Структура персонального компьютера

Содержание

Содержание 2
Введение 3
1. Общая структура персонального компьютера 4
1.1. Основы архитектуры ЭВМ 4
1.2. Структура ПК 5
2. Характеристики основных модулей ПК 6
2.1. Материнская плата 6
2.2. Процессор 8
2.3. Память 10
2.4. Винчестер 11
2.5. Клавиатура 12
2.6. Монитор 13
Заключение 14
Список литературы 15

Введение

Современные компьютеры массового применения – персональные компьютеры имеют достаточно сложную структуру, которая определяет взаимосвязь между аппаратными средствами в технической системе, называемой компьютером. В процессе эволюции аппаратных и программных средств изменялась и структура персонального компьютера, однако без изменений остались пока основные принципы его структурной организации, сформулированные выдающимся математиком, профессором Принстонского университета США Джоном фон Нейманом (1903–1957) и его коллегами в 1946 г.
Сущность этих принципов сводится к следующему:
• информация представляется (кодируется) и обрабатывается (выполняются вычислительные и логические операции) в двоичной системе счисления, информация разбивается на отдельные машинные слова, каждое из которых обрабатывается в компьютере как единое целое;
• машинные слова, представляющие данные (числа) и команды (определяют наименование задаваемых операций), различаются по способу использования, но не по способу кодирования;
• машинные слова размещаются и хранятся в ячейках памяти компьютера под своими номерами, называемыми адресами слов;
• последовательность команд (алгоритм) определяет наименование производимых операций и слова (операнды), над которыми производятся эти операции, при этом алгоритм, представленный в форме операторов машинных команд, называется программой;
• порядок выполнения команд однозначно задается программой.
1. Общая структура персонального компьютера1.1. Основы архитектуры ЭВМСоставные части, из которых состоит компьютер, называют модулями. Среди всех модулей выделяют основные модули, без которых работа компьютера невозможна, и остальные модули, которые используются для решения различных задач: ввода и вывода графической информации, подключения к компьютерной сети и т.д.
В основу построения большинства ЭВМ положены принципы, сформулированные в 1945 г. Джоном фон Нейманом:
1. Принцип программного управления (программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в заданной последовательности).
2. Принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными).
3. Принцип адресности (основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек).
ЭВМ, построенные на этих принципах, имеют классическую архитектуру (рис.1).
Рисунок 1. Классическая структура компьютера
где,  АЛУ (арифметико-логическое устройство)   – выполняет арифметические и логические операции над информацией, представленной в двоичном коде, т. е. обеспечивает выполнение процедур по обработке данных; УУ (устройство управления)   – организует процесс выполнения программ; ЗУ (запоминающее устройство)   – предназначено для размещения и хранения последовательности команд (программ) и данных; УВВ (устройства ввода-вывода)   – обеспечивают ввод и вывод данных из компьютера для установления прямой и обратной связи между пользователем и компьютером;
С помощью какого-либо устройства ввода в ЗУ вводится программа. УУ считывает содержимое ячейки памяти ЗУ, где находится первая команда, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических и логических операций над данными с помощью АЛУ, чтение из памяти данных для выполнения этих операций, вывод данных на устройство вывода и т. д. Затем выполняется вторая команда, третья и т. д. УУ выполняет инструкции программы автоматически.
1.2. Структура ПК
Рисунок 2. Общая структура ПК
Персональные компьютеры обычно состоят из следующих основных модулей, представленных на рисунке 3.
Рисунок 3. Основные модули ПК. Системный блок Монитор Клавиатура мышь  
В системном блоке находятся все основные узлы компьютера:
материнская плата;
электронные схемы (процессор, контроллеры устройств и т.д.);
блок питания;
дисководы (накопители).
2. Характеристики основных модулей ПК2.1. Материнская платаМатеринская (системная, главная) плата является центральной частью любого компьютера. На материнской плате размещаются в общем случае центральный процессор, сопроцессор, контроллеры, обеспечивающие связь центрального процессора с периферийными устройствами, оперативная память (RAM), кэш-память, элемент ROM-BIOS (базовой системы ввода/вывода), аккумуляторная батарея, кварцевый генератор тактовой частоты и слоты (разъемы) для подключения других устройств.
Рисунок 4. Материнская плата
Общая производительность материнской платы определяется не только тактовой частотой, но и количеством (разрядностью) данных, обрабатываемых в единицу времени центральным процессором, а также разрядностью шины обмена данных между различными устройствами материнской платы.
По функциональному назначению шины делятся на:
шину данных;
адресную шину;
шину управления.
По шине данных происходит обмен данными между центральным процессором, картами расширения и памятью. Разрядность шины данных варьируется от 8-ми битов (сейчас не используется) до 64-х битов в материнских платах современных PC. 
По адресной шине происходит адресация ячеек памяти, в которые производится запись данных. 
По шине управления или системной шине происходит передача управляющих сигналов между центральным процессором и периферией. На материнской плате системная шина заканчивается слотами для установки других устройств. Адресные шины и шины данных иногда занимают одни и те же физические проводники.
В настоящее время существует несколько стандартов шин: ISA (Industry Sland art Architecture), MCA (MicroChannel Architecture), EISA (Extended ISA), VESA (Video Electronics SlandarlAssollallon), PCI (Peripheral Component Interconnect), USB (Universal Serial BUS). 
Архитектура материнских плат постоянно совершенствуется: увеличивается их функциональная насыщенность, повышается производительность. Стало стандартом наличие на материнской плате таких встроенных устройств, как двухканальный E-IDE-контроллер HDD (жёстких дисков), контроллер FDD (гибких (floppy) дисков), усовершенствованного параллельного (LPT) и последовательного (COM) портов, а также последовательного инфракрасного порта. 
