2.2. Аппаратная реализация компьютера

Состав компьютера. Современный компьютер может быть реализован в настольном (рис. 2.3.), портативном (ноутбук, рис. 2.4.) или карманном (КПК, рис. 2.5.) варианте. Самым распространенным является настольный вариант. Его основным преимуществом является гибкая возможность модернизации. Преимущества портативного и карманного варианта заключаются в компактности и возможности работы без непосредственного подключения к сети напряжения.

Рис. 2.3. Настольный компьютер Рис. 2.4. Ноутбук Рис. 2.5. КПК

Настольный компьютер состоит из трех основных частей: системный блок, клавиатура и монитор. В системном блоке располагаются электронные схемы (микропроцессор, оперативная память, контроллеры устройств), блок питания (преобразует напряжение сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электрические схемы), накопитель на гибких магнитных дисках (дисководы), накопитель на жестких магнитных дисках (жесткий диск или винчестер). К системному блоку можно подключать дополнительные устройства ввода-вывода через специальные гнезда (разъемы) на задней стенке компьютера: принтер, мышь, сканер, модем, звуковые колонки и т.д. Все устройства компьютера, которые находятся вне системного блока, называются внешними устройствами.

Для каждого внешнего устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером, или адаптером. Все контроллеры взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через системную шину (магистраль).

Блока питания (рис. 2.6.) легко определить по заметным размерам. В него всегда встроен вентилятор для охлаждения устройств внутри системного блока. В зависимости от типа компьютера мощность блока питания бывает разной. Энергия расходуется компьютером постоянно и порой совершенно бесполезно, когда компьютер включен, но не используется. Поэтому и появились экономичные модели настольных компьютеров. Проработав некоторое время вхолостую, они впадают «в спячку» – выключается монитор, отключаются и «засыпают» другие энергоемкие устройства. Потребление электроэнергии при этом снижается в несколько раз. Но стоит вам коснуться клавиатуры или мышки, компьютер оживет. Такие компьютеры называют «экономически чистыми», или green – «зелеными».

Рис. 2.6. Блок питания

Микросхемы центрального процессора (рис. 2.7.) и оперативной памяти расположены на самой большой электронной плате, которую называют системной или материнской платой (motherboard). Современный центральный процессор представляет собой сверхбольшую интегральную схему (СБИС), размещенную на кремниевом кристалле и выполненную в виде микросхемы или чипа. Называется он микропроцессором. А термин «сверхбольшая» относится не к размерам микросхемы, а к количеству заключенных в ней электронных элементов (около 50 миллионов). В компьютерную систему могут входить и другие процессоры, отвечающие за обработку информации на своих участках, например, математический сопроцессор, ускоряющий некоторые виды математических операций. Основными характеристиками процессора являются тактовая частота, разрядность и производительность.

Рис. 2.7. Процессор

Тактовая частота – это количество тактов в секунду. Такт – это промежуток времени между началами подачи двух последовательных импульсов генератором. На выполнение каждой операции требуется определенное число тактов. Измеряется тактовая частота в МГц и ГГц. (1 Мгц – 1000000 тактов в секунду).

Разрядность определяется количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или передаваться микропроцессором одновременно. Производительность зависит от тактовой частоты микропроцессора, его разрядности и особенностей архитектуры. Производительность нельзя вычислить, она определяется в процессе тестирования по скорости выполнения определенных базовых операций.

Память компьютера. Память компьютера реализуется с помощью запоминающих устройств, которые можно разделить на внутренние и внешние. Внутренние запоминающие устройства делятся на постоянные (ПЗУ), оперативные (ОЗУ или оперативная память) и сверхоперативные (cashe-память).

ПЗУ является энергонезависимой (содержимое памяти не стирается при выключении компьютера) и используется для хранения неизменяемой информации. В ПЗУ записаны программы, с помощью которых происходит тестирование устройств и загрузка операционной системы. Большая часть этих программ связана с обслуживанием процессов ввода-вывода, и содержимое постоянной памяти часто называют BIOS (Basic Input/Output System, или базовая система ввода-вывода). Объем ПЗУ не превышает несколько сотен Кбайт. Раньше содержимое ПЗУ раз и навсегда формировалось на заводе, теперь современные технологии позволяют обновлять его, даже не извлекая из компьютерной платы.

ОЗУ предназначено для хранения выполняемых программ и исходных данных, для обработки и записи промежуточных и окончательных результатов. ОЗУ энергозависимое и при выключении компьютера все содержимое стирается. Микросхемы оперативной памяти монтируются на маленькой плате (рис. 2.8.), снабженной контактами, с помощью которых она вставляется в специальный разъем (слот) на материнской плате. Для расширения возможностей компьютера материнская плата снабжается несколькими такими разъёмами. Оперативная память измеряется в Мбайтах и Гбайтах.

Рис. 2.8. Микросхема оперативной памяти

Cashe-память (кэш-память) служит для ускорения работы компьютера. Необходимость появления кэш-памяти вызвана тем, что считывание из оперативной памяти производится в 2-3 раза медленнее, чем обработка данных процессором. Данные, которые используются часто оперативной памятью, копируются в кэш-память, от куда считывание происходит на много быстрее.

