Основы устройства персонального компьютера

     Накопители  на гибких магнитных  дисках (НГМД). В повседневной жизни гибкие магнитные диски называют дискетами. Их устройство приведено на Рисунок 4. 

     Рисунок 4 Устройство дискеты 

     Специальное устройство, называемое дисководом, позволяет записывать на дискету и считывать с неё информацию. Дискета вставляется в специальное устройство, называемое накопителем на гибких дисках (НГМД, FDD –floppy disk drive), Диск вращается в пластиковом футляре, содержащим специальную прокладку для уменьшения трения. На тонкую пластиковую основу диска нанесён ферромагнитный порошок. Две магнитные головки (одна сверху, другая снизу), могут быть подведены к одной из 80 концентрических окружностей, на которые условно разбита поверхность диска. С их помощью можно либо считать информацию, либо записать её. Причем в качестве носителей информации и выступают микроскопические частички порошка, которые могут быть либо намагничены (соответствуют сигналу 1), либо не намагничены (соответствуют сигналу 0).

     На  стандартную дискету обычно можно поместить до 1,44 Мбайт информации, хотя и появились устройства, позволяющие записать на неё несколько десятков мегабайт информации.

     Накопители  на жестких магнитных  дисках (НЖМД). Принцип действия накопителя на жестких магнитных дисках не отличается от принципа действия накопителя на гибких магнитных дисках. Жесткий магнитный диск со снятым кожухом и накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД, HDD – hard disk drive) изображены на Рисунок 5. На жестких магнитных дисках ферромагнитный порошок нанесенный на алюминиевую или на стеклянную основу 1. На одном вращающемся шпинделе 2 крепится целый пакет дисков (до трех), к каждой стороне которых подходит магнитная головка 3. Таким образом, при фиксированном положении позиционера 4 все головки описывают в несколько концентрических окружностей, составляющих один цилиндр. Позиционер представляет собой шаговой электродвигатель, имеющий несколько сот (или даже тысяч) фиксированных положений. Количество этих положений и определяет количество цилиндр на НЖМД. 

     Рисунок 5 Устройство НМЖД

      Накопители на оптических дисках (CD-ROM). Дисководы оптических дисков считывают информацию в 10–15 раз быстрее, чем гибкие, но все же медленнее, чем жесткие. Устройство накопителя на компакт-дисках (CD-ROM – Compact Disk – Read Only Memory) изображено на Рисунок 6. В направляющем лотке компакт-диск 2 подается внутрь устройства и крепится на вращающемся шпинделе 1 (закрыт прижимной крышкой). При вращении диск освещается лазерной головкой 3, луч которой либо отражается от поверхности (соответствует 1), либо рассеивается (соответствуют 0). Лазерная головка перемещается вдоль поверхности диска с помощью позиционера. Отраженный луч вырабатывается сигнал, передающийся в конечном итоге через оперативную память в центральный процессор для обработки.

     Поверхность компакт-диска представляет собой  одну спиральную дорожку, на которой  располагаются микроскопические впадины, рассеивающие попадающий на них лазерный луч. Набор нулей и единиц на диске располагается по правилам, которые называются форматом. Музыкальные компакт- диски – это один из форматов. Устройства характеризуются скоростью, с которой считывается информация с диска. Одинарная скорость соответствует скорости вращения музыкального диска и составляет 150 Кбит в секунду.  

     Рисунок 6 Устройство CD-ROM

      Иерархия памяти. Все виды компьютерной памяти связаны между собой, образуя иерархическую структуру, представленную на схеме (Рисунок 7). 

     Рисунок 7 Схема организации памяти компьютера 

     Схема показывает, что чем ближе то или  иное устройство памяти к процессору, тем меньше её объем, но зато больше скорость её работы. Иерархия памяти специально спроектирована так, что информация, необходимая для решения задачи, распределяется по уровням памяти в соответствии с потребностью в ней, например, файлы, в которых хранятся требуемые для решения задачи данные, считываются в ОЗУ, а наиболее часто используемые данные из них попадают в кэш-память.

