Аппаратное обеспечение. 
Основы информатики

К аппаратному обеспечению компьютеров относятся устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию. Компьютеры имеют блочно-модульную конструкцию, то есть аппаратную конфигурацию можно собирать из готовых узлов и блоков. Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. В таком комплекте компьютер обычно поставляется. В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают четыре устройства:

• * системный блок;
• * монитор;
• * клавиатуру.

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого размещаются:

• * материнская плата (motherboard);
• * дочерние платы (платы расширения);
• * внутренние накопители;
• * блок питания.

Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными.

Основной параметр, определяющий «стандартность» корпуса, называется формфактором. Существует два стандарта на размещение компонентов компьютера в корпусе: AT и ATX. Их основными отличиями являются:

• * формат и способ размещения материнской платы;
• * конструкция блока питания;
• * способ подачи электропитания на материнскую плату.

Материнская плата — основная плата компьютера, обычно самая большая по размеру. На ней размещаются:

• * процессор — основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций;
• * микропроцессорный комплект (чипсет) — набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы;
• * шины — наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;
• * оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) — набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен;
• * ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) — микросхема, предназначенная для длительного хранения данных, в том числе и когда компьютер выключен;
• * разъемы (слоты) для подключения дополнительных устройств — дочерних плат.

Существуют материнские платы самых разных форматов (AT, ATX, LPX, NLX, Mini-, Micro-ATX, Micro-NLX, Flex-ATX).

Основные характеристики материнских плат:

• * модель чипсета;
• * тип используемого процессора (зависит от разъема для установки процессора);
• * формат;
• * число и тип разъемов для установки дочерних плат;
• * возможность обновления BIOS.

Процессор — основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления. Процессор состоит из десятков миллионов транзисторов, с помощью которых собраны отдельные логические схемы. Основные внутренние схемы процессора — арифметико-логическое устройство, внутренняя память (так называемые регистры), кэш-память (сверхоперативная память) и схемы управления всеми операциями и внешними шинами.

Основными параметрами процессоров являются:

Тактовая частота определяет количество элементарных операций (тактов), выполняемые процессором за единицу времени. Тактовая частота современных процессоров измеряется в МГц Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один такт. Разрядность процессора определяется разрядностью командной шины, то есть количеством проводников в шине, по которой передаются команды.

Рабочее напряжение процессора обеспечивается материнской платой, поэтому разным маркам процессоров отвечают разные материнские платы.

Коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты — это коэффициент, на который следует умножить тактовую частоту материнской платы, для достижения частоты процессора. Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая из чисто физических причин не может работать на таких высоких частотах, как процессор.

Кэш-память. Обмен данными внутри процессора происходит намного быстрее, чем обмен данными между процессором и оперативной памятью. Поэтому, для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают так называемую сверхоперативную или кэш-память. Когда процессору нужны данные, он сначала обращается к кэш-памяти, и только тогда, когда там отсутствуют нужные данные, происходит обращение к оперативной памяти. Чем больше размер кэш-памяти, тем большая вероятность, что необходимые данные находятся там. Поэтому высокопроизводительные процессоры имеют повышенные объемы кэш-памяти.

Различают кэш-память первого уровня (выполняется на одном кристалле с процессором и имеет объем порядка несколько десятков Кбайт), второго уровня (выполняется на отдельном кристалле, но в границах процессора, с объемом в сто и более Кбайт) и третьего уровня (выполняется на отдельных быстродействующих микросхемах с расположением на материнской плате и имеет объем один и больше Мбайт).

Системная шина основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина включает в себя:

кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;

кодовую шину адреса (КША), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;

кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины;

шипу питания, содержащую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

• * между микропроцессором и основной памятью;
• * между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
• * между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Все блоки подключаются к шине через соответствующие унифицированные разъемы непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему контроллера шины, формирующую основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами исистемной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.

Оперативная память RAM (Random Access Memory) — это массив кристаллических ячеек, способных сохранять данные. Она используется для оперативного обмена информацией (командами и данными) между процессором, внешней памятью и периферийными системами. Из нее процессор берет программы и данные для обработки, в нее записываются полученные результаты. Название «оперативная» происходит от того, что она работает очень быстро и процессору не нужно ждать при считывании данных из памяти или записи. Однако, данные сохраняются лишь временно при включенном компьютере, иначе они исчезают.

Основные характеристики модулей оперативной памяти:

• · объем памяти,
• · время доступа (время выполнения операции считывания/записи, т. е. время от начала цикла до получения данных на выходе),
• · производительность (количество данных, которое помять может считывать и записывать в единицу времени),
• · разрядность шины памяти (определяется количеством бит, с которыми может быть выполнена операция считывания/записи).

По физическому принципу действия различают динамическую память DRAM и статическую память SRAM.

Общий принцип организации и функционирования микросхем динамической памяти (DRAM) практически един для всех ее типов — как первоначальной асинхронной, так и современной синхронной. Массив памяти DRAM можно рассматривать как матрицу (двумерный массив) элементов способных вмещать элементарную единицу информации — один бит данных. Ячейки представляют собой сочетание транзистора (ключа) и конденсатора (запоминающего элемента). Доступ к элементам матрицы осуществляется с помощью декодеров адреса строки и адреса столбца, которые управляются сигналами RAS# (сигнал выбора строки — Row Access Strobe) и CAS# (сигнал выбора столбца — Column Access Strobe). Недостатки памяти DRAM: медленнее происходит запись и чтение данных, требует постоянной подзарядки. Преимущества: простота реализации и низкая стоимость.

