|
|
Архитектура персональных ЭВМ
Особенности архитектуры IBM PC
Архитектура ПЭВМ– это совокупность аппаратных и программных средств ПЭВМ, а также система взаимодействия их, обеспечивающая функционирование ПЭВМ.
Основное отличие архитектуры IBM PC- ее открытость и модульность.
Открытость означает возможность замены отдельных компонентов ПЭВМ их более совершенными версиями, а также возможность подключения новых устройств к ПЭВМ с целью расширения ее возможностей.
Все компоненты машины оформлены в виде законченных конструкций – модулей, имеющих стандартные размеры и стандартные средства соединения с ЭВМ, т.е. предусмотрена возможность быстрого подсоединения и отсоединения любого из них к ПЭВМ.
Состав ПЭВМ
Обычно ПК IBM PC состоят из 3х частей (блоков):
- системный блок;
- монитор (дисплей) для отображения текстовой и графической информации;
- клавиатура, позволяющая вводить символы в компьютер.
Системный блок является самым главным, т.к. в нем располагаются все основные узлы компьютера. К системному блоку можно подключать различные внешние (периферийные) устройства, расширяя тем самым его функциональные возможности.
Аппаратное подключение периферийного устройства к магистрали производится через контроллер.
Периферийные устройства выполняют функции ввода и вывода информации и разделяются на следующие группы:
- Устройства ввода: сканер, цифровые фото- и видеокамера, графический планшет, дигитайзер;
- Устройства вывода: принтер, графопостроитель, плоттер (устройство для вывода информации);
- Внешние запоминающие устройства: дисководы, стример;
- Устройства управления: мышь, трекбол, контактная панель, джойстик;
- Устройства, выполняющие одновременно функции ввода и вывода информации в/из ПЭВМ: модем, звуковая приставка, сетевая плата.
Микропроцессор
Самым главным элементом в компьютере, его «мозгом» является микропроцессор. Он находится на материнской плате внутри системного блока.
Микропроцессор - это микросхема, которая производит все арифметические и логические операции, осуществляет управление всем процессом решения задачи по заданной программе. Не случайно тип ПЭВМ определяется типом его процессора. Микропроцессор умеет выполнять сотни различных операций и делает это со скоростью сотни миллионов операций в секунду.
Главная характеристика микропроцессора – это быстродействие. Скорость работы процессора определяется тактовой частотой. Такт – это время выполнения процессором элементарной внутренней операции. Тактовая частота – это количество тактов, выполняемых процессором в секунду, чем выше тактовая частота, тем выше производительность (быстрее работает) и цена микропроцессора. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц). Тактовая частота обозначается цифрой в названии процессора (например, Pentium 4-1200, т.е. процессор поколения Pentium 4 с тактовой частотой 1200 МГц или 1,2 ГГц).
Микропроцессор, как и любое устройство ЭВМ работает лишь с двоичными числами (0 и 1). Максимальная длина (количество разрядов) такого числа, которое может обрабатывать микропроцессор, есть его разрядность. Обычно разрядность равна 8, 16, 32 (в старых моделях) и 64 (в новых).
Запоминающие устройства (ЗУ)
Запоминающие устройства предназначены для хранения программ и данных и делятся на несколько видов: оперативные ЗУ (ОЗУ), кэш-память, постоянные ЗУ (ПЗУ), внешние ЗУ (ВЗУ).
Оперативная память (ОЗУ) – неотъемлемая часть любой ЭВМ. Это быстродействующее запоминающее устройство сравнительно небольшого объема, реализованное в виде набора микросхем. Из нее процессор берет программы и входные данные для обработки, в нее он записывает полученные результаты. Таким образом, оперативная память служит для обработки программы в заданный момент времени. Память называется оперативной, т.к. она работает очень быстро, так что процессору не приходится ждать при чтении данных из памяти, а также при записи в память. Но оперативная память обеспечивает хранение информации лишь в течение сеанса работы ПЭВМ. После выключения из сети данные, хранимые в памяти, теряются безвозвратно! (Часто для обозначения оперативной памяти используется обозначение RAM – random access memory, т.е. память с произвольным доступом).
