Введение
Как ранее было сказано, в основе работы компьютера лежит магистрально-модульный принцип. В данном уроке будут подробно рассмотрены основные характеристики модулей компьютера.
Материнская плата
Центральной частью ПК является материнская плата (Рис. 1).
Рис. 1. Материнские платы различных годов выпуска (слева – более ранняя, справа – современная) (Источник 1) (Источник 2)
Она находится в системном блоке. На ней располагается центральный процессор (ЦП), контроллеры (например, управления памяти, управления внешними устройствами). Материнская плата – это сложная многослойная печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера либо сервера начального уровня.
К ней подсоединяется такие модули компьютера, как центральный процессор, контроллер оперативной памяти (ОЗУ и ПЗУ), контроллеры базовых элементов ввода-вывода (BIOS). Материнская плата непосредственно определяет и координирует работу таких различных по своей сути и функциональности комплектующих, как процессор, оперативная память, платы расширения и различные накопители данных.
Также в материнскую плату встроен генератор тактовой частоты, который синхронизирует работу всех устройств компьютера (Рис. 2).
Рис. 2. Микросхема тактового генератора, установленного в ноутбуке (Источник)
Такт – это промежуток времени между двумя импульсами генератора тактовой частоты. Для выполнения одной элементарной операции необходимы несколько тактов. Тактовая частота первых ПК составляла 4,77 МГц. Современные компьютеры имеют частоту 2,5 ГГц. Важная характеристика материнской платы – это ее производительность. Она определяется тактовой частотой и разрядностью данных, передаваемых одновременно по общей шине. По общей шине передаются управляемые сигналы от процессора к другим устройствам компьютера. Архитектура, производительность материнских плат постоянно совершенствуется. Увеличивается количество портов.
Порт – это многоразрядный вход и выход, через который подключаются другие устройства компьютера. Эти порты выводятся на заднюю, переднюю либо боковую панель системного блока. Наиболее известные порты – это LPT-порт (параллельный), COM-порт (последовательный). Через эти порты подключаются принтеры, мыши, клавиатуры и т. д., но со временем появился USB-порт (Universal Serial Bus), к которому стали подключать все эти устройства.
Рис. 3. Различные порты компьютера (Источник)
Центральный процессор
Основной составляющей материнской платы является процессор (Рис. 4). Он отвечает за обработку информации и управления всеми модулями компьютера. Без него невозможна работа современного ПК.
Центральный процессор (ЦП; также центральное процессорное устройство – ЦПУ; англ. central processing unit, CPU, дословно – «центральное обрабатывающее устройство») – электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера.
Производительность процессора характеризуется такими параметрами:
- степень интеграции;
- внутренняя и внешняя разрядность обрабатываемых данных;
- тактовая частота;
- память, к которой может адресоваться ЦП.
Степень интеграции микросхемы показывает, сколько транзисторов (самый простой элемент любой микросхемы) может поместиться на единице площади. Для процессора Pentium Intel эта величина составляет приблизительно 3 млн на 3,5 кв. см, у Pentium Pro – 5,5 млн.
Внутренняя разрядность процессора определяет, какое количество бит он может обрабатывать одновременно при выполнении арифметических операций (в зависимости от поколения процессоров – от 8 до 32 бит).
Внешняя разрядность процессора определяет, сколько бит одновременно он может принимать или передавать во внешние устройства (от 16 до 64 бит в современных процессорах).
Тактовая частота определяет быстродействие процессора. Для процессора различают внутреннюю (собственную) тактовую частоту (с таким быстродействием выполняются внутренние простейшие операции) и внешнюю (определяет скорость передачи данных по внешней шине).
Количество адресов оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), доступное процессору, определяется разрядностью адресной шины.
Рис. 4. Центральный процессор персонального компьютера (Источник)
Для теплоотвода и предотвращения перегрева микропроцессора, применяются пассивные радиаторы либо так называемые кулеры. Кулер – система воздушного охлаждения – совокупности вентилятора и радиатора, устанавливаемых на электронные компоненты компьютера с повышенным тепловыделением (центральный процессор, графический процессор, микросхемы чипсета, блок питания).
Большинство современных процессоров для персональных компьютеров основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки данных, изобретенного Джоном фон Нейманом.
Память. Внутренняя память
Еще одним важным модулем компьютера является память. Она делится на внутреннюю и внешнюю. К внутренней памяти относится прежде всего постоянная память (или ПЗУ – постоянно запоминающее устройство, ROM – Read-only memory). Примером такой памяти является модуль BIOS. В него внедрена программа тестирования компьютера и первичной загрузки ОС.
Также к внутренней памяти относится оперативная память. Ее называют ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) или RAM (random access memory) (Рис. 5).