Порт – многоразрядный вход или выход в устройстве.
2.2. ПроцессорВ общем случае под процессором понимают устройство, производящее набор операций над данными, представленными в цифровой форме (двоичным кодом). Применительно к вычислительной технике под процессором понимают центральное процессорное устройство (CPU), обладающее способностью выбирать, декодировать и выполнять команды а также передавать и принимать информацию от других устройств. Проще говоря, процессор – это электронная схема, выполняющая обработку информации. 
Производство современных персональных компьютеров начались тогда, когда процессор был выполнен в виде отдельной микросхемы.
Количество фирм, разрабатывающих и производящих процессоры для IBM-совместимых компьютеров, невелико. В настоящее время известны: Intel, Cyrix, AMD, NexGen, Texas Instrument.
Кроме процессоров, которые составляют основу IBM-совместимых персональных компьютеров, существует целый класс процессоров, составляющих параллельную платформу. Среди самых известных: персональные компьютеры американской фирмы Apple, для которых используются процессоры типа Power PC, имеющие принципиально другую архитектуру; ПК выпускаемые фирмой Motorola и др. Производительность персональных компьютеров на основе процессоров Power PC значительно выше, чем у IBM-совместимых, поэтому, несмотря на значительную разницу в цене, для серьезных профессиональных приложений им отдают предпочтение.Производительность CPU характеризуется следующими основными параметрами:
тактовой частотой;
степенью интеграции; 
внутренней и внешней разрядностью обрабатываемых данных;
памятью, к которой может адресоваться CPU.
С бурным развитием мультимедиа приложений перед разработчиками процессоров возникли проблемы увеличения скорости обработки огромных массивов данных, содержащих графическую, звуковую или видео информацию. В результате возникли дополнительно устанавливаемые специальные процессоры DSP.
2.3. ПамятьЦентральный процессор имеет доступ к данным, находящимся в оперативной памяти (физическое устройство памяти называется ОЗУ- оперативное запоминающее устройство или RAM – Random Access Memory). Работа компьютера с пользовательскими программами начинается после того как данные будут считаны из внешней памяти в ОЗУ. 
ОЗУ работает синхронно с центральным процессором и имеет малое время доступа. Оперативная память сохраняет данные только при включенном питании. Отключение питания приводит к необратимой потере данных, поэтому пользователю, работающему с большими массивами данных в течение длительного времени, рекомендуют периодически сохранять промежуточные результаты на внешнем носителе. 
По способу реализации оперативная память делится на динамическую и статическую. 
Основными характеристиками ОЗУ являются: количество ячеек памяти (адреса) и время доступа к информации, определяемое интервалом времени, в течение которого информация записывается в память или считывается из нее.
Основой ОЗУ являются микросхемы памяти (chips), которые объединяются в блоки (банки) различной конфигурации. При комплектации банков различными микросхемами необходимо следить, чтобы время доступа у них не различалось больше, чем на 10 нс.
Для нормального функционирования системы большое значение имеет согласование быстродействия центрального процессора и ОЗУ. 
Рисунок 5. Оперативная память
Кэш-память предназначена для согласования скорости работы сравнительно медленных устройств, таких, например как динамическая память с быстрым микропроцессором. Использование кэш-памяти позволяет избежать циклов ожидания в его работе, которые снижают производительность всей системы.
С помощью кэш-памяти обычно делается попытка согласовать также работу внешних устройств, например, различных накопителей, и микропроцессора. Соответствующий контролер кэш-памяти должен заботиться о том, чтобы команды и данные, которые будут необходимы микропроцессору в определенный момент времени, именно к этому моменту оказывались в кэш-памяти.
2.4. ВинчестерВинчестеры или накопители на жестких дисках – это внешняя память большого объема, предназначенная для долговременного хранения информации, объединяющая в одном корпусе сам носитель информации и устройство записи/чтения. По сравнению с дисководами винчестеры обладают рядом очень ценных преимуществ: объем хранимых данных неизмеримо больше, время доступа у винчестера на порядок меньше. Единственный недостаток: они не предназначены для обмена информацией (это касается стационарных, т.е. встраиваемых в корпус компьютера винчестеров, в настоящее время существуют сменные винчестеры).
Физические размеры винчестеров стандартизированы параметром, который называют форм-фактором (form factor).
На рисунке 6 представлены различные жесткие диски:
Рисунок 6. Винчестеры
2.5. Клавиатура
Рисунок 7. Клавиатура
Она является основным устройством ввода информации в PC, несмотря на сильную конкуренцию со стороны мыши. Клавиатура преобразует механическое нажатие клавиши в так называемый скэн-код, который передается в контроллер клавиатуры на материнской плате.
Контроллер в свою очередь инициализирует аппаратное прерывание, которое обслуживается специальной программой, входящей в состав ROM-BIOS. При поступлении скэн-кода от клавиш сдвига (<А1t>/<Сtrl>) или переключателя (, ) изменение статуса клавиатуры записывается в ОЗУ. Во всех остальных случаях скэн-код трансформируется в ASCII-коды или расширенные коды, которые уже обрабатываются прикладной программой.
По конструктивному исполнению различают следующие виды клавиатуры: клавиатуры с пластмассовыми штырями, клавиатуры со щелчком, клавиатуры на микропереключателях или герконах, сенсорные клавиатуры. Клавиатуры различаются также количеством и расположением клавиш. Различают клавиатуры типа СГ, AT, MFII. 
В настоящее время существуют некоторые другие виды клавиатур: эргономические клавиатуры, промышленные, со считывающим устройством штрихового кода, для слепых, инфракрасные (беспроводные) и т.п.
2.6. МониторМониторы являются важнейшими устройствами отображения информации. В настоящее время существует большое разнообразие типов мониторов: Цифровые мониторы (TTL), Аналоговые мониторы, Жидкокристаллические дисплеи (LCD) (рис. 8).
Рисунок 8. Мониторы
Заключение

