Элементы организации основных блоков компьютера

В настоящее время невозможно найти сферу деятельности человека где не используется компьютер. Компьютер используется как в бизнесе, так и в науке, обучений, медицине, производстве, торговле, быту, музыке и тд.

Современная история техники вычисления начинается с 1943 года появления машины «Марк-1» Горварда Айкена на электромагнитном реле. Тем не менее датой появления ЭВМ считается 15-ое февраля 1946-года, день запуска в работу электронного компьютера ЭНИАК Дж. Эккерта и Дж. Моучли в Пенсильванском университете США. В СССР первый высоко скоростная большая ЭВМ была создана 1952 году под руководством академика С.А. Лебедева.
Компьютер – устройство предназначенное для сбора, хранения, поиска, обработки информации и использования ее в числовом формате.
Минимальная конфигурация компьютера (рис 1) состоит из:
• системного блока,
• клавиатуры
• монитора (дисплея).
Множество современных компьютеров можно разделить в следующие классы:
— суперкомпьютеры – машины производящие более 100 миллиона операции над числами с плавающей точкой;
— мейнфреймы — универсальные компьютеры, применяемые для решения очень сложных научно-технических задач широкого класса и очень дорогие. Их обычно используют в сети с 200-300 рабочими местами;
— серверы – компьютеры с программами операционных систем, главный компьютер в сети;
— микрокомпьютеры, к ним относятся и персональные компьютеры, центральный процессор которых изготовлен в виде микропроцессора. Персональный компьютер предназначен для одного пользователя и универсальный микрокомпьютер, управляемый одним человеком.
В истории развития различаются следующие поколения ЭВМ:
1 — поколение изготовлялись на основе электронных ламп (1946-1956). В первом компьютере ЭНИАК был использован 18 тысяч электронных ламп. Он занимал площадь в 135 м2. Вес составлял 30 тонн, а потребляемая электроэнергия порядка 150 кВт;

2 — поколение использовались полупроводниковые диоды и транзисторы (1956-1964). Транзисторы резко уменьшили размеры, массу, мощность потребления и увеличилась скорость и надежность.
3 — поколение изготовлялись на основе интегральных схем (1964-1971). Компьютеры типа IBM-360, IBM-370, PDP-8. Например, размер последнего из них с холодильник;
4 — поколение с применением больших интегральных схем (1971- до настоящего времени). К ним относятся современные компьютеры. Скорость работы не превышает 500 МГц;
5 -поколение с применением сверх больших интегральных схем, оптических элементов (в будущем). В них могут быть использованы сверх большие интегральные схемы, оптические и магнито-оптические элементы новейших технологий и позволяющие производить управление с помощью звука, разговора. Считается, что в них могут быть использованы искусственный интеллект и элементы, познающие звуковые и видео изображения.
Первые компьютеры общего пользования были предложены фирмой IBM в 1981 году.
По структуре различают компьютеры:
• сверхпроизводительные ЭВМ и системы (супер-ЭВМ);
• большие ЭВМ (универсальные общего пользования);
• средние ЭЕМ;
• малые ЭЕМ;
• микро-ЭЕМ;
• персональные компьютеры;
• микропроцессоры.
Настольный компьютер – Desk Top. ПК самый мощный и с большими возможностями. Устанавливаться на рабочем месте для постоянного пользования.
Настольный переносной компьютер – Desk Not. По функциональным возможностям не уступает настольным ПК, но возможности обновления ограничены. Легко переносится из одного кабинета в другой. Можно считать настольный компьютер формата NoteBookі
Переносные компьютеры – NoteBook. Их главная особенность – совместимость очень высоких функциональных возможностей с простотой переносимости. Их можно всегда носить с собой.
Конструктивно персональные компьютеры содержат следующие основные устройства : системный блок, клавиатура, монитор, принтер и др.
Системный блок (рис 5, рис 6) основное устройство компьютера, в нем располагаются все основные узлы:

— электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессор, оперативная память, контроллеры устройств, шина и т.д.);
— блок питания;
— накопители (дисководы) для гибких магнитных дисков и жесткого диска.
А. Материнская плата (рис 7).
Материнская плата (МП) является ядром системы. Она является основной частью ПК, а остальные элементы присоединяются к ней, поэтому можно считать, что материнская плата управляет всеми устройствами. При работе с компьютером все данные проходят через материнскую плату и обрабатываются. Материнская плата работает с частотой намного ниже частоты процессора, так как она состоит из совокупности множества проводников и микросхем. Рабочая частота материнской платы 100 – 200 МГц.