Рис. 5. Оперативная память персонального компьютера (Источник)
Оперативная память (англ. Random Access Memory, память с произвольным доступом; комп. жарг. «память», «оперативка») – энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой временно хранятся данные и команды, необходимые процессору для выполнения им операции (Рис. 6). Оперативная память часто рассматривается как временное хранилище, потому что данные и программы в ней сохраняются только при включенном компьютере или до нажатия кнопки сброса (reset). Перед выключением или нажатием кнопки сброса все данные, подвергнутые изменениям во время работы, вновь могут быть загружены в память. От объема оперативной памяти зависит количество задач, которые одновременно может выполнять компьютер.
Рис. 6. Простейшая схема взаимодействия оперативной памяти с центральным процессором (Источник)
Внешняя память
Кроме внутренней памяти есть еще и внешняя. Внутренняя память (кроме постоянной) энергозависима. Для того чтобы сохранить результат работы за компьютером, используют внешнюю память. Она не такая быстрая по сравнению с оперативной, но их объемы несопоставимы. По аналогии с указанными выше свойствами внутренней памяти свойства внешней памяти можно описать так:
- внешняя память энергонезависима. Информация в ней сохраняется независимо от того, включен или выключен компьютер, вставлен носитель в компьютер или лежит на столе;
- внешняя память медленнее по сравнению с оперативной; в порядке возрастания скорости чтения/записи информации, устройства внешней памяти располагаются так: магнитные ленты – магнитные диски – оптические диски;
- объем информации, помещающейся во внешней памяти, больше, чем во внутренней; а с учетом возможности смены носителей неограничен.
Носителями внешней памяти являются различные диски: жесткие, гибкие, оптические. Первыми носителями были гибкие диски (дискеты). Это портативный сменный носитель информации, используемый для многократной записи и хранения данных. Представляет собой помещенный в защитный пластиковый корпус диск, покрытый ферромагнитным слоем (Рис. 7).
Рис. 7. Дискета в разобранном виде (Источник)
При внимательном рассмотрении дискеты мы можем заметить дорожки. Перед использованием дискета форматируется. Форматирование дискеты заключается в разметке чистой дискеты на круговые дорожки и сектора. Чтобы начать работать с чистой дискетой, ее нужно сначала отформатировать, разметить. Отформатированная дискета имеет специальные, невидимые для пользователя во время работы разметочные записи. Вся дискета разбивается на круговые дорожки, а дорожки – на сектора. Стандартные трехдюймовые дискеты форматируются на 1,44 Мбайт.
Для считывания информации с дискет используется дисковод. На многих современных компьютерах он уже редко входит в полную комплектацию. Дискеты обычно имеют функцию защиты от записи, посредством которой можно предоставить доступ к данным только в режиме чтения. Дискеты были массово распространены начиная с 1970-х и до конца 1990-х годов (Рис. 8.), уступив место более емким и удобным CD и DVD-накопителям.
Рис. 8. Различные виды гибких дисков, начиная от самых первых моделей и заканчивая современными (Источник)
Жесткий диск
Еще одним из устройств внешней памяти является жесткий диск. Также его иногда называют винчестер, винт.
Жесткий диск – запоминающее устройство (устройство хранения информации) произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве современных компьютеров (Рис. 9).
Рис. 9. Жесткий диск, вид изнутри (Источник)
Конструкция винчестера представляет собой совокупность металлических дисков, которые покрыты особым веществом, способным сохранять влияние магнитного поля. Современные жесткие диски имеют от 1 до 3 таких дисков. Эти диски надежно сбалансированы и имеют гладкую поверхность из-за большой скорости их вращения. Запись на диск осуществляется специальными магнитными головками, обычно по одной с каждой стороны диска. Они реагируют на изменение магнитного поля через изменение силы тока, который возбуждается в головке. Сигнал считывается и преобразуется в цифровую форму.
Основными характеристиками жестких дисков являются:
- интерфейс (техническое средство взаимодействия 2-х разных устройств);
- емкость (количество данных, которые могут храниться накопителем);
- физический размер (размеры креплений и т. д.);
- время произвольного доступа (среднее время, за которое винчестер выполняет операцию позиционирования головки чтения/записи на произвольный участок магнитного диска);
- скорость вращения шпинделя (количество оборотов шпинделя в минуту);
- надежность (определяется как среднее время наработки на отказ);
- количество операций ввода-вывода в секунду;
- объем буфера (промежуточной памяти, предназначенной для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу).
По причине того, что жесткие диски являются прежде всего стационарными, т. к. очень чувствительны к любым воздействиям извне (удары, падения и т. д.), на смену им пришли внешние жесткие диски, которые подключаются к системному блоку через USB-порт и на которых можно переносить большие объемы информации. Объем таких дисков может быть от нескольких десятков гигабайт до нескольких терабайт. Объемы носителей внешней памяти постоянно растут. Помимо объема, важной характеристикой внешней памяти являются их физические размеры. Такая характеристика называется форм-фактор. Чем меньше физические размеры носителя, тем меньше потребляемая мощность.