Таким образом, в системном блоке стационарного персонального компьютера размещаются основные компоненты, обеспечивающие выполнение компьютерных программ на аппаратном уровне.
Внешние устройства (по отношению к системному блоку) по функциональному назначению можно представить в виде нескольких групп: устройства ввода и вывода информации, устройства, выполняющие одновременно функции ввода и вывода информации, внешние запоминающие устройства.
К устройствам ввода информации относятся клавиатура, координатные устройства ввода (манипуляторы типа мышь, трекбол, контактная или сенсорная панель, джойстик), сканер, цифровые камеры (видеокамеры и фотоаппараты), микрофон.
К устройствам вывода информации относятся монитор, печатающие устройства (ПУ, принтер и графопостроитель), звуковые колонки и наушники.
К устройствам, выполняющим функции ввода и вывода информации относятся сетевой адаптер, модем (модулятор – демодулятор), звуковая плата.
К внешним запоминающим устройствам относятся: внешние накопители на гибких и жестких магнитных дисках, внешние накопители на оптических и магнитооптических дисках, накопители на основе флэш-памяти и т. Д.
Список литературы

1. Губарев В.Г. Программное обеспечение и операционные системы ПК. М.: Феникс, 2012. 382 с.
2. Фигурнов В. Э. IBM PC для пользователя, 6-е издание, переработанное и дополненное. M.: Инфра-М, 2006. 432с.
3. Уинн Л. Рош. Библия по модернизации персонального компьютера. М.: Тивали-Стиль, 2005. 378 с.
4. Леонтьев В.П. Новейшая энциклопедия персонального компьютера 2003. М.: ОЛМА-ПРЕСС, 2009. 957 с.
5. Ибрагим К.Ф. Устройство и настройка ПК: Перевод с английского. М.: Бином, 2010. 368 с.
6. Столлингс У. Структурная организация и архитектура компьютерных систем. М.: Вильямс, 2012. 896 с.
7. Леонтьев Б.К. Upgrade: Пособие по модернизации компонентов персонального компьютера. М.: Майор, 2013. 624 с.
8. Шумилин В.К. Пособие по безопасной работе на персональных компьютерах. М.: НЦ ЭНАС, 2011. 28 с.
9. Еремин Е.А. Популярные лекции об устройстве компьютера. БХВ-Петербург, 2013. 272 с.