Глава 4 Устройство и принципы работы ПК

Глава 4 Устройство и принципы работы ПК

Персональные компьютеры представляют наиболее многочисленный и разнообразный по составу класс ЭВМ. Они используются при решении самых разных задач не только профессиональными программистами, но и специалистами других областей знаний и деятельности. К ПК относится ЭВМ, управляемая одним пользователем и предоставляющая пользователю в каждом сеансе работы все свои ресурсы.

Перспективы и направления развития ПК. Специалисты считают, что в начале XXI века в цивилизованных странах произойдет смена основной информационной среды. Удельные объемы информации, получаемой обществом по традиционным информационным каналам (радио, телевидение, печать) и компьютерным сетям, можно проиллюстрировать следующей диаграммой, показанной на рисунке

Устройство ПК

Главные отличительная черта структуры ПК – наличие системной шины, которая позволила реализовать модульный принцип построения ПК

СШ – позволяет всем модулям ПК взаимодействовать и обмениваться информацией Архитектура с общей СШ обеспечивает простоту и дешевизну ПК, а также унифицирует алгоритмы взаимодействия его частей, облегчая программирование.С другой стороны, СШ – узкое место в ПК, т.к ограничивает производительность Причина: в каждый момент времени посредством СШ могут обмениваться информацией только два устройства ПК, остальные стоят

СШ состоит из трех шин: адреса. данных и управления

Разрядность шин: адреса – 16-64 бит, данных – 32-64 (внутренняя шина процессора 128-256) бит - разрядность этой шины равна объем информации за одно обращение ПК к системе. Шина управления содержит 2-100 линий и передает сигналы, определяющие направление передачи по шине данных, тип передачи и т.д. Шины адреса обычно однонаправленная, но бывает и двунаправленная. Шина управления – всегда двунаправленная.

Процессор ( МП)- главное устройство ПК, которое осуществляет вычисления по хранящейся в основной памяти программе и обеспечивает общее управление компьютером. МП, как минимум, сдержит: АЛУ, МПП и УУ. АЛУ предназначенно для выполнения арифметических и логических операций или собственно вычислитель ПК

Устройство управления ( УУ ) – общее управление вычислительным процессом по программе и координацию работы всех устройств ПК. МПП - для хранения результов, получаемых АЛУ

Сопроцессор – специальный процессор для решения задач определенного класса, например, математический или графический сопроцессор. Расширяет набор команд ПК. Когда основной процессор получает команду не входящую в его набор, он передает управление сопроцессору с целью ее выполнения.

Основная память (ОП) –запоминающее устройство, напрямую связанное с МП и предназначенное для хранения выполняемых программ и данных, непосредственно участвующих в операциях. Характеризуется относительно высоким быстродействием но ограниченным объемом.

ОП делится на два основных вида: ОЗУи ПЗУ

ОЗУ (оперативное ЗУ) – прием, хранение и выдача информации. Содержит программы и данные, доступные для использования МП, а также промежуточные и окончательные результаты. Энергозависима, те после выключения питания содержимое теряется

ПЗУ (постоянное ЗУ) – содержит универсальные и часто-используемые программы и данные, в частности программы операционной системы. В начальный момент работы ПК обращается к ПЗУ Ее содержание не изменяется в процессе работы и после выключения – энергонезависима

МП в своей работе использует только ту информацию которая хранится в ОП Если программы или данные находятся в другом устройстве, то их следует предварительно разместить в ОП (ОЗУ)

Логически ОП - это совокупность ячеек, доступ к каждой осуществляется путем указания ее адреса.

Переферийные устройства. Периферийным называется устройство, конструктивно отделенное от центральной части ПК =МП+ОП, имеющее собственное управление и выполняющее запросы МП без его непосредственного вмешательства.

Существуют 2 основные группы ПУ

1) Внешние запоминающие устройства ( ВЗУ )- предназначены для долговременного хранения больших массивов информации – энергонезависимы, но более медленны, чем ОЗУ: накопитель на магнитных дисках (жесткие диски), накопители на оптических дисках и тд.