USB-флеш-накопитель
На сегодняшний день все более популярными становится такой вид носителей информации как USB-флеш-накопитель, или по-простому «флешка».
USB-флеш-накопитель – запоминающее устройство, использующее в качестве носителя флеш-память и подключаемое к компьютеру или иному считывающему устройству по интерфейсу USB.
Основное назначение USB-накопителей – хранение, перенос и обмен данными, резервное копирование, загрузка операционных систем (LiveUSB) и др. USB-флешки обычно съемные и перезаписываемые.
Флешка состоит из следующих частей (Рис. 10):
- USB-интерфейс (Стандарт-А) – обеспечивает физическое соединение с компьютером;
- контроллер – небольшой микроконтроллер со встроенными ROM и RAM.
- NAND-чип – хранит информацию;
- осциллятор – генерирует синхронизирующий сигнал (12 МГц) и управляет выводом данных;
- на большинстве флешек используется файловая система FAT12, FAT16, FAT32, или ExFat.
Рис. 10. Устройство USB-флеш-накопителя (Источник)
Обычно устройство имеет вытянутую форму и съемный колпачок, прикрывающий разъем (Рис. 11). Современные флешки могут иметь самые разные размеры и способы защиты разъема. Обычный размер – 3–5 см, вес – меньше 60 г. Объем памяти на флешках постоянно растет. Если не так давно предельными значениями объема памяти для флешки считались 2 Гб, 4 Гб, то сейчас эти значения выросли до 32 Гб, 64 Гб. Безусловно, с развитием технологий растет и объем памяти флеш-накопителей.
Рис. 11. Внешний вид USB-флеш-накопителя (Источник)
Компакт-диски
Современные компьютеры оснащены дисководами (Рис. 12) для чтения компакт-дисков. Это могут быть CD-диски и DVD-диски.
Рис. 12. Оптический привод современных CD и DVD дисков (Источник)
Оптический привод – устройство, имеющее механическую составляющую, управляемую электронной схемой, и предназначенное для считывания и (в некоторых моделях) записи информации с оптических носителей информации в виде пластикового диска с отверстием в центре (компакт-диск, DVD и т. д.); процесс считывания/записи информации с диска осуществляется при помощи лазера.
Компакт-диск (CD-диск, англ. Compact Disc) – оптический носитель информации в виде пластикового диска с отверстием в центре. Дальнейшим развитием компакт-дисков стали DVD и Blu-ray, прообразом стала граммофонная пластинка.
Первыми появились CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) (Рис. 13), т. е. устройство только для чтения. В скором времени это перестало соответствовать действительности, т. к. появились пишущие CD-ROM, на них можно было, кроме чтения, осуществлять запись информации. Точно также получилось и при появлении DVD-ROM – вначале были только читаемые DVD-приводы, а затем появились записывающие.
Рис. 13. CD-диски. (Источник)
Внешних отличий у этих двух видов носителей информации не так много. Однако, помимо всего того, что умеет делать CD-ROM, DVD-ROM способен читать DVD-диски различных форматов. Принципы записи DVD- и CD-R-форматов во многом схожи. Самое основное отличие – это, естественно, размер записываемой информации. Если на обычный CD-диск можно записать до 800 Мб, то на один DVD-диск можно записать от 4,7 Гб.
В DVD употребляется лазер с наименьшей длиной волны, что позволило значительно прирастить плотность записи. Кроме этого, DVD предполагает возможность двухслойной записи информации, другими словами, на поверхности компакта находится один слой, поверх которого наносится очередной, полупрозрачный, и 1-й считывается через 2-й параллельно.
Список литературы
1. Босова Л.Л. Информатика и ИКТ: Учебник для 8 класса. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012.
2. Босова Л.Л. Информатика: Рабочая тетрадь для 8 класса. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010.
3. В.И. Левин, Носители информации в цифровом веке. – КомпьютерПресс, 2000., 256 стр.
4. Танненбаум Э. Архитектура компьютера. – 5-е изд. – СПб.: Питер, 2007. – 844 с.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
1. Интернет-сайт citforum.ru (Источник)
2. Интернет-сайт «КомпьютерПресс» (Источник)
3. Интернет-сайт informatika.sch880.ru (Источник)
Домашнее задание
1. Глава 2, §2.1, 2.2. Босова Л.Л. Информатика и ИКТ: Учебник для 8 класса. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012.
2. Какая составляющая является центральной частью ПК? Опишите ее основные функции.
3. Как называются входы и выходы, при помощи которых различные устройства подключаются к компьютеру?
4. Какие функции выполняет центральный процессор ПК?
5. Для чего компьютеру нужны два вида памяти: внешняя и внутренняя?
6. Назовите устройства внешней памяти компьютера.
7. Какие существуют типы оптических дисков?