Объем памяти в современной ОЗУ может достигать до 4 Гбайт. Время выборки данных из ОЗУ считается нормальным 70 наносекунд (нс).
Кэш-память - название «кэш» происходит от англ. - cache, которое означает «тайник».
Данные, хранимые в кэш-памяти недоступны для прикладного программного обеспечения. Кэш представляет собой сверхоперативную память небольшого объема, в которой хранятся наиболее часто используемые участки оперативной памяти. Тем самым она ускоряет выполнение операций в памяти ПЭВМ. Основная идея работы кэш-памяти заключается в том, что извлеченные из ОЗУ данные или команды программы копируются в кэш. Если данные потребуются повторно, то не надо будет терять время на обращение к оперативной памяти – из кэш-памяти получить данные значительно быстрее (время выборки – 15-20 нс). Кэш-память может содержать до трех уровней и иметь объем до 2 Мбайт и выше. При этом первичный кэш (самая быстрая) встроен непосредственно внутрь процессора, а вторичный устанавливается на системной плате (менее быстрая, но более объемная кэш-память).
Постоянная память (ПЗУ) – это часть памяти, доступная лишь для чтения данных и программ, «зашитых» в него при изготовлении ПЭВМ. ПЗУ реализовано отдельной микросхемой, в нем хранится часть операционной системы, программа начальной загрузки – базовая система ввода-вывода (BIOS). BIOS обеспечивает включение ПЭВМ в работу и тестирование его устройств. Эти данные не могут быть изменены, их можно только считывать. (ROM – read only memory, память только для чтения). Постоянная память не стирается при выключении компьютера.
Системная шина – комплекс проводных каналов связи, соединяющих различные компоненты системной платы (конструктивно она выполнена заодно с платой). В разных системных платах используются шины различных типов: ISA (устаревшая), VESA, PCI и одна из новейших шин LPG. Шина – это системная магистраль передачи данных от устройства к устройству. Чем выше частота шины – тем больше данных поступает за единицу времени к процессору. Все устройства взаимодействуют с процессором и оперативной памятью, используя шину.
Порты – разъемы, с помощью которых к системному блоку подключаются периферийные устройства. Порты общего назначения бывают двух видов: параллельные (LPT1 – LPT4) – обычно 25 контактов, и последовательные (COM1 – COM3) – обычно 9 контактов, но возможно и 25. Параллельные порты выполняют ввод и вывод данных с большей скоростью, чем последовательные, но требуют и большего числа приводов. Например, к параллельному подключается принтер, к последовательному – мышь. Порты обеспечивающие беспроводное взаимодействие устройств называются инфракрасными.
Наиболее популярен вид портов – USB. Он позволяет подключать до 256 устройств.
Внешняя память (ВЗУ) – это место длительного хранения данных, не используемых в данный момент в оперативной памяти компьютера. ВЗУ в отличие от ОЗУ, не является энергозависимой, т.е. информация сохраняется независимо от того, работает компьютер или нет. Для работы с внешней памятью необходимо наличие накопителя (устройства, обеспечивающего запись, считывание информации) и устройства хранения – носителя.
Основные виды накопителей:
- накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) (устаревшие);
- накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);
- накопители CD-ROM, DVD.
Им соответствуют основные виды носителей:
- гибкие магнитные диски (Floppy Disk) (устаревшие);
- жесткие магнитные диски (Hard Disk);
- диски CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD-R, DVD-RW.
Гибкие магнитные диски (дискеты) – использовались в качестве внешней памяти и предназначались для обмена информацией между ЭВМ, для сохранения данных вне ЭВМ. Имели размер 3,5” (дюйма) (1дюйм = 2,54 см, т.е размер дискеты 89 мм), емкость 1,44 Мб. Назначение: обмен информацией между ЭВМ, сохранение данных вне ЭВМ. Недостатки: низкая надежность, малый срок службы, самая низкая скорость доступа к данным, чувствительность к магнитным полям.
Накопители на жестких магнитных дисках (НМД или винчестеры) представляют собой ВЗУ, в которых носителем информации являются жесткие несменные магнитные диски, объединенные в пакет.
