Курс лекций по информатике для заочников

Copyright by Livanov Roman, 2002-2014

Тема №3: Аппаратное устройство персонального компьютера

План:

I. Системный блок.

II. Дисковые накопители. III. Мониторы и видеокарты. IV. Принтеры.

V. Дополнительные устройства.

I. Системный блок

Системный блок составляет основу персонального компьютера, в нем располагаются все основные компоненты.

1.1. Материнская (системная) плата – является главной электронной платой компьютера. В настоящее время выпускается множество различных материнских плат, отличающихся своими характеристиками.

На материнской плате находятся системные шины, порты ввода-вывода, а также специальные контроллеры.

1). Системная шина – осуществляет обмен данными между различными внутренними компонентами компьютера. На материнской плате могут быть системные шины 3 стандартов:

а). Разъем стандарта PCI – является универсальным разъемом для подключения дополнительных плат (звуковая карта, сетевая карта, внутренний модем). Скорость передачи данных по шине PCI составляет до 500 Мб/с. Обычно на материнской плате находится 4-6 разъемов PCI. Также была разработана более новая разновидность системной шины – разъем стандарта PCI-Express со скоростью передачи до 16 Гб/с.

б). Разъем стандарта AGP – это специальный разъем, предназначенный для установки видеокарт, обладает скоростью передачи данных до 2,5 Гб/с. На материнской плате обычно находится 1 такой разъем. В настоящее время стандарт AGP вытесняется более быстрым PCI-Express.

в). Разъем стандарта ISA – самый медленный по пропускной способности разъем со скоростью передачи данных до 16 Мб/с, на новых материнских платах такой разъем не встречается.

2). Порты ввода-вывода – предназначены для подключения дополнительных внешних устройств. Они бывают нескольких типов:

а). Параллельный порт LPT – предназначен для подключения принтера и сканера, обладает скоростью передачи около 2 Мб/с. Как правило, LPT-порт на материнской плате единственный.

б). Последовательный порт COM – предназначен для подключения низкоскоростных устройств, например внешнего модема. Отличается меньшей скоростью передачи данных – около 112 Кб/с. На материнской плате обычно находится 2 COM-порта.

11

Copyright by Livanov Roman, 2002-2014

в). Последовательный порт USB – отличается достаточно высокой скоростью передачи данных (USB 1.0 до 2 МБ/с, USB 2.0 до 60 Мб/с, USB 3.0 до 600 Мб/с). На материнской плате может быть от 2 до 8 таких USB-портов. В настоящее время наблюдается тенденция перехода всех внешних устройств компьютера на подключение через порт USB.

г). Порт PS/2 – предназначен для подключения клавиатуры и мыши, отличается невысокой скоростью передачи данных (менее 1 Мб/с).

3). Контроллеры – наборы интегральных микросхем, обеспечивающие управление некоторыми устройствами компьютера. На материнской плате выделяют:

а). Системный контроллер (северный мост) – позволяет процессору управлять высокопроизводительными шинами и устройствами, например видеокартой, оперативной памятью и другими.

б). Периферийный контроллер (южный мост) – позволяет процессору управлять периферийными устройствами, например жесткими дисками, различными внешними устройствами и т.д.

Также на материнской плате могут находиться различные интегрированные устройства, например видеокарта, звуковая и сетевая карта и другие.

1.2. Процессор (CPU, Central Processing Unit) – это небольшая электронная схема, выполняющая вычисления и обработку информации. Процессор осуществляет работу компьютерных программ и управляет всеми аппаратными устройствами. Конструктивно процессор представляет собой кремниевый кристалл, помещенный в керамический корпус и содержащий систему из нескольких элементов:

1). Основной процессор – главное вычислительное устройство, состоящее из миллионов или миллиардов транзисторов.

2). Сопроцессор – специальный блок для операций над числами с плавающей точкой. Применяется для особо точных и сложных расчетов, а также при работе с некоторыми графическими программами.

