступа по кольцу).

 

Производительность сети зависит в том числе и от скорости сетевой карты. Различные сетевые технологии требуют различную архитектуру сетевого адаптера. Так большинство сетевых карт стандарта Ethernet предназначены для установки в слот PCI системной платы. Обычные сетевые карты имеют на лицевой панели один разъем для витой пары.