Назначение: долговременное (постоянное) хранение информации, используемой при работе с ПЭВМ – операционных систем, оболочек, инструментальных программ и т. д.
Винчестер устанавливается в корпус системного блока и внешне представляет собой герметичную коробку, внутри которой расположены диски, магнитные головки чтения-записи, механизмы вращения дисков и перемещения головок. При отказе жесткого диска данные, хранимые в нем, теряются безвозвратно.
Емкость НМД – основная его характеристика. Современные модели ПЭВМ имеют НМД емкостью до 500 Гбайт и выше. Скорость чтения данных – 10-15 Мбайт/с.
Флэш-карта (flash – память) – устройство, как и НЖМД, для долговременного хранения данных с возможностью многократной перезаписи. Реализовано на микросхемах памяти (т.е. так же, как ОЗУ).
Достоинства: устойчивость к ударам, малая мощность, надежность в работе, малогабаритность, отсутствие механических и движущихся частей. Объем памяти: до 16 Гбайт и более.
Накопители на жестких сменных магнитных дисках – назначение: резервирование информации и транспортировка. Достоинства: большая емкость диска.
Дисководы для работы с лазерным диском – эти системы служат для чтения информации с компакт-дисков различного вида. При эксплуатации лазерный диск не портится так, как дискета, поэтому обеспечивается высокая надежность хранения информации на диске и большой срок службы диска. Емкость 650-700 Мбайт. В целях сохранения информации на CD-ROM дисках их необходимо оберегать от загрязнения.
Виды компакт-дисков:
- CD-ROM (Compact Disk – Read Only Memory) – память предназначена только для чтения на компакт-диске. Запись на компакт диск выполняется только в производственных условиях и возможна только 1 раз, считывать информацию можно неограниченное количество раз. Объем памяти обычно 680 Мбайт. Скорость считывания до 7500 Кб/с.
- CD-R диски - запись на него возможна только 1 раз, производится пользователем с помощью записывающего дисковода.
- CD-RW диски – обеспечивают возможность многократной перезаписи информации на диск (до 1000 циклов) пользователем с помощью специального записывающего дисковода. Скорость считывания данных значительно ниже, чем у обычных CD и CD-R.
- DVD диски – это так называемые цифровые диски. Основное отличие от других дисков – более высокая плотность записи информации. Считается, что плотность DVD дисков примерно 4,7 Гбайт, но может достигать 17 Гбайт. Кроме того, используются две стороны диска, и на каждой стороне информация может храниться в двух слоях, таким образом, один диск может иметь четыре рабочих области. Различают диски: DVD-R – только для чтения и DVD-RW – для чтения и записи.
Монитор
Монитор – это электронное устройство для визуального представления информации. Находят применение в основном 3 вида мониторов:
1. ЭЛ-мониторы - мониторы с электронно-лучевой трубкой – изображение выводится по «строчкам», которые рисует электронный луч, пробегая по экрану. Цена таких мониторов сравнительно небольшая. Одним из самых больших
недостатков лучевых мониторов – вредное воздействие на здоровье человека. При длительной работе и несоблюдении правил техники безопасности ухудшается зрение, возникают головные боли. На пользователя попадают вредные лучи, экран слегка мерцает, происходит сжигание кислорода в комнате.
2. Мониторы на жидких кристаллах с плоским экраном - жидкокристаллические (LCD-дисплей) – экран этого монитора представляет собой матрицу, каждый элемент которой – жидкий кристалл. Кристаллы сами не светятся, он освещаются специальными лампами.
К достоинствам этих мониторов прежде всего следует отнести отсутствие вредного излучения, мерцания экрана (имеют более четкое и устойчивое изображение), отсутствие сжигания кислорода в помещении. Кроме того, они имеют малый вес, малую толщину и небольшое потребление электроэнергии. Цена больше, чем у лучевых мониторов (объясняется сложностью процесса изготовления). Цветопередача и яркость этих мониторов зависят от угла зрения.
