Системный блок компьютера (основные устройства)

Обобщенная схема, материнская плата

В обобщенную схему системного блока компьютера входят принципиально важные устройства, которые, собственно говоря, и делают компьютер компьютером. Все они расположены на системной плате.

Системная плата (материнская плата) — это сложная многослойная печатная плата прямоугольной формы, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера.

системная шина

устройства ввода-вывода

микропроцессор

оперативная память

Микропроцессор

Микропроцессор (центральный процессор, процессор) — непосредственный исполнитель операций, заданных работающей программой, выполненный в виде одной или нескольких интегральных схем.

Процессор выполняет две основные функции:

§ является устройством управления, т.е. по ходу последовательного выполнения команд работающей программы процессор обращается к другим устройствам компьютера, активирует или деактивирует их работу, по сути, процессор координирует работу всех компонентов и выполнение процессов, происходящих в компьютере,

§ является арифметико-логическим устройством, т.е. в соответствии с заданным программой алгоритмом находит данные в указанном месте и совершает с ними указанные математические операции.

Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему (микросхему) — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

Непосредственно над современным микропроцессором крепится специальный вентилятор — кулер и охлаждающая решетка радиатора, полностью закрывающие микросхему процессора от глаз пользователя.

Главной характеристикой процессора является его производительность, т.е. количество операций за секунду времени. Производительность, в свою очередь, зависит от параметров:

§ тактовая частота — количество тактов в секунду,

§ разрядность — количество информации, которое процессор может обработать за один такт,

§ количество ядер — количество устройств в составе процессора для распараллеливания вычислений.

Процессор работает в непосредственном контакте со специальным устройством — генератором тактовой частоты, который в качестве своеобразного метронома задает ритм жизни компьютера. Чем выше тактовая частота, тем меньше длительность выполнения одной операции и тем выше производительность компьютера. Под тактом мы понимаем промежуток времени, в течение которого может быть выполнена элементарная операция. Тактовую частоту можно измерить и определить ее значение. Единицы измерения частоты: мегагерц (МГц) — миллион тактов в секунду, гигагерц (Ггц) — миллиард тактов в секунду.

Другой характеристикой процессора, влияющей на его производительность, является разрядность, т.е. количество информации, которое может обработать процессор за один такт. Производительность процессора тем выше, чем больше его разрядность.

В последние годы выпускают так называемые мультипроцессоры, состоящие из двух, четырех и более ядер. Ядра могут быть реализованы физически в виде двух или четырех кристаллов или логически в пределах одного кристалла микросхемы. Процесс обработки информации распараллеливается между ядрами, что приводит к увеличению скорости работы процессора. Однако, в отличие от суперкомпьютеров, это распараллеливание неполное, в многоядерном микропроцессоре остается один общей кэш и общая внутренняя шина. В целом применение двухъядерного процессора повышает его производительность примерно в 1,7 раза, а четырехъядерного — в 2,5 раза.

Современные процессоры для ПК, имеют тактовую частоту порядка 2 — 4 гигагерц (2 — 4 миллиарда тактов в секунду), разрядность 64 бита за один такт, количество физических ядер 1, 2 или 4, общее количество ядер, включая логические от 1 до 7.

Оперативная память

Оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ, RAM) — быстрое запоминающее устройство, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для временного хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами.

Программа, запущенная на выполнение, считывается из места ее постоянного хранения (например, с жесткого диска) и загружается в оперативную память. Туда же помещаются обрабатываемые или создаваемые в ходе выполнения данные. Процессор работает непосредственно с оперативной памятью, выполняя команду за командой работающей программы. Оперативная память является энергозависимой, т.е. при выключении электропитания компьютера ОЗУ полностью очищается, все ячейки памяти заполняются нулями.

ОЗУ реализуется несколькими микросхемами, собранными в прямоугольные вытянутые линейки, которые размещаются в специальных разъемах — слотах на материнской плате. Количество слотов для оперативной памяти от 1 до 6, линейки могут легко извлекаться и устанавливаться пользователем.