3). Кэш-память – небольшая сверхбыстрая память, предназначенная для хранения промежуточных результатов. Выделяют несколько уровней кэшпамяти:

1-й уровень (L1) – самая быстрая память объемом от 16 до 64 Кб.

2-й уровень (L2) – более медленная память, объемом от 128 Кб до 4-8 Мб. 3-й уровень (L3) – встречается только на многоядерных процессорах, ее

объем может достигать 16 Мб и более. Основные характеристики процессора:

а). Тактовая частота – показывает, сколько элементарных операций выполняется за 1 секунду.

б). Разрядность – показывает, сколько бит информации обрабатывается за одну операцию.

в). Размер кэш-памяти – определяет эффективность работы процессора при обработке больших объемов информации.

12

Copyright by Livanov Roman, 2002-2014

Дополнительные характеристики процессора:

а). Микроархитектура – определяется особенностями технологии процесса производства (90 нм, 65 нм, 45 нм).

б). Энергоэффективность – определяется потреблением энергии при максимальной нагрузке (125 Вт, 95 Вт, 35 Вт).

в). Поддерживаемые регистры команд и встроенные технологии обработки информации.

Сравнительные характеристики процессоров семейства Intel Pentium.

В настоящее время при достижении предела в тактовой частоте производители начали выпускать многоядерные процессоры. Такие процессоры содержат несколько процессорных ядер (2-, 4-, 8-, 16- и т.д.), которые размещены в пределах одного корпуса на одном или нескольких кристаллах. Многоядерные процессоры позволяют выполнять многопоточную обработку информации, что увеличивает общую производительность системы.

Процессоры подключаются к материнской плате при помощи специальных разъемов, называемых сокетами, причем многие процессоры не совместимы друг с другом по способу подключения.

1.3. Оперативная память – предназначена для временного хранения программ в процессе их выполнения. Главной особенностью оперативной памяти является энергозависимость, то есть при выключении компьютера ее содержимое стирается.

Основные характеристики оперативной памяти:

а). Объем памяти – показывает количество памяти и определяет работоспособность программ, требовательных к оперативной памяти.

б). Время доступа к памяти – показывает среднее время обращения к произвольному участку памяти и определяет быстродействие при считывании информации из памяти.

в). Пропускная способность – показывает количество информации, обрабатываемой за единицу времени и определяет скорость обработки больших объемов информации.

Дополнительные характеристики оперативной памяти:

а). Разрядность шины памяти – это количество бит данных, которое может быть передано за одну операцию обращения к памяти.

б). Частота работы памяти – это количество операций обращения к памяти за единицу времени.

в). Многоканальность – возможность выполнения обращений к памяти в несколько потоков.

г). Тайминги – это задержки между отдельными операциями при обращении к памяти.

13

Copyright by Livanov Roman, 2002-2014

Существуют следующие типы модулей памяти:

1). SIMM – использовались на компьютерах класса Pentium-I и ниже. Медленный и устаревший тип оперативной памяти, время доступа к памяти 50-70 нс, максимальный объем одного модуля – до 64 Мб, пропускная способность до 100 Мб/с.

2). DIMM – используется на компьютерах класса Pentium I-III, значительно быстрее, чем SIMM, время доступа составляет 6-9 нс, максимальный объем одного модуля – до 1024 Мб, пропускная способность до 2 Гб/с.

3). RIMM (DDR, DDR2, DDR3) – самый новый тип памяти, предназначен для компьютеров класса Pentium-IV и выше, время доступа 2 нс, максимальный объем одного модуля – до 16 Гб, пропускная способность до 32 Гб/с.

II. Дисковые накопители

Дисковые накопители – предназначены для долговременного хранения информации на компьютере.

2.1. Гибкие диски (дискеты), обозначение FDD – позволяют переносить документы и небольшие программы с одного компьютера на другой. Как носитель информации дискеты практически не применяются, так как недостаточно надежны и обладают маленькой емкостью.