3. Газоплазменные мониторы – экран этих мониторов, как и жидкокристаллических, содержит матрицу, но ячейки заполнены не жидкими кристаллами, а газовой смесью. Плазменные мониторы – это мониторы с тонким, но очень большим экраном (40" и больше по диагонали). Газовая ячейка не может быть пока такой же маленькой, как жидкокристаллическая, поэтому смотреть на такие мониторы нужно с большого расстояния, иначе заметна клетчатая структура экрана (домашний кинотеатр). Изображение получается высокого качества, и оно не зависит от угла зрения. Плазменные мониторы безвредны для зрения и здоровья в целом. Существенным недостатком является высокая потребляемая мощность. У плазменных мониторов сравнительно небольшой срок службы (5-10 лет). Это связано с довольно быстрым выгоранием элементов, свойства которых быстро ухудшаются, и экран становится менее ярким.
Во многом возможности монитора определяет видеоплата.
Структура экрана
У монитора любого типа поверхность экрана разбита на отдельные малые элементы (так называемые «пиксели»), каждый из которых может активизироваться, «включаться» независимо от прочих, при этом на экране видна светящаяся точка. Пиксели на экране располагаются в несколько рядов (строк) с равным числом точек в строке: 640 (точек в строке) x 200 (строк). На плоскость экрана монитора накладывается некоторая система координат, и каждая точка экрана определяется своими координатами в этой системе. Включая определенные сочетания точек, можно получить на экране изображение любой линии, кривой или фигуры.
Режимы работы:
1. Графический режим работы монитора предназначен для вывода на экран графиков, рисунков и т. д. При этом режиме также можно выводить и текстовую информацию в виде различных надписей произвольного шрифта, размера букв и т.д., можно задавать цвет каждой.
2. Текстовый режим используется для вывода текста. В этом режиме экран монитора условно разбивается на отдельные участки размером 8х8 точек (подобный участок называется «знакоместо»), т.е. на экране размера 640х200 точек размещается 25 строк по 80 знакомест в строке. В каждое знакоместо может быть введен один символ текста, изображения.
Основные характеристики монитора:
- Тип монитора – EGA, VGA (640х480; 800х600), SVGA (SuperVGA: 1024х768; 1280х1024) – каждому типу мониторов соответствует свой тип видеоплаты.
- Глубина цвета – количество одновременно воспроизводимых цветов (определяется размером видеопамяти).
- Размер экрана – 14", 15", 17", 19", 21", 27" и даже 29"(дюймов по диагонали).
- Разрешающая способность выражается числом точек на экране по вертикали и горизонтали, например 640х480; 1024х768; 1280х1024 точек. Один и тот же монитор в разных режимах работает с разной разрешающей способностью. Режим работы монитора определяется видеоплатой.
- Величина точки (пикселя), чем меньше точка, тем лучше качество изображения монитора. Нормальным считает размер точки 0,25 мм. (Существуют также и 0,22 мм).
- Частота смены кадра (частота кадровой развертки), чем она выше, тем меньше утомляемость глаза (должна быть не менее 70 Гц).
Периферийные устройства
Устройства управления
Клавиатура - служит для ввода информации в ПЭВМ и управления ее работой. На клавиатуре имеются алфавитно-цифровые клавиши, специальные клавиши.
Мышь – портативный манипулятор, обеспечивающий перемещение курсора по экрану монитора при перемещении манипулятора (мыши) по ровной поверхности.
Виды:
- беспроводная мышь – сигнал от мыши к ПЭВМ передается с помощью миниатюрного радиопередатчика.
- оптическая мышь – используется специальный коврик и луч света вместо шарика.
Трекбол выглядит как перевернутая мышь, но значительно большего размера. Он не перемещается, а вместо этого пользователь крутит шарик.
Контактная панель – это плоская коробочка размером 76х70мм, соединенная с ПЭВМ кабелем. Внешняя крышка ее представляет собой экран. Для перемещения курсора пользователь перемещает палец по экрану. Щелчок пальца по экрану – то же, что нажатие кнопки мыши.
Джойстик – игровой манипулятор, устройство для ручного управления движения курсором на экране монитора. Используется в основном с игровыми программами.
Устройства вывода
Принтеры:
- Матричные принтеры.