     Особого рассмотрения заслуживает взаимодействие ОЗУ и внешней памяти. Дело в том, что объем ОЗУ ограничен, а размер исполняемых файлов современных прикладных программ достигает нескольких десятков мегабайт. Следует учесть, что одновременно могут выполняться несколько приложений, которые должны быть загружены в ОЗУ. К этому добавляется объем обрабатываемых данных, который также постоянно растет. Кроме того, для обеспечения работы компьютера в оперативной памяти должны находиться и файлы операционной системы.

     Решением  данного противоречия является использование  виртуальной памяти. Современные операционные системы работают в предположении, что компьютер обладает настолько большим объемом внутренней памяти, что реально установленная ОЗУ составляет лишь часть её. Вся оставшаяся часть внутренней памяти, необходимой для решения задач, располагается в специальном системном файле на жестком диске. Эта область жесткого диска называется файлом подкачки. Теперь, если объем ОЗУ по какой-то причине оказывается недостаточным, система копирует менее востребованную в данный момент область оперативной памяти в этот файл, освобождая тем самым необходимый объем ОЗУ. Когда, наоборот, потребуются данные с диска, то они будут возвращены в оперативную память на место, подготовленное там тем же самым способом.

     Очевидно, что скорость обмена данными между  ОЗУ и файлом подкачки невелика. Поэтому, если объем ОЗУ в компьютере недостаточен, то программы будут выполняться медленно из-за постоянного обмена данными между ОЗУ и жестким диском. В подобной ситуации для повышения скорости работы компьютера необходимо увеличить объем установленного на плате ОЗУ.

     Системная (материнская) плата

     Основным  конструктивным элементом персонального компьютера является системная (материнская) плата. Обычно на ней монтируются основной процессор, устройства внутренней памяти (ОЗУ, ПЗУ и СЗУ) и несколько групп устройств:

• разъемы для подключения отдельных устройств;
• шина – информационная магистраль, связывающая их воедино;
• базовый набор микросхем, чипсет, с помощью которого материнская плата осуществляет контроль над всем происходящим внутри системного блока;
• встроенные (или интегрированные) дополнительные устройства.

     Самые важные характеристики материнской  платы – скорость передачи данных, число поддерживаемых моделей процессоров, базовый тип оперативной памяти, параметры работы с ней и некоторые  другие напрямую зависят от типа чипсета. Главные составляющие любого чипсета называются «мостами». Каждый из двух имеющихся в любом чипсете «мостов» - это специальная микросхема, выполняющая определённые функции. Так, «северный» мост соединяет между собой процессор, оперативную память и видеошину AGP, т.е. фактически он обеспечивает работу центральных устройств компьютера. В свою очередь второй, «южный» мост обеспечивает работу всех периферийных устройств, подключенных к компьютеру. Всегда находится на материнской плате контроллер клавиатуры и накопителей на магнитных дисках. Такие контроллеры называются встроенными или интегрированными (в материнскую плату). Поскольку разным пользователям в компьютере нужен разный набор контроллеров, постольку в большинстве компьютеров материнская плата всегда содержит несколько разъемов (слотов), в которые могут вставляться электронные платы, содержащие контроллеры для подключения дополнительных устройств (платы контроллеров). При вставке в разъем материнской платы контроллер подключается к шине - магистрали передачи данных между оперативной памятью и устройствами. Именно таким способом реализуется принцип открытой архитектуры.

     Периферийные  устройства персонального  компьютера

     Устройства  ввода

     Обязательным  устройством ввода информации является клавиатура. С её помощью можно не только вводить числовую и текстовую информацию, но и управлять работой компьютера.

     Ввод  информации осуществляется с помощью  клавиш. Нажатие на клавишу вызывает генерирование последовательности электрических импульсов (8-биные  коды клавиш). Клавиатура подключатся к магистрали через контроллер, который расположен на системной плате, а его разъем выведен на заднюю панель системного блока. Технически клавиатура реализуется различными способами, внутренние клавишные переключатели могут быть механическими (с различными типами контактов) или мембранными («замыкание» - «размыкание» контакта осуществляется за счет изменения электростатической ёмкости конденсатора).