В настоящее время используются дискеты размером 3.5 и емкостью 1,44 Мб. На компьютере дисководы для дискет обозначаются буквами А: и В:. Скорость чтения-записи дисковода составляет 20-40 Кб/с.

2.2. Жесткие диски (винчестеры), обозначение HDD – предназначены для постоянного хранения информации, используемой при работе с компьютером.

Конструктивно винчестер представляет собой одну или несколько круглых алюминиевых пластин (блинов) покрытых слоем ферромагнитного материала и помещенных в герметически закрытый корпус. Считывание и запись информации происходит с помощью блока магнитных головок, которые двигаются над поверхностью пластин. С целью адресации пространства поверхность пластины диска делится на дорожки, то есть концентрические кольцевые области. Каждая дорожка делится на равные отрезки или секторы. У современных винчестеров возможны два метода записи информации:

1.Параллельный (старый метод) – запись информации происходит путем

намагничивания горизонтальных областей диска, при этом плотность записи составляет 15-23 Гбит/см2.

2.Перпендикулярный (новый метод) – обеспечивает запись информации

путем намагничивания вертикальных областей диска, при этом плотность записи составляет 60-75 Гбит/см2.

Основные характеристики жестких дисков:

а). Емкость – количество информации, которое можно записать на диск. В настоящее время выпускаются винчестеры емкостью до 8 Тб. С увеличением емкости снижается стоимость 1 Гб дискового пространства. Фактическая

14

Copyright by Livanov Roman, 2002-2014

емкость жесткого диска обычно бывает меньше, чем емкость диска, заявленная производителем (заявленная емкость 320 Гб реальная емкость 298 Гб,

320 070 320 128 байт/10243).

б). Время доступа к данным – показывает среднее время обращения к произвольному участку на диске. У современных винчестеров время доступа составляет 3-5 мс.

в). Скорость чтения-записи данных – определяется количеством информации, которое можно записать или считать с диска за определенный промежуток времени. У современных винчестеров может достигать 150 Мб/c.

Дополнительные характеристики жестких дисков:

а). Скорость вращения диска – определяет быстродействие диска и может составлять 5900, 7200, 10000 и 15000 об/мин.

б). Объем буфера (кэша) – определяет эффективность работы винчестера при копировании информации, составляет 8-128 Мб.

в). Интерфейс подключения – определяется способом подключения к материнской плате компьютера (IDE, SATA, USB).

Основной ячейкой для хранения информации на жестком диске является кластер, объединяющий группу секторов диска. Величина кластера зависит от объема диска и от используемой файловой системы. Существует следующая зависимость объема диска и размера кластера (файловая система FAT32):

На современных винчестерах большого объема величина кластера существенно возрастает, что приводит к потерям дискового пространства. Причина этого в том, что в кластер, частично занятый каким-либо файлом, нельзя записать другой файл. (Пример: в кластер размером 32 Кб записан файл размером 2 Кб – теряется 30 Кб).

Для экономии дискового пространства рекомендуется разделять винчестеры большого объема на несколько разделов или логических дисков. При этом каждый логический диск воспринимается системой как отдельный диск и обозначается своей буквой: С – основной диск или раздел, D, E, F и другие – дополнительные диски или разделы. Для разбиения винчестера на логические диски используются специальные программы.

Также существует возможность объединять несколько винчестеров в один большой логический диск при помощи RAID-массива. RAID-массивы могут быть нескольких уровней, отличающихся своими возможностями, например, RAID-массив 7 уровня позволяет объединять до 50 винчестеров любой емкости. Дисковые массивы используются в основном для работы на серверах и в суперкомпьютерах.

15

Copyright by Livanov Roman, 2002-2014

2.3. Оптические диски – предназначены для хранения и распространения комплексов программ, мультимедиа, игр, а также для резервного копирования информации. Рабочая поверхность оптического диска состоит из 2 основных слоев:

1.Записываемый слой – непрозрачный или полупрозрачный слой, на котором формируются информационные дорожки, состоящие из углублений (питов 1) и возвышенностей (лендов 0).

