Устройства и компоновка компьютера
Несмотря на то, что существуют компьютеры разного класса и разного назначения, основные компоненты и принципы компоновки в этих компьютерах несущественно отличаются друг от друга. Поэтому рассмотрение компонент компьютера в дальнейшем будет проводиться применительно к IBM-совместимым ПК.
Для функционирования ПК в настоящее время необходим следующий минимальный набор устройств (рис. 1.3.1):
· материнская плата (motherboard);
· центральный процессор (processor);
· память (storage);
· стандартное устройством вывода – дисплей (display), или монитор (monitor);
· устройство сопряжения дисплея с компьютером, называемое видеокартой (video card) или видеоконтроллером (video controller);
· стандартное устройство ввода – клавиатура (keyboard);
· блок питания (power supply).
В связи с тем, что в современных операционных системах с графическим интерфейсом многие операции выполняются с помощью мыши или аналогичных ей устройств, одно из этих устройств также входят в минимальный состав ПК.
Рис. 1.3.1. Компоненты компьютера: 1 – материнская плата;
5 – видеокарта (видеоконтроллер); 4 – процессор;
4 – память; 5 – монитор (дисплей);
6 – мышь; 7 – клавиатура; 8 – блок питания;
Материнская плата, называемая также системной платой (system board) или главной платой (main board) является устройством, которое управляет внутренними связями и взаимодействует с внешними устройствами. На материнской плате размещаются все основные элементы компьютера, линии соединения и разъемы для подключения других устройств.
Центральным процессор непосредственно осуществляет обработку информации и выполняет функции управления работой всего компьютера в соответствии с заданной программой (в современном ПК в некоторых устройствах могут использоваться свои процессоры). Центральный процессор (в дальнейшем будем называть его просто процессор) занимает главенствующую ступень в иерархии устройств компьютера, являясь, с одной стороны, самым важным и самым сложным его устройством и, с другой стороны, во многом определяющим возможности конкретного компьютера по обработке данных.
Память в современном компьютере имеет иерархическую структуру. Это связано с тем, что стоимость памяти существенно возрастает с увеличением ее быстродействия.
В компьютере можно выделить три уровня памяти:
1. Регистровая память.
2. Оперативная память.
3. Внешняя память.
Регистровая память является самой быстродействующей, но и самой маленькой по объему памятью (обычно несколько сот байт). В регистровую память помещаются некоторое системные данные (например, адрес следующей команды, которую будет выполнять процессор), исходные данные и результаты выполнения некоторых команд процессора, а также часто используемые в программе данные.
Оперативная память имеет значительно больший объем (от нескольких десятков мегабайт до нескольких гигабайт) и используется для временного хранения программ и данных при их обработке. Так, при запуске программы она предварительно загружается в оперативную память с устройства внешней памяти, и уже затем начинает выполняться.
Регистровая память и оперативная память являются энергозависимыми устройствами, т.е. при выключении компьютера находящиеся на этих устройствах данные теряются. Устройства внешней памяти являются энергонезависимыми и предназначены для длительного хранения данных. Этот уровень памяти является наименее быстродействующим и объединяет большую группу устройств, существенно отличающихся как по объему, так и по скорости доступа к данным. Наиболее распространенными устройствами этого уровня являются дисководы жестких дисков, оптические дисководы и Flash-память.
Устройства внешней памяти могут быть со съемными носителями данных, например дисководы гибких дисков и оптические дисководы. В других устройствах носители данных жестко зафиксированы в устройстве, например, в дисководах жестких дисков. Объем и быстродействие устройств со съемными носителями, как правило, значительно ниже, чем устройств с фиксированными носителями.
Для увеличения скорости доступа к данным в компьютере используется буферная память и кэш-память.
Буферная память используется для увеличения быстродействия компьютера при обмене с внешними устройствами. Поскольку скорость доступа к внешнему устройству значительно ниже, чем скорость обработки данных в процессоре, процессор обычно простаивает в ожидании окончания ввода-вывода. Чтобы этого не происходило, фрагмент данных при чтении предварительно считывается с устройства в буферную память. При записи данных фрагмент данных сначала записывается в буферную память, а затем из буферной памяти на устройство. Увеличение быстродействия происходит за счет того, что обмен между буферной памятью и внешним устройством выполняется без участия процессора (он в это время может выполнять другие задачи). Буферная память реализуется либо аппаратно в электронной схеме устройства ввода-вывода, либо программно в оперативной памяти компьютера.
Кэш-память (cache – убежище, склад), помимо функции буферизации, сохраняет наиболее часто используемые данные или те данные, к которым недавно происходило обращение. Эти данные помещаются в более быстродействующую память, чем тот вид памяти, который используется для хранения этих данных. Так, целесообразно таблицы размещения файлов на дисках поместить в оперативную память, поскольку при обработке данных обращение к этой таблице происходит довольно часто. Несколько видов кэш-памяти реализовано в современных процессорах. Также, практически все современные устройства компьютера, например, принтеры или дисководы внешней памяти, имеют кэш-память.
Дисплей и видеоконтроллер, вместе образующие видеосистему компьютера, обеспечивают вывод данных для пользователя в текстовом и графическом виде.
Клавиатура предназначена для ввода текстовой информации в компьютер, а также для перемещения курсора по экрану в полноэкранных и графических приложениях. Кроме того, современные клавиатуры имеют клавиши, запускающие выполнение самых распространенных операций, например, запуск главного меню в Windows.
Блок питания преобразует напряжения в электросети в напряжения питания, используемые в блоках и устройствах компьютера. В его состав входят провода с разъемами для подключения различных устройств.
Наряду с приведенным выше основным набором устройств, в состав ПК, в зависимости от состава решаемых на данном компьютере задач, включаются и другие, дополнительные, устройства: принтеры, сканеры, звуковые карты, акустические системы, микрофоны, модемы и т.п.
Все модели ПК, от самой старой до самой современной, имеют одинаковый блочный принцип компоновки. Блок может содержать несколько устройств или состоять из одного устройства.
Основным блоком ПК является системный блок. Системный блок содержит блок питания, а также крепежные элементы для материнской (системной) платы, электронных плат и дисководов.
Устройства компьютера, размещаемые в системном блоке, называют внутренними устройствами.
Внешние устройства подключаются к компьютеру двумя способами:
· непосредственно через разъемы материнской платы;
· через разъемы плат (карт), вставляемых в материнскую плату.
Некоторые устройства, например, модемы или жесткие диски имеют и внешние и внутренние варианты исполнения. Кроме того, разные классы персональных компьютеров имеют разное конструктивное исполнение. Так, в настольном компьютере (desktop computer) дисплей, клавиатура и мышь являются внешними устройствами, а портативные компьютеры (notebooks) фактически представляют собой один системный блок, в который встроены и дисплей, и клавиатура, и аналог мыши.
Ниже рассматриваются основные устройства компьютера, а также наиболее распространенные дополнительные устройства, используемые в компьютере для выполнения проектных и научно-инженерных работ, а также устройства обработки и ввода-вывода звуковых и видеоданных.