Внешняя память используется для хранения больших объемов информации и характеризуется высокой информационной емкостью, энергонезависимостью и низким быстродействием. Внешнюю память принято разделять по физическим принципам записи, обработки и хранения информации:

- накопители на магнитных дисках, которые разделяются на накопители на гибких магнитных дисках (дискеты, рис. 2.9.) и накопители на жестких магнитных дисках (жесткий диск или винчестер, рис. 2.10.). Емкость дискет равна 1,44 Мбайта. Емкость жестких дисков постоянно увеличивается;

Рис. 2.9. Дискеты Рис. 2.10. Жесткий диск

- накопители на оптических дисках, которые разделяются на CD-R, CD-RW, DVD-R, DVD-RW. CD-диски (рис. 2.11.) имеет емкость 700 Мбайт. Емкость обычных DVD-дисков (рис. 2.12.) равна 4,7 Гбайт. Приставка R (recordable – записываемый) означает, что информация на такие диски может быть записана только один раз. Такие диски имеют золотистый цвет. Приставка RW (rewritable – перезаписываемый) означает, что информация на такие диски может быть записана многократно. Такие диски имеют платиновый оттенок.

- flash-память (флэш-память). Флэш-память позволяет хранить информацию в микросхемах. Карты флэш-памяти (рис. 2.13.) не имеют в своем составе движущихся частей, что обеспечивает высокую сохранность данных. Флэш-память представляет собой микросхему, помещенную в миниатюрный плоский корпус. Для считывания или записи информации карта памяти вставляется в специальные накопители, встроенные в мобильные устройства или подключаемые через USB-порт компьютера.

Рис. 2.11. CD-диск Рис. 2.12.DVD-диск Рис. 2.13.Flash-диск

Устройства ввода информации. Для того чтобы компьютер мог работать с информацией, ее надо ввести. Основным устройством ввода информации в ПК является клавиатура. При нажатии на любую клавишу срабатывает миниатюрный переключатель, сигнал от которого отслеживается специальным микропроцессором, посылающим соответствующие сообщения в компьютер, где они обрабатываются операционной системой. В настоящее время широко применяются клавиатуры, у которых более 101 клавиши.  Клавиши на клавиатуре можно разделить на блоки (рис. 2.14.). Большинство клавиш служит для ввода букв, цифр, различных символов и знаков препинания – основная группа символов. Двенадцать функциональных клавиш имеют специальное назначение, зависящее от конкретной программы. Дополнительная клавиатура расположена справа. Она предназначена как для ввода чисел, так и для дублирования клавиш управления курсором. Если нажата клавиша «Num Lock» (горит индикатор), то вводятся цифры. При повторном нажатии на эту клавишу индикатор гасится, и дополнительная клавиатура дублирует управляющие клавиши.

Рис. 2.14. Клавиатура

Для управления работой современных программ используются различные манипуляторы. Манипуляторы осуществляют непосредственный ввод информации, указывая курсором-указателем на экране монитора команду или место ввода данных. Мышь (рис. 2.15.) – наиболее распространенный вид манипулятора. Движение мыши отражается на экране монитора перемещением ее указателя. Качество мыши определяется разрешающей способностью, которая измеряется числом точек на дюйм (dpi). Эта характеристика определяет, насколько точно курсор будет передвигаться по экрану. Мыши различаются по свойствам: способ считывания информации (механические, оптические, оптико-механические), количество кнопок, способ соединения (проводные и беспроводные). Джойстик (рис. 2.16.) представляет собой ручку управления и наиболее часто используется в компьютерных играх. Джойстики управляют перемещениями курсора по экрану. Призваны усилить реалистичность во время игры-симулятора машины, самолёта, космического корабля и пр. Трекбол (шаровой манипулятор, рис. 2.17.) – это шар, расположенный вместе с кнопками на поверхности клавиатуры (перевернутая мышь). Для него не требуется коврик и пространство для перемещения манипулятора. Перемещение указателя по экрану обеспечивается вращением шара. Применяется в портативных компьютерах.

Рис. 2.15. Мышь Рис. 2.16. Джойстик Рис. 2.17. Трекбол

  Сенсорные устройства ввода называют еще тактильными, поскольку ввод информации в них выполняется через прикосновение к светочувствительной поверхности устройства. Сенсорный манипулятор представляет собой коврик без мыши. В данном случае управление курсором производится простым движением пальца по коврику. Сенсорный экран представляет собой поверхность, которая покрыта специальным слоем. Это устройство дает возможность выбирать действие или команду, дотрагиваясь до экрана пальцем. Очень удобен в использовании, когда необходим быстрый доступ к информации. Такими устройствами ввода пользуются в банковских компьютерах, аэропортах, а также в военной сфере и промышленности. Световое перо – имеет светочувствительный элемент на своем кончике. Соприкосновение пера с экраном замыкает электрическую цепь и определяет место ввода или коррекции данных. Перемещая перо по экрану можно рисовать или писать. Применяются такие устройства в дизайнерских работах. Часто используется в карманных микрокомпьютерах. графический планшет – позволяет создавать или копировать рисунки. Рисунок выполняется на поверхности планшета специальным пером или пальцем. Результаты работы воспроизводятся на экране монитора.