Матричный принтер имеет печатающую головку с тонкими иголочками (обычно 9 или 24). Бумага втягивается с помощью вала, а между бумагой и головкой принтера располагается красящая лента. Головка перемещается слева направо по листу бумаги. Иголочки выдвигаются вперед электромагнитами, ударяют по красящей ленте и оставляют следы на бумаге.
Можно, используя копирку, получать несколько экземпляров документа за один раз.
Недостатки: среднее качество печати (особенно плохо с картинками), один цвет, высокий уровень шума при работе, достаточно низкая скорость работы.
Достоинства: дешевы как сами принтеры, так и расходные материалы к ним (бумага, красящая лента, копирка). Матричные принтеры могут работать с любым типом бумаги.
В настоящее время матричные принтеры могут применяться в кассовых аппаратах и т. п.
- Струйные принтеры.
В струйных принтерах изображение формируется микроскопическими каплями специальных чернил, вылетающих на бумагу через маленькие отверстия-сопла. Цветное изображение формируется за счет наложения друг на друга четырех основных цветов (голубой, пурпурный, желтый, черный). Качество печати зависит от количества сопел в печатающей головке – чем их больше, тем выше качество. Большое значение имеет качество и толщина бумаги. Для струйных принтеров выпускается специальная бумага, но можно печатать и на обычной плотной бумаге. В некоторых принтерах для быстрого высыхания чернил используют подогрев бумаги. Разрешение струйных принтеров при печати графики составляет от 300 x 300 до 720 x 720 dpi (dots per inch – точек на дюйм).
Достоинства: По сравнению с матричными принтерами этот способ печати обеспечивает лучшее качество печати и более высокую производительность. Удобен для реализации цветной печати. Уровень шума значительно ниже, чем игольчатых принтеров, т.к. его источником является только двигатель, управляющий перемещением печатающей головки. Сами принтеры достаточно недорогие.
Недостатки: требовательность к бумаге, большая стоимость расходных материалов, возможность засыхания чернил внутри сопла, что приводит к необходимости замены печатающей головки. Возможность размывания изображения при попадании влаги на документ, напечатанный на струйном принтере.
- Лазерные принтеры.
В настоящее время обеспечивают наилучшее качество печати. В лазерных принтерах используется лазерный луч, управляемый компьютером. В принтере имеется валик, покрытый полупроводниковым веществом, которое электризуется от попадания лазерного света. Луч при помощи поворотного зеркала направляется в то место валика, где должно быть изображение. Это место электризуется и к нему «прилипают» мельчайшие частицы сухой краски, которая находится в контейнере под валиком. После этого валик прокатывается по листу бумаги, и краска переходит на бумагу. Для закрепления на бумаге красящего порошка ее пропускают через нагревательный элемент – ролик, что приводит к спеканию краски.
К основным характеристикам лазерных принтеров относятся:
разрешающая способность, dpi (dots per inch – точек на дюйм);
производительность (страниц в минуту);
формат используемой бумаги;
объем собственной оперативной памяти.
Стоимость цветного лазерного принтера значительно выше, чем черно-белого. Лазерные принтеры со средними возможностями печатают 4-8 страниц в минуту, высокопроизводительные могут печатать до 20 и более страниц в минуту. Печать сложных графических изображений занимает больше времени.
Разрешение по вертикали соответствует шагу барабана и составляет от 1/300 до 1/600 дюйма. Разрешение по горизонтали определяется точностью наведения лазерного луча и количеством точек в строке и составляет 1/300 до 1/1200 дюйма. Минимальный объем памяти лазерного принтера не менее 1 Мбайт. Цветные принтеры требуют большего объема памяти.
Устройства ввода
Сканер - служит для считывания с листа бумаги и ввода в ПЭВМ изображения: фотографию, страницу журнала, книги, рукопись. Сканер вводи изображение в ЭВМ как множество точек, указав для каждой координаты и номер цвета.
Для считывания текста необходимы различные программы, которые преобразуют это множество точек изображения, представляющего текст, в последовательность символов. Например, для работы с русским текстом необходима программа Finereader. Есть программы, способные распознавать даже рукописный текст. Можно отсканировать страницу с текстом (как картинку), а затем с помощью специальной программы преобразовать изображение в настоящий текст, с которым можно работать в текстовом редакторе.