2.Защитный слой – прозрачный и достаточно прочный слой, защищающий записываемый слой от механических повреждений.

По назначению выделяют 3 разновидности оптических дисков:

1). Обычные диски – информация на них записывается при изготовлении в заводских условиях и доступна только для чтения.

2). Записываемые диски – предназначены для однократной записи информации, стереть или исправить записанные на диск данные невозможно.

3). Перезаписываемые (многоразовые) диски – предназначены для многократной записи информации.

Основные характеристики оптических дисков: а). Максимальная емкость.

б). Максимально возможная скорость записи.

Для чтения информации с оптических дисков на компьютере предназначен дисковод или привод.

Принцип работы дисковода: лазерный луч направляется на записываемый слой поверхности диска, и, проходя по дорожкам диска, отражается обратно на светочувствительный фотодиод, где световые импульсы преобразуются в электрические.

Виды дисководов:

1.Обычные – предназначены только для чтения информации с дисков.

2.Пишущие (рекордеры) – предназначены не только для чтения, но и для записи информации на диски.

Основные характеристики дисководов:

а). Скорость чтения-записи – обозначается Х, например 16Х, 40Х и т.д. б). Время доступа к данным – зависит от поколения диска.

В настоящее время существует 3 поколения оптических дисков: 1 поколение – CD (Compact Disk).

Разновидности CD:

1). Обычные CD-ROM емкостью 650 Мб или 700 Мб.

2). Записываемые CD-R: емкость – 650, 700 или 800 Мб, максимальная скорость записи – до 52Х.

3). Перезаписываемые CD-RW: емкость – обычно 700 Мб, максимальная скорость записи – до 24Х.

Одинарная скорость 1X для CD составляет 150 Кб/с. Скоростные характеристики CD-дисковода обычно указываются в названии его модели, например: 48Х24Х52Х, где 48Х – скорость записи CD-R (7200 Кб/c), 24Х – скорость записи CD-RW (3600 Кб/с), 52Х – скорость чтения (7800 Кб/с). Время доступа дисковода к данным на диске составляет до 50 мс.

16

Copyright by Livanov Roman, 2002-2014

2 поколение DVD (Digital Video Disc или Digital Versatile Disc).

Основные отличия DVD от CD:

1.Большая плотность записи – диск может содержать до 4,7 Гб.

2.Возможность двухслойной записи – диск может содержать до 8,5 Гб.

3.Возможность двухсторонней записи – диск может содержать до 17 Гб. Разновидности DVD:

1). Обычные DVD-ROM.

2). Записываемые DVD-R и DVD+R.

3). Перезаписываемые DVD-RW и DVD+RW.

DVD-дисковод отличается от CD-дисковода тем, что в нем используется более тонкий лазерный луч, позволяющий считывать информацию, записанную с большей плотностью и в 2 слоя. DVD-дисковод обычно поддерживает CD диски. Одинарная скорость 1Х для DVD составляет 1350 Кб/с (1X DVD = 9X CD), время доступа к данным до 100 мс. Скоростные характеристики DVDдисковода указываются следующим образом: 16X8X6X18X, где 16Х – скорость записи DVD R (21,1 Мб/c), 8Х – скорость записи DVD RW (10,5 Мб/с), 6X – скорость записи двухслойных дисков (7,9 Мб/с), 18Х – скорость чтения дисков

(23,7 Мб/с).

3 поколение Blu-Ray (BD) и HD-DVD.

Данные виды дисков являются конкурирующими, хотя имеют много общего, например, используемый тип лазерного луча. Дисководы и плееры Blu-Ray выпускаются с 2006 года, а HD-DVD – с 2005 года. Отличительными особенностями оптических дисков 3-го поколения являются:

1.Очень высокая плотность записи: Blu-Ray до 25-33 Гб на 1 слой, HDDVD до 15 Гб на 1 слой.

2.Возможность многослойной записи: в перспективе до 8-10 слоев (Blu-Ray: 8 слоев по 25 Гб – максимальная емкость 200 Гб; HD-DVD: 10 слоев по 15 Гб – максимальная емкость 150 Гб).