На материнской плате находятся:
• Процессор – основная микросхема, являющийся как бы “мозгом” компьютера;
• Микропроцессорная совокупность (чипсет) – совокупность микросхем, управляющих всеми внутренними устройствами и определяющих основные служебные возможности материнской платы;
• Шина –совокупность проводников с помощью которых внутренние устройства ПК обмениваются сигналами;
• Оперативная память – совокупность микросхем, где временно хранится информация только во время работы компьютера;
• Постоянная память –микросхема для долгого хранения информации, даже при отключении ПК;
• Разъемы (слоты) для присоединения дополнительных внутренних устройств.
Б. Микропроцессор (рис 8). Процессор (микропроцессор) небольшая электронная схема, является самым главным элементом в компьютере, управляющий работой всех блоков компьютера и обрабатывающий все данные путем выполнения над ними арифметические и логические действия.
Процессоры выполняют все действия, в том числе и вычисления, необходимые для работы программ. Чем больше скорость работы процессора, тем быстрее и скорость работы компьютера.
Скорость работы процессора определяется его тактовой частотой, измеряемой в мегагерцах (МГц). Если тактовая частота первых процессоров был не более 4,77 МГц, настоящее время у некоторых процессоров более 3 ГГц.
Следующая характеристика процессоров это измеряемая в битах, разрядность – количество информации принимаемой и обрабатываемой за один такт. В первых компьютеров не превышал 16 бит, в настоящее время порядка 32 – 64 бит.
В состав процессора входит:
• Устройство управления (УУ)– образует и отправляет управляющие импульс-сигналы, доставляемые в нужное время всем болкам компьютера;
• Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – производит арифметические и логические действия над числовыми и текстовыми данными;
• Микропроцессорная память (кэш память) – память, предназначенная для хранения, записи и передачи информации, необходимых в ближайшие такты работы процессора для поддержания быстроты его работы.
• Интерфейсная система процессора– обеспечивает взаимодействия как внутренних устройств процессора, так и взаимодействие процессора со всеми устройствами компьютера.
Процессор (микропроцессор) над начальными данными производит операции вычисления, правку, преобразования, дополнения, сокращения и другие, т. е. необходимую обработку данных в полном смысле этого слова. В целях обработки данных процессор должен выполнить бесчисленное количество арифметических и логических действии. Устройствами, выполняющими арифметико-логические действия являются конъюнктор, дизъюнктор және инвертор. На их основе выполняются достаточно сложные арифметико-логические действия.
В тех случаях, когда на компьютере приходится выполнять много математических вычислений, к основному процессору добавляют сопроцессор. Он помогает основному процессору выполнять операции над вещественными числами.
Данные непосредственно подвергающиеся обработке хранятся в микропроцессорной кэш памяти. Кэш память в 256 Кб ускоряет работу компьютера на 20%. В разных компьютерах используются Кэш память от 64 Кбайт до 512 Кбайт.
Б.Память (memory) предназначена для хранения данных и программ их обработки. Различают следующие виды памяти компьютера: внутреннюю и внешнюю. Встроенная в компьютер память называется внутренней.Она разделяется на постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, или ROM — Read Only Memory), энергонезависимая память (CMOS), оперативную память (ОП, RAM — Random Access Memory), кэшь-память и видео память.
Постоянно запоминающее устройство. Информация в ПЗУ не теряется и при выключении компьютера. Можно читать команды записанные в ПЗУ, но невозможно записывать информацию или команду. В ПЗУ компьютера хранится базовая система ввода-вывода (BIOS), которая состоит из программы тестирования памяти и периферийного оборудования компьютера, а также программы запуска операционной системы.
Энергонезависимая память(CMOS) информация в ней не стирается при отключении компьютера, данные в ней можно изменять и дополнять. В ней хранятся параметры различных устройств компьютера.
В. Оперативная память (рис 9).Следующим важным элементом компьютера является оперативная память. Именно из нее процессор и сопроцессор берут программы и исходные данные для обработки, в нее они записывают полученные результаты. Название «оперативная» эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память. Однако содержащиеся в ней данные сохраняются только пока компьютер включен, при выключении как правило содержимое оперативной памяти стирается. Отсюда следует, что оперативная память хранит и выдает информацию, вводимую в нее в процессе работы компьютера.
Основные характеристики оперативной памяти – информационная емкость и скорость передачи данных. В первых персональных компьютерах емкость была порядка 256 Кбайт, в настоящее время измеряется в нескольких Гбайтах. Скорость передачи данных измеряется Мбайт/с или Гбайт/с.
Оперативная память в соответствии с методами доступа и адресации делится на отдельные, иногда частично или полностью перекрывающиеся области, имеющие общепринятые названия. Например, распределение емкости в 16 Мбайтной памяти показана в таблице 1.
Таблица 1:

Кешь-память это промежуточная память, служащая для обеспечения достаточной быстроты обмена информацией между оперативной памятью и процессором. Кешь память находится в теле процессора.
Видео память здесь хранится информация, которая должна появиться на экране монитора
Для работы компьютера необходимо, чтобы в его оперативной памяти находилась программы и данные. А попадают они туда из различных устройств компьютера — дисководов (дисководы — устройства, предназначенные для чтения информации с накопителей и записи на них информации для хранения), клавиатуры и т.д. Результаты выполненных программ выводятся на внешние устройства — монитор, диски, принтер и т.д.

Жесткий (постоянный) диск (постоянный дисковод) или Hard disk Drive (HDD) или винчестер – это основная база данных компьютера. Емкость жесткого диска очень разнообразен и измеряется мегабайтах и гигабайтах. В настоящее время емкость жесткого диска 80-500 Гбайт и более. Время доступа к информации порядка 6 мс, скорость вращения 7200 об/мин.
Жесткий диск это одноосный один или несколько алюминиевых или керамических дисков. Поэтому он имеет не n, а 2n (где n количество дисков) поверхностей. Поверхности дисков покрыты магнитным веществом, располагающимся по концентрическим окружностям-дорожкам. Дорожки разделяются на сектора. Минимальная единица размещения информации кластер занимает один или несколько рядом расположенных сегментов.
Жесткий SSD диск:

Определение SSD-диска звучит так: твердотельный накопитель (SSD, solid-state drive) — компьютерное не механическое запоминающее устройство на основе микросхем памяти.
Вряд ли Вы прониклись этим скупым определением. Теперь попробую объяснить что такое SSD-диск «мокрым языком», как говорят — на пальцах.
Это тоже самое устройство для хранения информации, но основанное не на вращающихся магнитных дисках, а на микросхемах памяти, как говорилось выше. Такая себе, большая флешка.
Ничего вращающегося, двигающегося и жужжащего! Плюс — просто сумасшедшая скорость записи\чтения данных!

Преимущества SSD-дисков:

1. Скорость работы:
Это самый жирный плюс этих устройств! Сменив свой старенький жёсткий диск на флешь-накопитель Вы не узнаете компьютер!
До появления SSD-дисков, самым медленным устройством в компьютере был как раз жёсткий диск. Он, со своей древней технологией из прошлого века, невероятно тормозил энтузиазм быстрого процессора и шустрой оперативной памяти.
2. Уровень шума=0 Дб:
Логично — нет движущихся деталей. Вдобавок, эти диски не греются при своей работе, поэтому охлаждающие кулеры реже включаются и работают не так интенсивно (создавая шум).
3. Ударо и вибропрочность:
Смотрел видео в сети — подключенный и работающий SSD-диск трясли, роняли на пол, стучали по нему…, а он продолжал спокойно работать!
Без комментариев.
4. Малый вес
Не огромный плюс, конечно, но всё-таки — жёсткие диски тяжелее своих современных конкурентов.
5. Низкое энергопотребление
Обойдусь без цифр — длительность работы от батареи моего старенького ноутбука увеличилась более чем на один час.
Недостатки SSD-дисков:
1. Высокая стоимость:
Это одновременно и самый сдерживающий пользователей недостаток, но и очень временный — цены на подобные накопители постоянно и стремительно падают.
2. Ограниченное число циклов перезаписи:
Обычный, средний SSD-диск на основе флешь-памяти с технологией MLC способен произвести примерно 10 000 циклов чтения\записи информации. А вот более дорогой тип памяти SLC уже может в 10 раз дольше прожить (100 000 циклов перезаписи).
Как по мне, так в обоих случаях флешь-накопитель сможет легко отработать не менее 3 лет! Это как-раз средний жизненный цикл домашнего компьютера, после которого идёт обновление конфигурации, замена комплектующих на более современные, быстрые и подешевевшие.
Прогресс не стоит на месте и головастики из фирм-производителей уже придумали новые технологии, которые существенно увеличивают время жизни SSD-дисков. Например, RAM SSD или технология FRAM, где ресурс хоть и ограничен, но практически недостижим в реальной жизни (до 40 лет в режиме непрерывного чтения/записи).
3. Невозможность восстановления удалённой информации
Удалённую информацию с SSD-накопителя не сможет восстановить ни одна специальная утилита. Таких программ просто нет.
Если при большом скачке напряжения в обычном жёстком диске сгорает в 80% случаев только контроллер, то в SSD-дисках этот контроллер находится на самой плате, вместе с микросхемами памяти и сгорает весь накопитель целиком — привет семейному фотоальбому.
Эта опасность практически сведена к нулю в ноутбуках и при использовании бесперебойного блока питания.

Внешняя память. Устройства внешней памяти используются для хранения и переноса информации и разделяются на дисковые и ленточные. Различают три вида дисковых носителей информации: магнитные, оптические, смешанные (магнитно-оптические). К ленточным носителям информации относятся стимеры. Информационная емкость магнитных картриджей для стимеров составляет порядка нескольких сотен.
Магнитные гибкие флоппи диски (рис 12), являлись переносными носителями информации в конце 20-го века, имели размеры 5,25 дюйм (133 мм) и емкость 360 Кбайт или 1,2 Мбайт и 3,5 дюйм (89 мм) 1,44 Мбайт. В настоящее время такие диски не используются, их полностью отстранили флешь диски (карты). Для записи и чтения флоппи дисков применяется специальные дисководы, которые на компьютере обозначаются буквой «А».

Оптические CD и DVD диски (рис 13) тоже являются переносными носителями информации. Информационная емкость их составляет от 600 Мбайт до 8,4 Гбайт. Для чтения информации в низ используются два вида дисководов: одни только для чтения, другие как для чтения, так и для записи. Оптические CD (CD-R) и DVD диски выпускаются двух видов для однократной записи (CD-R и DVD-R) и для многократной перезаписи (CD-RW и DVD-RW).
Вид накопителя информации:

Видеокарта (рис 14). Видеокарта совместно с монитором образует внутреннюю видеосистему компьютера. Из-за расположения эту память часто называют видеопамять (videoRAM немесе VRAM). Чем больше объем памяти видеокарты, тем с большим разрешением и цветом может показывать изображения и видеоролики.

Звуковая плата (рис 15). Звуковая плата дает возможность создавать и записывать высококачественные звуки. Расширенные возможности использования звука создаваемого звуковой платой требуется во время работы с видеоиграми и разными программами.
Порты (рис 16) — разъемы на передней или задней стенке корпуса компьютера. К ним обычно соединяются различные устройства через кабель. Количество устройств, соединяемых к портам, и их типы зависят от количества портов и их типа.

Порты ввода и вывода состоят из специальных портов, связующих с основными внутренними устройствами и портов общего назначения, связывающие с с внешними устройствами (принтер, мышь и др.). Порты общего назначения разделяются на параллельные, обозначаемые LPT1-LPT3 и последовательные, обозначаемые COM1-COM3. Параллельные порты работают очень быстро, но для связи требуют большого количества проводников. Порт для соединения с принтером параллельный, а порт к которому соединяется модем относится к последовательным.
К USB-порту можно подключать внешние устройства без перезагрузки компьютера.