Персональные компьютеры

Персональные компьютеры (ПК) относятся к четвертому поколению ЭВМ. Определение ПК вытекает из его характеристик:

· относительно невысокая стоимость;

· наличие большого набора периферийных устройств, предназначенных для ввода-вывода и хранения информации;

· соответствие аппаратной конфигурации решаемым задачам различной сложности;

· поддержка языков программирования высокого уровня;

· наличие операционной системы (ОС), которая осуществляет взаимодействие пользователя с ПК;

· «дружественный интерфейс» по отношению к пользователю.

Обобщая сказанное, можно заключить, что персональной называется универсальная однопользовательская ЭВМ, которая представляет собой систему, включающую аппаратную и программную части.

Аппаратные средства необходимы для хранения и преобразования информации. Программное обеспечение служит для целей управления процессом преобразования информации и согласования работы всех аппаратных средств, входящих в состав персонального компьютера.

ПК предназначен для использования:

· в автономном режиме: для решения широкого круга научно-технических, экономических, специальных и т.п. задач;

· в составе автоматизированных рабочих мест (АРМ) различной ориентации;

· в локальных и глобальных вычислительных сетях: для создания информационно-справочных систем, систем распределённой обработки данных, для связи между различными пользователями и в качестве интеллектуальных терминалов.

Применение вычислительной техники в процессе обучения позволяет уменьшить нагрузку на преподавателя и повысить качество преподавания. Применение ПК в обучении является развитием многолетнего процесса внедрения технических средств в учебный процесс. Можно назвать следующие формы применения компьютеров в обучении:

· как предмета изучения (в составе аппаратных и программных средств) и средства обучения;

· в качестве лабораторных установок, для моделирования процессов;

· как вспомогательное средство для решения задач и упражнений на занятиях с преподавателем и во время самостоятельной работы, в курсовом и дипломном проектировании;

· как средство автоматизации планирования и организации учебного процесса, разработки учебных планов и программ в составе автоматизированных систем управления (АСУ) учебным заведением;

· как средство автоматизации исследований в области обучения (педагогические и психолого-педагогические исследования, математические модели учебного процесса);

· в качестве управляющего элемента процесса обучения (контроль знаний, представление учебного материала, управление ходом обучения);

· как автоматизированное средство для сбора и анализа статистических данных об учебном процессе.

Помимо формирования умственных навыков персональный компьютер применяется для формирования различного рода двигательных навыков в составе тренажеров при обучении некоторым профессиям (летчиков, машинистов, водителей), а так же в коррекционной педагогике.

Персональный компьютер состоит из:

· базового комплекта;

· периферийных устройств;

· других технических и программных средств, необходимых для удовлетворения запросов пользователя.

Под базовым комплектом ПК будем понимать установленный в него необходимый и достаточный (минимальный) для функционирования набор узлов и агрегатов. Базовый комплект ПК должен включать:

· микропроцессор;

· оперативное и постоянное запоминающее устройство;

· основные периферийные устройства: клавиатуру и устройство отображения информации (дисплей);

· средства подключения основных периферийных устройств (адаптеры, контроллеры);

· базовое программное обеспечение (ПО): операционную систему, программы контроля работоспособности ПК и пакеты прикладных программ общего назначения;

· источник питания.

Конструктивно персональный компьютер состоит из следующих основных компонентов:

· системный блок;

· клавиатура и устройство управления курсором – «мышь» (устройства ввода информации);

· монитор – устройство для отображения текстовой и графической информации (вывода информации).

Рассмотрим состав системного блока (рис. 4).

 

 

В системном блоке располагаются основные узлы компьютера:

· блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы;

· накопитель на гибких магнитных дисках – дисковод, используемый для работы с гибкими магнитными дисками (дискетами);

· накопитель на жестких магнитных дисках, предназначенный для работы с несъемным пакетом жестких магнитных дисков;

· электронные схемы, управляющие работой компьютера: микропроцессор, набор микросхем на системной плате (рис. 5), оперативная память, контроллеры внешних устройств и т.д.

 

На рисунке обозначено: слот (разъём) AGP (Accelerated Graphical Port) – ускоренный графический порт, необходимый для установки видеокарт, поддерживающих ЗD-графику; слоты PCI (Peripheral Component Interconnect, стандарт для подключения периферийных компонентов) – разъёмы для установки контроллеров.