3.Высокая степень защиты записанных данных.

Одинарная скорость 1Х составляет для дисков Blu-Ray 4,5 Мб/с, а для дисков HD-DVD 4,36 Мб/с. Максимальная скорость записи может достигать 8X (35-36 Мб/с), максимальная скорость чтения 12X (52-54 Мб/с).

2.4. Флэш-память – разновидность твердотельной энергонезависимой перезаписываемой памяти. Информация с флэш-памяти может неограниченно считываться, но записать информацию в нее можно лишь ограниченное число раз (до 10 тыс.). Благодаря своей компактности, невысокой стоимости и низкой потребности в энергии, флэш-память получила огромное распространение.

Основные характеристики флэш-памяти: а). Емкость – составляет от 32 Мб до 1 Тб.

б). Скорость чтения-записи – составляет от 500 Кб/с до 40 Мб/с и более. в). Время доступа к памяти – составляет до 1 мс.

По назначению флэш-память можно разделить на 3 типа:

1). SSD-диски – твердотельные накопители, предназначенные для постоянного хранения информации на компьютере. Являются альтернативой жестким дискам, но имеют очень высокое соотношение цены и объема.

17

Copyright by Livanov Roman, 2002-2014

2). USB-накопители – используются в качестве мобильных носителей информации и представлены широким ассортиментом разных форм и цветов. Благодаря своим характеристикам USB-накопители практически полностью вытеснили дискеты и вытесняют перезаписываемые оптические диски.

3). Карты памяти – используются как носители информации в портативных устройствах, таких как цифровые фото- и видеокамеры, MP3-плееры, сотовые телефоны и других. По конструктивному исполнению выделяют несколько основных разновидностей карт памяти:

III. Мониторы и видеокарты.

Монитор – это устройство для вывода и визуального отображения на экране текстовой и графической информации. По конструкции выделяют следующие основные типы мониторов:

1). Электронно-лучевые мониторы (CRT, ЭЛТ) – основу их конструкции составляет электронно-лучевая трубка, которая выбрасывает пучок лучей на поверхность кинескопа, покрытую слоем особого вещества – люминофора. Под действием этих лучей каждая точка люминофора светится одним из 3 цветов (красным, зеленым и синим), за счет чего формируется изображение. В настоящее время такие мониторы практически не выпускаются.

2). Жидкокристаллические мониторы (LCD, ЖК) – их экран представляет собой две пластины с тонким слоем жидких кристаллов между ними. Для формирования изображения на экране кристаллы обладают способностью менять свои цветовые характеристики под действием подаваемого тока. Слой этих кристаллов очень тонкий, поэтому толщина такого монитора составляет всего несколько сантиметров. Конструктивно ЖК-мониторы бывают с пассивной и активной матрицей, причем мониторы с активной матрицей являются более качественными.

3). Плазменные мониторы (PDP) – их экран создается путем заполнения пространства между двумя стеклянными пластинами инертным газом (аргоном или неоном). Под воздействием электрического тока плазма газового разряда изменяет цвет, формируя изображение на экране.

18

Copyright by Livanov Roman, 2002-2014

4). Сенсорные мониторы – их экран содержит чувствительные датчики, реагирующие на прикосновения, что позволяет управлять действиями на компьютере.

5). 3D-мониторы – их экран способен формировать и воспроизводить трехмерное объемное изображение, которое можно просматривать с помощью специальных очков.

Основные характеристики мониторов:

а). Размер диагонали – измеряется в дюймах и может составлять 14-27".

б). Величина экранного зерна – это величина минимальной точки экрана. Чем меньше зерно, тем более четкое изображение на экране. У качественных мониторов размер зерна составляет 0,2 мм.

в). Разрешение – это количество точек по горизонтали и вертикали экрана. Чем выше разрешение, тем более детальным может быть изображение. Разрешение должно соответствовать размеру монитора.