     Совершенствование способов диалога человека и ЭВМ  привело к созданию других устройств  обеспечивающих ввод информации. Так, переход от текстового способа общения (набор команды с помощью клавиатуры) к графическому (выбор пиктограммы или пункта меню) вызвал появление координатных устройств ввода. К их числу относятся манипуляторы мыши, трекбол, сенсорная панель.

     В манипуляторах типа мышь и трекбол  используется оптико-механический принцип  действия. Особым рабочим органом  манипуляторов является массивный  шар (металлический, покрытый резиной). При использовании мыши этот шар  вращается при перемещении корпуса манипулятора по горизонтальной поверхности. У трекбола этот шар вращается рукой пользователя, а корпус манипулятора остается неподвижным.

     Вращение  шара передается роликам, которые фиксируют  перемещение по координатной плоскости  и с помощью фоточувствительных элементов передают информацию о величине этого перемещения в компьютер. Таким образом, вращение шара – манипулятора превращается в движение курсора или какого-либо другого объекта на экране монитора. Манипуляторы обычно подключаются к одному из последовательных портов компьютера.

     Еще одним координатным устройство ввода  является сенсорная панель (TouchPad). Она представляет собой панель прямоугольной формы, чувствительную к нажатию пальцев. Это устройство обеспечивает выполнение тех же функций, что и манипуляторы, но является более компактным и не требует перемещения в пространстве. Эти качества обеспечивают успешное использование сенсорной панели в портативных компьютерах. Прикосновение пальца к поверхности панели и его перемещение управляет курсором так же, как и соответствующие воздействия манипулятора.

     Физически сенсорная панель представляет собой  сетку из металлических проводников, разделенных тонкой изолирующей  прокладкой. Такая конструкция эквивалентна набору большого количества миниатюрных  конденсаторов. По изменению емкости того или иного конденсатора в сетке можно точно определить координаты пальца на поверхности панели.

     В качестве устройств ввода иногда используются игровые манипуляторы – джойстики. Они применяются  в различного рода тренажерах и для управления ходом компьютерных игр. Конструктивно обычно они выполняются в виде рукоятки или рулевого колеса, подобного автомобильного, кнопки на подставке. Джойстики подключаются к специальному разъему (игровой порт) на звуковой плате.

     Для обеспечения оптического ввода изображений, представленных в виде фотографий, рисунков, слайдов, а также текстовых документов, и их преобразование в цифровую форму используются сканеры. В процессе сканирования изображение, которое необходимо ввести в ЭВМ, освещается. В черно-белых сканерах для этого используется белый цвет, а в цветных – три цвета (красный, зеленый и синий). Отраженный свет проецируется на линейную матрицу фотоэлементов, которая движется. При этом происходит последовательные считывания изображения и его преобразование в двоичный код. В результате исходное изображение преобразуется в графический файл. Сканеры подключаются к магистрали с помощью специальных контроллеров или через параллельный порт компьютера. Для преобразования отсканированного текста из графического формата в текстовой служат системы распознавания текстовой информации.

     Для получения видеоизображений и фотоснимков  непосредственно в цифровом (компьютерном) формате служат цифровые камеры (видеокамеры  и фотоаппараты). Они могут быть постоянно подключены к компьютеру и тем самым обеспечивают запись изображений на жесткий диск или его передачу по компьютерным сетям. Цифровые камеры способны хранить в своей памяти десятки изображений, которые после подключения к компьютеру могут быть переписаны на жесткий диск.

     Звуковая  информация вводится в компьютер  с помощью микрофона, который  подключается к специальному контроллеру  – звуковой карте. Это устройство обеспечивает 16-битное двоичное кодирование  звука. Обычно звуковая карта имеет  дополнительную возможность синтезировать звук (в памяти звуковой карты хранятся звуки 128 различных музыкальных инструментов) и воспроизводить одновременно 32 и более инструмента. Звуковая карта устанавливается в один из слотов расширения на системной плате.