Микропроцессор (рис. 6), устанавливаемый в специальный слот (см. рис. 13), является центральным устройством компьютера. Он осуществляет выполнение программ, реализуемых в компьютере, и управление работой остальных устройств. Скорость работы микропроцессора во многом определяет быстродействие компьютера в целом. Микропроцессоры отличаются друг от друга в основном типом (моделью) и тактовой частотой. Наиболее распространены модели Intel Pentium различных поколений (I, II, III, IV) и Celeron. Одинаковые модели могут работать на разной тактовой частоте. Тактовая частота современных микропроцессоров 2.6 ГГц и выше.

Сопроцессор используется в тех случаях, когда на компьютере приходится выполнять обработку данных в формате «с плавающей точкой». Современные микропроцессоры имеют встроенный сопроцессор.

Память представляет собой набор электронных устройств и предназначена для хранения используемой при решении задач информации. Память ЭВМ состоит из одного или нескольких запоминающих устройств (ЗУ), которые разделяются на оперативное запоминающее устройство, имеющее набор пронумерованных (адресуемых) ячеек, внешние (долговременные) запоминающие устройства и постоянные запоминающие устройства. Оперативная память (рис. 7), устанавливаемая в специальные слоты (см. рис. 13), предназначена для хранения программ и обрабатываемых данных. Оперативная память по характеристикам быстродействия должна соответствовать характеристикам процессора (например, тактовая частота обмена данными). В оперативной памяти находятся выполняемые пользователем программы.

Большинство современных персональных компьютеров имеют оперативную память от 32 Мбайт до нескольких Гбайт. Для обеспечения оптимальной производительности вычислительной системы необходимо обеспечить быстрый доступ к оперативной памяти, иначе микропроцессор будет простаивать. С этой целью ПК снабжаются кэш-памятью, т.е. «сверхоперативной» памятью относительно небольшого объема (до 1024 Кбайт), в которой хранятся наиболее часто используемые программные компоненты. Кэш-память располагается «между» микропроцессором и оперативной памятью. В современных процессорах есть встроенная кэш-память.

В ОЗУ (основной памяти компьютера) процессы записи и считывания информации происходят очень быстро. Время обращения к ОЗУ характеризуется величинами порядка 10^-6 – 10^-9 сек.

Для хранения больших объемов информации и доступа к ним компьютер имеет ВЗУ. В зависимости от типа устройств их емкость может составлять от единиц Мбайт до сотен Гбайт. Обращение к ВЗУ занимает значительно больше времени, чем обращение к ОЗУ: от десятых долей секунды до нескольких секунд или даже минут. Реализуется внешняя память обычно на магнитных лентах (МЛ) или на магнитных дисках (МД). Внешние запоминающие устройства будут рассмотрены в 3.3.

Контроллеры и шина. Чтобы компьютер мог работать, необходимо, чтобы в его памяти находились программа и данные. Данные могут поступать из различных устройств компьютера – клавиатуры, накопителей на магнитных дисках и т.п. Эти устройства называются внешними. Результаты выполнения программ также выводятся на внешние устройства – монитор, диски, принтер и т.д. Таким образом, для работы компьютера требуется обмен данными между оперативной памятью и внешними устройствами. Такой процесс называется вводом-выводом информации. Обмен между любым внешним устройством и оперативной памятью в компьютере осуществляется через два промежуточных звена:

1) для каждого внешнего устройства в ПК имеется контроллер. Некоторые контроллеры (например, контроллер дисков, видеокарта) могут управлять несколькими устройствами;

2) все контроллеры взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, которую часто называют шиной.

Контроллеры выполняются в виде карт расширения и вставляются в слоты соответствующих шин. В последнее время некоторые контроллеры интегрируются (впаиваются) производителем оборудования в системную плату. В этом случае на системной плате смонтированы соответствующие встроенным контроллерам разъемы для подключения устройств ввода-вывода (см. рис. 13). В настоящее время используются несколько типов шин, представляющих собой физическую реализацию системной магистрали.