г). Частота развертки – показывает, сколько раз в секунду обновляется изображение на экране, может составлять 60-160 Гц. При низкой частоте развертки происходит мерцание изображения на экране, что сильно утомляет зрение (оптимально для LCD 75 Гц, для CRT 100 Гц, для PDP 150 Гц).

Дополнительные характеристики мониторов:

а). Время отклика – измеряется как суммарное время переключения точки экрана с черного цвета на белый и обратно, составляет 2-16 мс.

б). Яркость – показывает яркость белого цвета в центре экрана, обычно составляет 250-400 кд м2 (кд – кандела).

в). Контрастность – это отношение уровня белого цвета к уровню черного в центре экрана, например 500:1, 1000:1.

г). Угол обзора – угол относительно перпендикуляра к центру экрана, при наблюдении под которым происходит незначительное для комфортной работы уменьшение уровня контрастности изображения. Различают углы обзора по вертикали и горизонтали, которые могут составлять до 178 градусов.

Для современных мониторов разработана система международных стандартов, определяющих безопасность монитора для здоровья человека (стандарты ТСО-99, ТСО-03, ТСО-06, ТСО-09). Требования стандартов, предъявляемые к мониторам, можно разделить на две категории:

1. Воздействие на окружающую среду – содержит ограничения по электромагнитному, ультрафиолетовому и радиационному излучению монитора.

19

Copyright by Livanov Roman, 2002-2014

2. Четкость и стабильность изображения – включает такие показатели, как уровень яркости и контрастности экрана, равномерность и насыщенность цветов, уровень отражения света от поверхности экрана и другие.

Мониторы подключаются к компьютеру через видеокарту, которая может быть встроенной в материнскую плату или в виде отдельной платы.

Принцип работы: видеокарта получает от процессора команды по формированию изображения, конструирует это изображение в своей памяти и преобразует его в видеосигнал, передаваемый на монитор.

Главным элементом любой видеокарты является специализированный графический видеочипсет (GPU, Graphics Processing Unit) – то есть микросхема, отвечающая за обработку и формирование графики.

Основные характеристики видеокарт:

а). Разрешающая способность – это количество выводимых на экран точек, которое может обеспечить видеокарта. Например, при разрешении 1024 768 на экран выводится 786 тыс. точек, а при разрешении 1920 1080 2,1 млн. точек.

б). Цветовой режим – это количество цветовых оттенков, которые может принимать каждая точка выводимого изображения. Современные видеокарты поддерживают следующие цветовые режимы:

8-битный – 28 или 256 цветов; 16-битный – 216 или 65536 цветов; 24-битный – 224 или 16,7 млн. цветов; 32-битный – 232 или 4,3 млрд. цветов.

в). Объем видеопамяти – главная характеристика видеокарт. Чем больше разрешающая способность и цветовой режим, тем больше памяти должна иметь видеокарта. Оптимальным для обработки двухмерной графики является 16-64 Мб памяти, для обработки трехмерной графики – 128-512 Мб памяти, а для обработки 3D-графики – 1Гб и более.

г). Поддержка ввода-вывода видео – определяется наличием видеовыхода, предназначенного для подключения к телевизору или проектору, и видеовхода, предназначенного для подключения видеокамеры или портативного плеера. Сюда же можно отнести встроенный TV-тюнер.

Дополнительные характеристики видеокарт:

а). Разрядность шины памяти – отвечает за производительность видеокарты и может составлять от 64 до 512 бит.

б). Частота видеочипсета и видеопамяти – отвечают за скорость обработки информации видеокартой, составляет до 2000 МГц для видеочипсета и до 5000 МГц для видеопамяти.

в). Пропускная способность памяти – оказывает прямое влияние на эффективность обработки сложной графики, может достигать 1 Гб/с и более.

г). Скорость заполнения (филлрейт) – показывает скорость прорисовки графики за единицу времени, различают пиксельный филлрейт (измеряется в млн. точек за 1 секунду) и текстурный филлрейт (измеряется в млн. блоков текстуры за 1 секунду).

20