Сканирование выполняется при помощи светового луча. Источник света перемещается вдоль оригинала, считывая изображение.
Сканеры бывают:
- ручные – самые небольшие и дешевые. Пользователь самостоятельно медленно и равномерно перемещает ручной сканер по всей площади сканируемого изображения. Но главный недостаток – размер изображения (не более 10 см).
- барабанные используются в типографии, больших размеров.
- планшетные обеспечивают наивысшее качество изображения, планшетный сканер сам перемещает источник света вдоль оригинала, уложенного на стекло. Планшетные сканеры успешно работают с форматом картинки вплоть до формата А4. Есть сканеры формата А3 и даже А2, но их цена и громоздкость делает их неприемлемыми для обычных домашних пользователей.
Основная характеристика сканера – число воспроизводимых цветов, а также разрешающая способность, определяющая качество изображения, выражающаяся как и для принтеров в dpi (dots per inch – точек на дюйм).
Графический планшет - это планшет со специальным покрытием, на котором можно писать графическим пером. Все, что написано, будет введено в ПЭВМ в виде изображения. Графическое перо – аналог мыши.
Цифровая фотокамера - имеет размеры обычного фотоаппарата. Съемка выполняется обычным способом, но изображение воспринимается светочувствительным датчиком-матрицей, содержащим большое число пикселей-фотодатчиков, и запоминается затем в ЗУ. При подключении его к ПЭВМ на экране появляется кадр, который можно распечатать на принтере. Качество снимка определяется в основном размером датчика-матрицы. В зависимости от модели от может быть 1024х1536, 2048х3072 и более. Размер внутреннего ЗУ различен.
Устройства, выполняющие одновременно функции ввода и вывода
Звуковая приставка – это комплекс устройств для качественного воспроизведения звука, компьютерной имитации голоса, голосового управления ПЭВМ, для записи звука и программы. Включает звуковую плату, звуковые колонки, микрофон. Звуковая плата – это устройство, позволяющее представлять звуковые колебания в цифровом виде.
Сетевой адаптер – это плата, обеспечивающая работу ПЭВМ в составе локальной компьютерной сети. Дает возможность доступа к данным на других ПЭВМ (в пределах одной организации), коллективно использовать периферийные устройства ЭВМ (принтеры, сканеры и пр.).
Модем – это устройство сопряжения ПЭВМ с телефонной линией. Позволяет подключать ПЭВМ к глобальной компьютерной сети, обеспечивая пользователю возможность доступа к «чужим» ПЭВМ, удаленным на тысячи километров. Такой модем называется аналоговым. При работе модем сначала дозванивается по выбранному нами телефону поставщика услуг Интернет, т.е. до другого модема, а затем происходит передача данных.
Важная характеристика – это скорость модема от 2400 до 115200 бит/с, но большинство отечественных телефонных линий могут передавать информацию со скоростью не более 14400 бит/с (медленно, узкий диапазон частот, шум).
Существуют и другие модемы – кабельные, цифровые. Они посылают сигнал по цифровым каналам (волоконно-оптические кабели или линии кабельного телевидения).
Передача компьютерных данных – лишь часть того, что умеет современный модем. Большинство современных модемов (точнее – факс-модемов) может автоматически пересылать подготовленные на вашем компьютере документы на факс, а также выполнять обратную операцию, прием факсов. Могут работать автоответчиком, определителем номера. Главной же функцией остается передача данных от компьютера к компьютеру.
Модемы бывают внутренние (встраиваются внутрь системного блока) и внешние.
|
Интересный факт
Первое описание таких странных веществ, как жидкие кристаллы, было сделано еще в 1888 году. Первый дисплей на них был создан в 1966 году, но интересен он был лишь с точки зрения науки, а не практики, так как работал лишь при температуре 80°С и имел очень маленькие размеры. Сегодня технология изготовления LCD-дисплеев достигла того уровня, когда бракованным считается экран, на котором не работает всего одна точка.
|
 |
| |