С логической точки зрения оперативная память состоит из ячеек, каждая из которых имеет свой индивидуальный адрес. Память организована в двумерную (строки — колонки) или трёхмерную (банки — строки — колонки) структуру. Таким образом, адрес ячейки – это набор из двух или трех двоичных чисел. Процессор в соответствии с алгоритмом программы находит по адресу нужные ячейки и выполняет соответствующие действия с содержащейся в ней информацией.

Основными характеристиками микросхем оперативной памяти являются:

§ информационная емкость — количество информации, которое можно записать в ОЗУ одновременно;

§ быстродействие — время доступа к данным

§ энергозависимость.

Емкость ОЗУ выражается в единицах, кратных степеням числа 2. Современные ПК обладают оперативной памятью от 2 до 16 гигабайт. Время доступа к данным обычно составляет 20 — 50 наносекунд.

Кэш, ПЗУ, CMOS

Несмотря на то, что оперативная память является весьма быстрой, она не может соперничать по скорости с современным процессором, поэтому для увеличения производительности компьютера зачастую используют своеобразный переходник, буфер между процессором и оперативной памятью, так называемую кэш-память.

Кэш (сверхоперативная память) — очень быстрое запоминающее устройство небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью.

Современные микропроцессоры обычно имеют встроенную кэш-память, также она может быть реализована отдельной микросхемой на материнской плате.

Емкость кэш-памяти составляет 1 — 15 мегабайт, это существенно меньше оперативной памяти, зато быстродействие ее прядка 1 — 5 наносекунд. Энергозависима, как и ОЗУ.

ПЗУ (Постоянное запоминающее устройство, ROM) — энергонезависимая память, используется для хранения массива неизменяемых данных.

Современные микросхемы ПЗУ бывают трех видов:

§ неизменяемые, прошитые ультрафиолетом на заводе-изготовителе,

§ перепрошиваемые, допускающие изменение с помощью специального оборудования,

§ перепрограммируемые, позволяющие настройку пользователем с помощью программных средств.

В любом случае информация в ПЗУ остается неизменной в ходе сеанса работы компьютера и не зависит от выполняемых программ.

В ПЗУ при изготовлении записывается специальный комплекс программ под названием BIOS, выполняющий следующие функции при первоначальной загрузке компьютера:

§ первоначальное тестирование устройств компьютера на предмет отсутствия или неисправности, сравнение параметров устройств с их характеристиками, записанными в СМОS-памяти,

§ поиск на устройствах внешней памяти операционной системы и ее загрузка в оперативную память компьютера.

Емкость ПЗУ невелика и составляет 1 — 2 мегабайта, быстродействие примерно такое же, как у оперативной памяти. ПЗУ энергонезависима, в отличие от оперативной памяти и кэш-памяти.

ОЗУ и ПЗУ вместе составляют так называемую основную память компьютера.

CMOS — энергонезависимая, перезаписываемая память, которая используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, о параметрах основных устройств, а также о режимах работы.

Ранее СМОS размещали в отдельной микросхеме, теперь ее встраивают в какую-либо большую микросхему, например, в ПЗУ. Память СМОS питается от небольшой батарейки, размещенной на материнской плате. Данные в СМОS, в отличие от оперативной памяти, не пропадают после выключения электропитания.

Внешняя память

3.1. Определение, взаимодействие
с основными устройствами, виды

Внешняя память — энергонезависимые устройства, предназначенные для длительного хранения информации.

Следует отметить, что устройства внешней памяти могут конструктивно находиться внутри системного блока (например, жесткий диск), однако они логически являются внешними, необязательными по отношению к основным элементам компьютера — процессору и оперативной памяти. На носителях внешней памяти программы и данные хранятся в пассивном состоянии, они активируются только при загрузке их в оперативную память, где они и обрабатываются процессором.

