Тема 3. Техническое обеспечение информационных технологий. Архитектура современного компьютера. Основные блоки ПК. Микропроцессор. Внутренняя и внешняя память. Электронные платы, контроллеры, шины и портыю Устройство для хранения данных. Дополнительные устройства. Монитор. Основные типы мониторов. Клавиатура. Принтер. Основные виды принтеров. Плотер. Сканер. Манипуляторы. Колонки и т.д. Средства мультимедиа.

Файловая структура. Файл. Имена файлов. Основная характеристика файлов. Каталоги. Имена каталогов. Корневой каталог. Указание пути к файлу.

Архитектура компьютера

Компьютер - это электронное устройство, которое выполняет операции ввода информации, хранения и обработки ее по определенной программе, вывод полученных результатов в форме, пригодной для восприятия человеком. За любую из названных операций отвечают специальные блоки компьютера:

1. устройство ввода,

2. центральный процессор,

3. запоминающее устройство,

4. устройство вывода.

Все эти блоки состоят из отдельных меньших устройств. В частности, в центральный процессор могут входить арифметико-логическое устройство (АЛУ), внутреннее запоминающее устройство в виде регистров процессора и внутренней кэш-памяти, управляющее устройство (УУ). Устройство ввода, как правило, тоже не является одной конструктивной единицей. Поскольку виды входной информации разнообразны, источников ввода данных может быть несколько. Это касается и устройств вывода.

Современную архитектуру компьютера определяют следующие принципы:

1. Принцип программного управления. Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий компьютера. Эффективность программного управления будет выше при решении задачи этой же программой много раз (хотя и с разными начальными данными).

2. Принцип программы, сохраняемой в памяти. Согласно этому принципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в оперативную память, что ускоряет процесс ее выполнения.

3. Принцип произвольного доступа к памяти. В соответствии с этим принципом, элементы программ и данных могут записываться в произвольное место оперативной памяти, что позволяет обратиться по любому заданному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих.

 На основании этих принципов можно утверждать, что современный компьютер - техническое устройство, которое после ввода в память начальных данных в виде цифровых кодов и программы их обработки, выраженной тоже цифровыми кодами, способно автоматически осуществить вычислительный процесс, заданный программой, и выдать готовые результаты решения задачи в форме, пригодной для восприятия человеком. 

Так, появились компьютеры с многопроцессорной архитектурой, в которой несколько процессоров работают одновременно, а это означает, что производительность такого компьютера равняется сумме производительностей процессоров. В мощных компьютерах, предназначенных для сложных инженерных расчетов и систем автоматизированного проектирования (САПР), часто устанавливают два или четыре процессора. В сверхмощных ЭВМ (такие машины могут, например, моделировать ядерные реакции в режиме реального времени, прогнозировать погоду в глобальном масштабе) количество процессоров достигает нескольких десятков.

Скорость работы компьютера существенным образом зависит от быстродействия оперативной памяти. Поэтому, постоянно ведутся поиски элементов для оперативной памяти, затрачивающих меньше времени на операции чтения-записи. Но вместе с быстродействием возрастает стоимость элементов памяти, поэтому наращивание быстродействующей оперативной памяти нужной емкости не всегда приемлемо экономически.

Проблема решается построением многоуровневой памяти. Оперативная память состоит из двух-трех частей: основная часть большей емкости строится на относительно медленных (более дешевых) элементах, а дополнительная (так называемая кэш-память) состоит из быстродействующих элементов. Данные, к которым чаще всего обращается процессор находятся в кэш-памяти, а больший объем оперативной информации хранится в основной памяти.

К счастью, в компьютерах применяется принцип блочной конструкции. Каждое устройство (или блок) является вполне завершенной и самостоятельной единицей. Все соединения между блоками приведены к определенным стандартам. В результате для описания работы компьютера требуется лишь описать взаимодействие этих узлов между собой, не вдаваясь в подробности работы отдельных транзисторов.  Прежде чем рассматривать архитектуру компьютера, уточним основные термины.  Шина – группа проводников, предназначенная, для связывания различных компонентов компьютера. Внутренние шины соединяют устройства в пределах одной платы или даже внутри микросхемы. 

Порт – разъем, для подсоединения какого либо периферийного устройства. 

Процессор – микросхема, обрабатывающая цифровые сигналы. Порядок обработки данных зависит от поступающих команд.

Микропроце́ссор — процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы^[1] или комплекта из нескольких специализированных микросхем^[2] (в отличие от реализации процессора в виде электрической схемы на элементной базе общего назначения или в виде программной модели). 

Контроллер – устройство, управляющее другим устройством. Проще говоря, связывает различные устройства. 

Интерфейс – универсальный термин, обозначающий способ взаимодействия чего-либо с чем либо. Под аппаратным интерфейсом понимают назначение соединяющих устройства контактов или проводников и характеристику сигналов, передаваемых по ним. Программный интерфейс – стандарт, описывающий способ обмена данными между различными программами. Пользовательский интерфейс – способ общения пользователей с приложениями. Чаще всего используется графический интерфейс. 