Шина PCI предназначена для организации взаимодействия процессора с оперативной памятью, а затем для связи с периферийными устройствами. характеристики шины: тактовая частота, на которой осуществляется обмен данными, – 33 МГц; скорость обмена данными – от 132 до 256 Мбайт/сек.

Шина FSB предназначена для организации более быстрого взаимодействия процессора с оперативной памятью, что позволило «освободить» шину PCI для работы только с периферийными устройствами. Основные характеристики шины: тактовая частота, на которой осуществляется обмен данными, – 200 МГц; скорость обмена данными – до 1 Гбайт/сек.

Шина AGP предназначена. для обеспечения возможностей графической подсистемы, оперирующей с трехмерной графикой, и стала практически обязательным стандартом всех современных материнских плат. Основные характеристики шины: тактовая частота, на которой осуществляется обмен данными, – 133 МГц; скорость обмена данными – выше 1 Гбайт/сек.

Шина PCMCIA

PCMCIA (другое название — PC Card) позволяет подключать к ноутбукам платы расширения памяти, сетевые платы, модемы и другие внутренние и внешние аппаратные средства.

Шины стандартов IEEE презназначена для обеспечения подключения устройств, выпускаемых различными производителями. В настоящее время самыми распространёнными шинами стандартов IEEE являются USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) и FireWire (огненный провод).

Шина USB предназначена для подключения к ПК среднескоростного периферийного оборудования (принтеров, сканеров, модемов, манипуляторов и т.д.). Скорость передачи данных по шине USB может достигать 12 Мбит/сек.

Шина FireWire предназначена для обмена данными между компьютером и высокоскоростными периферийными устройствами: цифровыми видеокамерами, сканерами, дисковыми накопителями и т.д. Пропускная способность шины IEEE 1394 достигает 1.6 Гбит/сек.

Преимущество шин USB и FireWire в том, что они дают возможность подключать внешние устройства к работающему компьютеру (без выключения источника питания), отключать их и обеспечивают их автоматическое распознавание после установки соответствующих драйверов по технологии PnP (Plug and Play – включил и работай). К каждой шине USB или FireWire можно подключать до 256 устройств одновременно по топологии дерева, используя разветвители.

Наличие различных типов шин на системной плате, количество слотов для подключения к шинам зависит от характеристик так называемого чипсета.

Чипсет (chipset) на системной плате – набор чипов (микросхем), обеспечивающих согласованную работу устройств компьютера. Этот набор называют еще системной логикой. Число чипов в наборе колеблется от 1 до 4. Чипсет определяет основные возможности системной платы:

· типы поддерживаемых процессоров (обычно чипсет поддерживает несколько типов);

· поддержку многопроцессорной конфигурации;

· максимальную внешнюю частоту FSB;

· логику коммутации устройств между собой (процессора, основной памяти и др);

· типы основной памяти, а также ее максимальный размер (чипсет поддерживает несколько типов памяти);

· скорости работы с каждым типом памяти;

· поддержку AGP и его скоростные режимы;

· максимальное число слотов шины PCI (что важно для расширяемости), ее версию и режимы;

· тип дискового интерфейса и его скоростные режимы.

Чипсет может также включать возможности, обеспечиваемые дополнительными чипами на плате: интегрированные устройства (аудиочип и/или графический чип) и мониторинг компьютера. Контролеры, устанавливаемые на системную плату, имеют различное назначение.

Видеокарта используется для создания и вывода на экран монитора качественного двухмерного (трехмерного) изображения с приемлемой для пользователя скоростью. В последнее время часто такие устройства называют 2D- (3D-) акселераторами. Важнейшими характеристиками видеокарт являются объем и быстродействие собственной памяти (видеопамяти) и функциональные возможности установленного на неё чипсета.

Аудиокарта предназначена для воспроизведения и записи музыки и звукового сопровождения программных продуктов. В настоящее время пользуются популярностью стереофонические и квадрофонические аудиокарты.

Большинство современных системных плат часто имеют встроенные аудио-, видео- и другие контроллеры, что позволяет освободить PCI слоты для установки дополнительных устройств, описание которых приводится в конце этой главы. Подключение внешних устройств, взаимодействующих с вычислительной системой, осушествляется через разъёмы, размещаемые непосредственно на системной плате (рис.).