Взаимодействие указанных устройств можно изобразить схемой:

Внешняя память <=> Оперативная память <=>
Кэш <=> Процессор

К внешней памяти компьютера относятся устройства:

§ гибкие магнитные диски (дискеты),

§ жёсткие магнитные диски (винчестеры, HDD),

§ оптические диски (CD, DVD),

§ флеш-карты,

§ твердотельные диски (флещ-диски, SSD),

§ SD карты, Micro SD карты.

Дискета

Гибкий магнитный диск (дискета) — внешний носитель информации небольшого объема, представляющий собой гибкий пластиковый диск в защитной оболочке.

Полимерная основа диска покрыта с обеих сторон магнитным слоем и помещена в пластиковую упаковку квадратной формы. Дискета имеет физический размер диска 3,5 дюйма (дюйм 2,54 см), информационную емкость 1,44 мегабайта. Процесс записи на дискету информации представляет собой намагничивание соответствующих фрагментов поверхности магнитного слоя.

Для использования дискеты необходим соответствующий дисковод со считывающей и записывающей головкой, который устанавливается в системном блоке, соединяется шиной с материнской платой и имеет прорезь для установки и снятия дискеты на передней панели корпуса. Дискеты в настоящее время практически не используются, нас они интересуют, в первую очередь, с точки зрения логической структуры хранения информации.

Информация на дискету записывается по концентрическим дорожкам (трекам), нумерация дорожек начинается с нуля и отсчитывается от внешнего края диска. Дорожки радиальными линиями делятся на сектора, Участок на пересечении дорожки и сектора называется кластер, емкость его 512 килобайт, все кластеры на диске пронумерованы.

Информация записывается на диск поименованными порциями — файлами, для поиска нужного файла на диске составляется специальный каталог.

FAT-таблица — оглавление диска, хранящееся на нулевой дорожке и содержащее список каталогов и файлов с адресами кластеров, с которых они начинаются.

FAT-таблица подобна оглавлению книги, она позволяет пользователю быстро найти нужную информацию.

Жесткий диск

Жесткий диск (винчестер) — внешний носитель информации большого объема, представляющий собой стопку круглых алюминиевых пластин, покрытых магнитным слоем с обеих сторон и нанизанных на общую ось.

Пластины вместе с набором считывающих головок и механизмом вращения диска закрывается герметически от пыли металлическим корпусом. Винчестер обычно помещается в системный блок компьютера и соединяется с материнской платой системной шиной. Если позволяет место и наличие свободных проводов шины, в системный блок может быть установлено несколько жестких дисков. Существует переносная модель винчестера, который задвигается в системный блок со стороны передней панели с помощью специальных салазок.

Жесткие диски имеют существенно лучшие технические характеристики (емкость, быстродействие, надежность) по сравнению с гибкими дисками. Емкость современных винчестеров может составлять сотни гигабайт или несколько терабайт. Скорость записи и считывания данных для жесткого диска выше, чем для гибких, оптических дисков и флеш-карт, но уступает оперативной памяти и твердотельным дискам.

Запись на каждую магнитную поверхность пластины осуществляется по тем же принципам, что и на гибкий диск. FAT-таблица составляется для всего жесткого диска и хранится на нулевой дорожке первой по счету пластины. Жесткий диск может быть по желанию пользователя логически разделен на несколько частей произвольного размера, для файловой системы это будет равносильно набору из нескольких дисков, каждый логический диск в этом случае имеет собственную FAT-таблицу.

Оптический диск

Оптический диск (лазерный диск, CD, DVD) — внешний носитель информации среднего объема, представляющий собой тонкий полимерный диск с металлическим напылением.

Оптические диски бывают двух размеров: диаметром 5,25 дюйма (чаще встречаются) и 3,5 дюйма, толщина порядка 2 мм. На прозрачную пластиковую основу методом напыления накладывается тончайшая светоотражающая пленка из алюминия или золота, защищенная сверху слоем лака.