Материнская плата – печатная плата, на котором находится ряд устройств. По сути, она является связующим звеном между всеми устройствами. Материнская плата построена на основе чипсета (набора микросхем). Одну из микросхем называют северным мостом. Задача этого узла – обеспечение взаимодействия между центральным процессором, оперативной памятью, видеоплатой и второй микросхемой чипсета – южным мостом. Вторая микросхема содержит в себе контроллеры ввода-вывода. Южный мост служит для подключения всех плат расширения, приводов компакт-дисков и портов периферийных устройств.  Шина PCI связывает большинство периферийных устройств. К ее внешним разъемам подключаются звуковые карты, модемы, сетевые адаптеры, тюнеры, контроллеры USB-портов. На материнской плате могут находиться встроенный звуковой контроллер и сетевая карта. Фактически эти устройства подключены к той же шине PCI. Контроллеры шин SATA и IDE, к которым подключаются винчестеры и приводы компакт-дисков, тоже подключены к PCI шине.  Обязательным компонентом материнской платы является чип BIOS, предназначенный для начальной загрузки компьютера. BIOS представляет собой память flash типа, в которой хранится микропрограмма. Также в состав материнской платы входит запоминающее устройство CMOS (хранит основные настройки BIOS) и часы реального времени. Все эти компоненты получают отдельное питание от батарейки. 

Центральный процессор – главный компонент платы. Именно здесь происходит основные вычисления. Процессор рассеивает мощность порядка нескольких десятков ватт, вследствие чего в обязательном порядке содержит систему охлаждения.  Оперативная память служит для временного хранения данных, используемых во время работы компьютера. Информация накапливается в оперативной памяти и уже оттуда распределяется в другие устройства и процессор. 

Видеоадаптер предназначен для вывода информации от центрального процессора к монитору. Современные видеокарты по сложности сопоставимы с целым компьютером – имеется процессор, оперативная память. В бюджетных системах могут использоваться интегрированные видеосистемы – за вывод видео отвечает чип в составе северного моста.  Звуковая карта предназначена для вывода звука. Так же возможен и обратный процесс оцифровка аналогового звукового сигнала. Чаще всего звуковая карта выполнена в виде отдельного кристалла непосредственно на материнской плате. Для более «продвинутых» решений используются отдельные PCI платы.  Приводы предназначены для воспроизведения и записи информации. В данном случае используется оптический принцип записи (в отличие от винчестеров, где используется магнитные свойства поверхности).  Блок питания служит для преобразования переменного напряжения в пониженое постоянное.

Внутренняя память

Память компьютера (Memory) - устройство для запоминания данных. В зависимости от характера использования различают внутреннюю или внешнюю память.

Внутренняя память

Оперативная память (ОП) предназначена для  временного хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами. Это энергозависимая память. Физически реализуется в модулях ОЗУ (оперативных запоминающих устройствах) различного типа. При выключении электропитания вся информация в оперативной памяти исчезает.

Объём хранящейся информации в ОЗУ составляет от 32 до 512 Мбайт и более. Занесение информации в память и её извлечение, производится по адресам. Каждый байт ОП имеет свой индивидуальный адрес (порядковый номер). Адрес – число, которое  идентифицирует ячейки памяти (регистры). ОП состоит из большого количества ячеек, в каждой из которых хранится определенный объем информации. ОП непосредственно связана с процессором. Возможности ПК во многом зависят от объёма ОП.

Кеш память - очень быстрая память малого объема служит для увеличения производительности компьютера, согласования работы устройств различной скорости.

Специальная - постоянная, Fiash, видеопамять и тд.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – энергонезависимая память для хранения программ управления работой и  тестирования устройств ПК. Важнейшая микросхема ПЗУ – модуль BIOS (Basic Input/Output System – базовая система ввода/вывода), в котором хранятся программы автоматического тестирования устройств после включения компьютера и загрузки ОС в оперативную память. Это Неразрушимая память, которая не изменяется при выключении питания

Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) – энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого

CMOS  RAM (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) - память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и  составе оборудования компьютера, о режимах его работы. Содержимое изменяется программой, находящейся в  BIOS (Basic Input Output System).

Видеопамять – запоминающее устройство, расположенное на плате управления дисплеем и предназначенное для хранения текстовой и графической информации, отображаемой на экране. Содержимое этой памяти сразу доступно двум устройствам – процессору и дисплею, что позволяет изменять изображение на экране одновременно с обновлением видеоданных в памяти.

Внешняя память компьютера

Внешняя память - это память, предназначенная для длительного хранения программ и данных. Целостность содержимого ВЗУ не зависит от того, включен или выключен компьютер

Дисковод (накопитель) - устройство записи/считывания информации. Накопители имеют собственное имя – буква латинского алфавита, за которой следует двоеточие. Для подключения к компьютеру  одного или несколько дисководов и управления их работой нужен Дисковый контроллер

Носитель информации (носитель записи) – материальный объект, способный хранить информацию. Информация записывается на носитель посредством изменения физических, химических и механических свойств запоминающей среды

По типу доступа к информации внешнюю память делят на два класса:

Устройства прямого (произвольного) доступа –  время обращения к информации не зависит от места её расположения на носителе;

Устройство последовательного доступа – такая зависимость существует

В состав внешней памяти входят:  1) накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);  2) накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);  3) накопители на магнитооптических компакт дисках;  4) накопители на оптических дисках (CD-ROM);  5) накопители на магнитной ленте и др.