К устройствам ввода графической информации относится и сканер (рис. 2.18.). В сканерах изображение преобразуется в цифровую форму для дальнейшей обработки компьютером или воспроизведения на экране монитора. Сканер распознает изображение, автоматически создает его электронную копию, которая может быть сохранена в памяти компьютера. 

Цифровая видеокамера (рис. 2.19.) – устройство ввода, передающее динамическое видеоизображение в компьютер в реальном масштабе времени. Зачастую используется для видеоконференций по сети Интернет. Для подключения видеокамеры необходимо, чтобы графический адаптер компьютера имел соответствующий разъем.

Рис. 2.18. Сканер Рис. 2.19. Цифровая видеокамера

Микрофон – устройство ввода звуковой информации: голоса или музыки. Существуют системы распознавания речи, настроенные на особенности человеческого голоса, которые находят применение при изучении иностранных языков.

Устройства вывода информации. Важно не просто ввести информации, но и вывести ее в доступном виде. Основным устройством вывода является монитор. Изображение на экране монитора формируется путем считывания содержимого видеопамяти и отображения его на экран. Частота считывания изображения влияет на стабильность картинки на экране и достигает в современных мониторах порядка 100 считываний в секунду (к примеру, в кино частота смены кадров 24 кадра в секунду).

Мониторы делятся на мониторы на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ), жидкокристаллические мониторы (ЖК или LCD) и плазменные. Изображение на экране ЭЛТ-монитора (рис. 2.20) создается пучком электронов, испускаемых электронной пушкой. Этот пучок разгоняется высоким электрическим напряжением и падает на внутреннюю поверхность экрана, покрытую специальным веществом (люминофор), светящимся под воздействием электронов.

Экран ЖК-монитора (рис. 2.21.) представляет собой матрицу, каждый элемент которой – жидкий кристалл. Под действием электрических сигналов кристаллы меняют свои оптические свойства и, пропуская свет, моделируют элементы изображения. Компактные размеры, плоский экран, отсутствие излучений, вредных для здоровья человека, делают их все более привлекательными. Именно такие мониторы используют в портативных и карманных компьютерах.

Рис. 2.20. ЭЛТ-монитор Рис. 2.21. ЖК-монитор

Экран плазменного монитора также содержит матрицу, но ячейки заполнены газовой смесью. Газ светится под воздействием электрического тока. Экран такого монитора очень тонкий и большой по площади. Используются в основном для показа изображения на расстоянии: в большой аудитории или в домашних кинотеатрах.

Принтеры предназначены для вывода на бумагу числовой, текстовой и графической информации. По своему принципу принтеры делятся на матричные, струйные и лазерные.

Матричные принтеры (рис. 2.22.) относятся к ударным печатающим устройствам. Изображение формируется с помощью иголок, ударяющих по бумаге через красящую ленту. Головка движется вдоль печатаемой строки, а иглы ударяют в нужный момент через красящую ленту по бумаге.

Струйные принтеры (рис. 2.23.) относятся к безударным устройствам, так как головка печатающего устройства не касается бумаги. Для получения изображения используют чернила. Головка принтера представляет собой чернильницу, в которой из дырочек-сопел выбрасываются тонкие струи чернил. Количество сопел колеблется от 12 до 64. Чем меньше диаметр сопел, тем выше качество печати. В отличие от матричных струйные принтеры работают почти бесшумно и обеспечивают лучшее качество печати, особенно цветной.

Лазерные принтеры (рис. 2.24.) для формирования изображения используют лазерный луч. С помощью систем линз тонкий луч лазера формирует скрытое электронное изображение на светочувствительном барабане. Во время печати на поверхность барабана подается высокое напряжение, и к заряженным участкам электронного изображения притягиваются частички порошка-красителя, который затем переносится на бумагу. Закрепляется изображение на бумаге разогревом тонера до температуры плавления. Лазерные принтеры обеспечивают наилучшее качество и высокую скорость печати, но являются наиболее дорогими. Кстати, также работают и копировальные машины. Поэтому далеко не случайно, что среди производителей лазерных принтеров много фирм, которые выпускают копиры: Xerox, Canon, Minolta-QMS и др.

Рис. 2.22. Матричный принтер Рис. 2.23. Струнный принтер Рис. 2.24. Лазерный принтер

Для вывода сложных и широкоформатных графических объектов используются специальные устройства, которые называются плоттерами. Принцип действия плоттера такой же, как и струйного принтера.

Для вывода звуковой информации используются акустические колонки и наушники.

Вопросы:

1. Почему настольный вариант компьютера является самым распространенным?

2. Как называются устройства, которые находятся вне системного блока?

3. Объясните фразу: «Микропроцессор представляет собой сверхбольшую интегральную схему».

4. Какая бывает память компьютера?

5. Назовите основные устройства ввода и вывода информации.