Принцип действия всех существующих оптических дисков основан на использовании лазера для записи и чтения информации. В процессе записи изменяющийся по интенсивности луч лазера оставляет на диске следы в виде микроскопических углублений, которые потом можно обнаружить, направив на диск луч лазера, приняв отраженный луч и измерив время прохождения. Перед повторной записью лазер снимает верхний слой полностью, выжигая выступы. Количество слоев равно количеству возможных перезаписей, около 1000 раз.

По способу и плотности записи оптические диски делятся на два класса:

§ CD — компакт-диски,

§ DVD — цифровые видеодиски.

Эти разновидности существенно различаются по емкости. Типичная емкость CD составляет 650 мегабайт, емкость DVD может превышать ее раз в 20 и составлять несколько гигабайт.

По возможности перезаписи информации оптические диски делятся на три категории:

§ только для чтения — CD, DVD,

§ с однократной записью и многократным чтением — CD-R, DVD-R,

§ с возможностью многократной перезаписи — CD-RW, DVD-RW.

Для работы с оптическими дисками нужно оснастить системный блок соответствующим дисководом, преобразующим последовательность углублений и выступов на поверхности диска в последовательность двоичных сигналов. Для этого используется считывающая головка с микролазером и светодиодом. Современные дисководы могут считывать и записывать информацию на оптические диски обоих видов CD и DVD.

Флеш-карта

Флеш-карта — внешний носитель информации среднего объема, представляющий собой небольшое электронное устройство, заключенное в пластмассовый корпус.

Основу флеш-карты составляет электронная микросхема, в стандартном исполнении она заключается в пластиковый корпус размером примерно с большой палец человека. Однако, производители могут оформлять корпуса самым разным способом: в виде брелока, кулона, вставлять карты в ручки, ножи, зажигалки, часы и другие предметы.

Принцип записи — заливка во фрагменты микросхемы электростатического заряда, который сохраняется под слоем диэлектрика.

Небольшой размер флеш-карты при средней емкости 8, 16, 32 или 64 гигабайта делает ее очень удобным устройством для переноса информации, а возможность хорошо замаскировать карту затрудняет борьбу правоохранительных органов с преступниками, использующими компьютерные технологии.

Для использования флеш-карты системный блок должен быть оснащен хотя бы одним USB-портом. Современные ПК комплектуются несколькими USB-портами, в том числе расположенными на передней панели корпуса, что гораздо удобнее для пользователя, чем порты, расположенные на задней стенке. Различают конфигурации портов и флешек: USB1, USB2, USB3, последний по скорости записи данных превосходит предыдущие версии в разы. Отличительной особенностью портов и флеш-карт модели USB3 является синяя вставка в разъеме.

Твердотельный диск

Твердотельный диск (флеш-диск, SSD) — внешний носитель информации среднего объема, состоящий из набора микросхем.

Внешне твердотельный диск похож на винчестер, устанавливается также в корпус системного блока. Принцип записи аналогичен флеш-карте. Достоинством его является самая высокая скорость записи и чтения данных, бесшумность в работе. Недостатки по сравнению с жестким магнитным диском — меньшие объемы (до 120 Гб), более высокая цена и ограниченное количество перезаписей (от 1000 до 100 000). Твердотельные диски появились на рынке недавно, они имеют большие перспективы развития. Оптимальный вариант использования SSD при настоящих параметрах — в качестве системного диска для установки операционной системы.

SD карта

SD карта, Micro SD карта — внешний носитель информации среднего объема, представляющий собой одну микросхему в виде небольшого плоского чипа.

Принцип записи как на флеш-карте, емкость тоже аналогичная — 8, 16, 32, 64 Гб. Используются SD карты в основном в мобильных телефонах и планшетах, размещаются они внутри под крышкой корпуса устройства. Могут применяться и для стационарных ПК, для этого в переднюю панель системного блока вставляют специальное устройство для чтения SD карт — картридер. Картридер может также содержать и USB порты.