2 Устройства ввода /вывода( УВВ ) – обеспечивают общение пользователя с ПК: дисплеи, клавиатура, мышь, принтер, сканер, монитор, мультимедийный проектор, синтезатор речи и тд

Делятся на:

Основные: дисплей, клавиатура и, как минимум, один накопитель информации(ВЗУ)

Дополнительные: все остальные-увеличивают эффективность использования ПК

ПУ подключаются к системной шине через АПУ– ПВВ.

ПВВ - порт ввода /вывода -этоустройство, снабженный схемами записи и считывания информации. Хранит информацию до обращения МП (ввода) или подключения ПУ (вывода). Имеет свой адрес Каждое стандартное ПУ закреплено за ПВВ с определенными адресами

АПУ - адаптер периферийного устройства- синоним «контроллер» - может иметь собственный МП и память. Служит для:

1) непосредственного управления ПУ по запросам от МП;

2) согласует интерфейс ПУ с интерфейсом СШ.

Интерфейс – 1) система стандартов и соглашений на конструктивные, электрические и информационныехарактеристики модулей ПК, которые он объединяет;

2) совокупность средств сопряжения и связи с другими устройствами= шина.

Типы шин:

1) Основная системная шина – шина памяти – связывает МП и ОЗУ

2) Общая системная шина - для связи с остальными устройствами, включает в себя локальные (PCI, AGP) и переферийные шины (USB, Fire Wire, Wi-Fi, Blue Toth)

МП должен реагировать на происходящие события(нажатие клавиши, деление на нуль и т.д.). Необходимую реакцию на событие обеспечивает система прерываний. Прерывание.= ситуация, требующая реакции МП при возникновении определённого события. При возникновении П. текущая программа прервется и выполняется другая последовательность инструкций, стандартных для данного П. После её исполнения выполнение программы может быть продолжено, если это целесообразно.

§ 5

Остальные устройства ПК

Источник питания - обеспечивает э/ энергией все устройства ПК.

2 типа – 1) сетевые, 2) автономные (аккумуляторы.) В дорогих серверных системах используют параллельные (дублирование) источники питания.

Для повышения надежности ПК используют:

Сетевые фильтры – защищают от высокочастотных помех, например, работа электродрели.

Источник бесперебойного питания – поддерживает автономную работу системы при полном отключении э/э на время 5 мин – 1 час. Состоит из сетевого фильтра, аккумулятора и преобразователя напряжения в 220 V

Мышь – манипулятор. Позволяющий управлять работой ПК. Современная оптическая мышь имеет сложное устройство. В нижней части мыши установлен специальный светодиод, который подсвечивает поверхность, по которой перемещается мышь. Миниатюрная камера «фотографирует» поверхность более тысячи раз в секунду, передавая эти данные процессору, который и делает выводы об изменении координат. Оптические мыши они не требуют специального коврика и работают практически на любых поверхностях, кроме зеркальных. Предполагалось, что такие мыши будут работать на произвольной поверхности, однако вскоре выяснилось, что многие продаваемые модели не так уж и безразличны к рисункам на коврике. На некоторых ковриках наблюдаются хаотичным движениям указателя, абсолютно неадекватным реальному перемещению. Для склонных к таким сбоям мышей необходимо подобрать коврик иным рисунком или вовсе с однотонным покрытием.

Клавиатура = основное устройство ввода информации и управления работой ПК.

К = матрица клавиш + электронный блок для преобразования нажатия в двоичный сигнал. Система расположения клавиш стандартизирована. Стандартная компьютерная клавиатура, также называемая клавиатурой PC/AT или AT-клавиатурой имеет 101 или 102 клавиши. Система расположения клавиш стандартизирована.

.Многие современные компьютерные клавиатуры, помимо стандартного набора из ста четырёх клавиш, снабжаются дополнительными клавишами (как правило, другого размера и формы), которые предназначены для упрощённого управления некоторыми основными функциями компьютера:

· управление громкостью звука;

· управление лотком привода для компакт дисков;

· управление аудиопроигрывателем:

· управление сетевыми возможностями компьютера:

· управление состоянием компьютера: перевести в ждущий режим, перевести в спящий режим, пробудить компьютер, выключить компьютер.