Ячейки статической памяти можно представить как электронные микроэлементы — триггеры, состоящие из транзисторов. В триггере сохраняется не заряд, а состояние (включенный/выключенный). Применяется в качестве кэш-памяти второго уровня для кэширования основного объема ОЗУ.

Преимущества памяти SRAM: значительно большее быстродействие. Недостатки: технологически более сложный процесс изготовления, и соответственно, большая стоимость.

Микросхемы динамической памяти используются как основная оперативная память, а микросхемы статической — для кэш-памяти.

ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) — одна из важнейших микросхем материнской платы. Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию, даже когда компьютер выключен. Программы, находящиеся в ПЗУ, называют «зашитыми» — их записывают туда на этапе изготовления микросхемы.

Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода (BIOS — Basic Input Output System).

BIOS (Basic Input/Output System, базовая система ввода/вывода) — набор небольших подпрограмм, используя которые операционная система и прикладные программы «общаются» с аппаратным обеспечением. Физически BIOS — это несколько микросхем ROM (Read Only Memory), расположенных на системной плате. BIOS представляет собой элемент памяти и содержит:

• -тестирующую систему POST,
• — аппаратные драйверы основных устройств компьютера,
• -программу установки основных параметров и аппаратной конфигурации,
• -обслуживание базовых функций программных прерываний к основным устройствам компьютера.

Функции:

• · тестирование компьютера при включении (POST, Power-On Self Test);
• · запуск загрузчика операционной системы с винчестера или дискеты;
• · обслуживание аппаратных прерываний от основных устройств компьютера;
• · обслуживание базовых функций программных прерываний к основным устройствам компьютера.

Жесткий диск (HDD — Hard Disk Drive) — основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ. В обиходе его называют «винчестером». Внутри Жесткого диска с большой скоростью вращаются диски, покрытые магнитным слоем. По поверхностям этих дисков перемещаются головки чтения/записи. Диски и головки размещены в герметичном и прочном корпусе.

Управление работой жесткого диска выполняет специальное аппаратно-логическое устройство — контроллер жесткого диска. В прошлом оно представляло собой отдельную дочернюю плату, которую подключали к одному из свободных слотов материнской платы. В настоящее время функции контроллеров дисков выполняют микросхемы, входящие в микропроцессорный комплект (чипсет), хотя некоторые виды высокопроизводительных контроллеров жестких дисков по-прежнему поставляются на отдельной плате.

К основным параметрам жестких дисков относятся емкость и производительность.

Чтобы подключить к компьютеру монитор, необходим специальный видеоадаптер. Задача видеоадаптера — сформировать сигнал, отображающий на мониторе определенную область памяти, в которой хранятся данные об изображении, а также выдать сигналы синхронизации — горизонтальную (строчную) и вертикальную (кадровую) развертки.

Физически видеоадаптер выполнен в виде отдельной дочерней платы, которая вставляется в один из слотов материнской платы и называется видеокартой. Видеоадаптер взял на себя функции видеоконтроллера, видеопроцессора и видеопамяти.

Рассмотрим устройства, обеспечивающие ввод и вывод информации.

Устройства ввода — это устройства, которые переводят информацию с языка человека на машинный язык.

Клавиатура — клавишное устройство для ввода числовой и текстовой информации.

Манипуляторы — устройства управления курсором (координатные устройства ввода информации) — Мышь, Трекбол, Тачпад, Джойстик Сканер — устройство для ввода графической информации. Сканер создает оцифрованное изображение документа и помещает его в память компьютера. Существуют сканеры ручные и планшетные.

Цифровые камеры — формируют изображения в компьютерном формате.

Микрофон — устройство для ввода звуковой информации. Преобразует звук из аналоговой формы в цифровой формат звуковая карта.

Сенсорные устройства ввода:

Сенсорный экран — чувствительный экран. Общение с компьютером осуществляется путем прикосновения пальцем к определенному месту экрана. Им оборудуют места операторов и диспетчеров, используют в информационно-справочных системах.

Дигитайзер — устройство преобразования готовых (бумажных) документов цифровую форму.

Световое перо — светочувствительный элемент. Если перемещать перо по экрану, то можно им рисовать. Обычно применяют в карманных компьютерах, системах проектирования и дизайна.

Устройства вывода — это устройства, которые переводят информацию с машинного языка в формы, доступные для человеческого восприятия.

Монитор (дисплей) — устройство визуального отображения всех видов информации. Существуют:

• 1) мониторы, сконструированные на базе электронно-лучевой трубки (CRT), среди которых различают алфавитно-цифровые и графические мониторы, а также монохромные мониторы и мониторы цветного изображения;
• 2) жидкокристаллические мониторы (LCD) — на базе жидких кристаллов. Различают активно-матричные и пассивно-матричные жкм. Жидкие кристаллы — особое состояние некоторых органических веществ, в котором они обладают текучестью и свойством образовывать пространственные структуры, подобные кристаллическим. Жидкие кристаллы могут изменять свою структуру и светооптические свойства под воздействием электрического напряжения.

Принтер — устройство для вывода закодированной информации в виде печатных копий текста или графики. Существуют матричные, струйные и лазерные принтеры.

Плоттер (графопостроитель) — устройство, которое чертит графики, рисунки и диаграммы под управлением компьютера. Изображение получается с помощью пера. Используется для получения сложных конструкторских чертежей, архитектурных планов, географических и метеорологических карт, деловых схем.

Акустические колонки и наушники — устройство для вывода звуковой информации.

информация компьютер плата процессор