Так как многие из этих функций (управление звуком и воспроизведением звукозаписей, управление компакт-дисками и т. п.) относятся к сфере мультимедиа, то такие клавиатуры часто называют мультимедийные клавиатуры.

DVD

Изначально «DVD» расшифровывалось как «Digital Video Disc» (цифровой видеодиск), поскольку данный формат первоначально разрабатывался как замена видеокассетам. Позже, когда стало ясно, что носитель подходит и для хранения произвольной информации, многие стали расшифровывать DVD как Digital Versatile Disc (цифровой многоцелевой диск). D= 120 мм, 80 мм.

Бывают: односторонние, Двухсторонние, с одним или двумя рабочими слоями с каждой стороны.

Односторонний, 1 слой – 4, 7 Гбайт

1 сторона, 2 слоя -8, 5 Гбайт

2 стороны 2 слоя – 17 Гбайт

Емкость диска D= 80 мм – в 2 – 3 раза меньше

Увеличение емкости по сравнению с СD достигнуто

1) за счет уменьшения длины волны лазера с 0, 76 мкм до 0, 65 – 0, 635 мкм, что обеспечило возможность снизить размер питов для записи приблизительно наполовину, а расстояние между отдельными дорожками – с 1, 6 до 0, 74 мкм. Т.Е увеличилась область записи информациии

2) Для записи используется более совершенный код, который позволяет экономить 1 байт на 2 бита при сохранении крайней надежности хранения информации. (код Рида - Соломона)

При воспроизведении двухслойного диска луч лазера вначале считывает информацию, записанную на нижнем, более глубоком слое, а затем автоматически перефокусируется на верхний, полупрозрачный слой. Выравнивающая память проигрывателя компакт-дисков работает таким образом, чтобы зритель не заметил перехода от одного слоя к другому.

За единицу скорости передачи информации для DVD-дисков принято значение 1.385 Мбайт/с. Т.е. если на приводе указано значение скорости чтения DVD 8X, то реальная скорость составляет 8х1.385 Мб/с=11.08 Мбайт /с.

Blue Ray – формат оптического диска. Диаметр -120 мм. для чтения и записи используется лазер с длиной волны 405 нм. Отсюда – более высокая плотность записи. Однослойный диск Blu-ray (BD) может хранить 25 ГБ, двухслойный диск может вместить 50 ГБ, трёхслойный диск может вместить 100 ГБ, четырёхслойный диск может вместить 128 ГБ.

Скорость передачи данных достигает 54 Мбайт в секунду. Предназначен для записи и хранения цифровых данных с повышенной плотностью, включая видео высокой четкости.

Флэш-накопители

Флэш-память – это энергонезависимая перезаписываемая память на основе полевых транзисторов с плавающим затвором. Такой транзистор содержит два затвора - управляющий и плавающий. При записи на управляющем затворе создаётся электрическое поле и возникает туннельный эффект. При этом некоторые электроны туннелируют через слой изолятора и попадают на плавающий затвор, который способен их удерживать до 5-10 лет. Появившийся на плавающем затворе заряд изменяет «ширину» канала сток-исток и его проводимость, что используется при чтении. Для стирания информации на управляющий затвор подаётся высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток.

Такой принцип действия приводит к тому, что при записи устройства флеш-памяти потребляют значительно больше энергии, чем при чтении. Кроме того, скорость чтения флеш-памяти значительно превышает скорость записи, оставаясь при этом меньшей, чем у жестких дисков. Скорость обмена также ограничивается пропускной способностью USB-порта, наиболее часто используемого для подключения флеш-памяти. Количество циклов записи в устройствах флеш-памяти ограничено и обычно составляет 100 тысяч (максимально – до миллиона) циклов, а максимальная емкость может достигать сотен и даже тысячи гиглбайт (2009 год).