УТВЕРЖДАЮ Заведующий кафедрой КИПР

______________В.Н. ТАТАРИНОВ “___” ___________2006 г.

Устройство персонального компьютера

Приложение к лабораторной работе «Знакомство с персональным компьютером» по дисциплине «ИНФОРМАТИКА»

для студентов специальностей 210201 (200800) «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» и 201300

Разработчик: Доцент кафедры КИПР

____________Ю.П. Кобрин

Томск 2006

2

СОДЕРЖАНИЕ

1 ОСНОВНЫЕ БЛОКИ КОМПЬЮТЕРА И ИХ НАЗНАЧЕНИЕ .........................................................		3
1.1	Понятие архитектуры и структуры компьютера..................................................	3
1.2	Структура персонального компьютера................................................................	4
2 БАЗОВАЯ АППАРАТНАЯ КОНФИГУРАЦИЯ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА (ПК)....................		9
2.1	Системный блок ....................................................................................................	9
2.2	Монитор ...............................................................................................................	11
2.3	Клавиатура...........................................................................................................	13
2.4	Мышь....................................................................................................................	21
3 ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И ВНУТРЕННИЕ УСТРОЙСТВА СИСТЕМНОГО БЛОКА .............		24
3.1	Материнская плата..............................................................................................	24
3.2	Жесткий диск .......................................................................................................	25
3.3	Дисковод гибких дисков ......................................................................................	26
3.4	Дисковод компакт-дисков CD-ROM ....................................................................	28
3.5	Карты памяти.......................................................................................................	30
3.6	Видеокарта (видеоадаптер)................................................................................	31
3.7	Звуковая карта.....................................................................................................	34
4 СИСТЕМЫ, РАСПОЛОЖЕННЫЕ НА МАТЕРИНСКОЙ ПЛАТЕ...................................................		35
4.1	Оперативная память...........................................................................................	35
4.2	Процессор............................................................................................................	37
4.3	Микросхема ПЗУ и система BIOS ......................................................................	39
4.4	Энергонезависимая память CMOS ....................................................................	40
4.5	Шинные интерфейсы материнской платы.........................................................	41
4.6	Функции микропроцессорного комплекта (чипсета) .........................................	42
5 ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА........................................		42
5.1	Специальные устройства ввода знаковых данных...........................................	43
5.2	Устройства ввода графических данных.............................................................	44
5.3	Устройства вывода данных ................................................................................	45
5.4	Плоттеры..............................................................................................................	47
5.5	Устройства хранения данных.............................................................................	50
5.6	Устройства обмена данными..............................................................................	51
5.7	Переносные персональные компьютеры ..........................................................	52
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................................		54

3

1 Основные блоки компьютера и их назначение

1.1 Понятие архитектуры и структуры компьютера

Компьютер (англ. computer - вычислитель) - программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами

Основные функции определяют назначение компьютера:

обработка и хранение информации,

обмен информацией с внешними объектами.

Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций компьютера:

обеспечивают эффективные режимы его работы,

диалог с пользователем,

высокую надежность и т.д.

Основные и дополнительные функции компьютера реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных средств.

Основу компьютеров образует аппаратура (Hardware), построенная с ис-

пользованием электронных и электромеханических элементов и устройств.

Принцип действия компьютеров состоит в выполнении компьютерных программ (Software) - заранее заданных, четко определённых последовательностей арифметических, логических и других операций (команд).

Архитектура компьютера обычно характеризуется совокупностью его свойств, существенных для пользователя. Основное внимание при этом уделяет-

ся структуре и функциональным возможностям компьютера.

Структура компьютера - это некоторая модель, устанавливающая со-

став, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов

Персональным компьютером (ПК) называют сравнительно недорогой настольный или переносный общедоступный универсальный микрокомпьютер, рассчитанный на одного пользователя.

Персональные компьютеры обычно проектируются на основе принципа от-

крытой архитектуры.

Принцип открытой архитектуры заключается в регламентации и стандартизации описание принципа действия компьютера и его конфигурации (установленной совокупности аппаратных средств и соединений между ними). В этом случае компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-изготовителями. Отсюда возможность

легкого расширения и модернизации компьютера за счёт наличия внутренних

расширительных гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями.

Достоинствами ПК являются:

небольшая стоимость, доступная для индивидуального покупателя;

автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;

гибкость архитектуры, обеспечивающая возможность ее приспособления к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;

4

"дружественность" операционной системы и прочего программного обеспечения, обусловливающая возможность работы с ней пользователя без специальной профессиональной подготовки;

высокая надежность работы (более 5 тыс. ч. наработки на отказ).

1.2 Структура персонального компьютера

Рассмотрим состав и назначение основных блоков персонального компьютера (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 - Общая структура ПК с подсоединенными периферийными устройствами

Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру процессора, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской (Motherboard).

Микропроцессор или центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) - это главный рабочий компонент компьютера, который выполняет

арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вы-

числительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера1.

В состав микропроцессора входят:

арифметико-логическое устройство (АЛУ) - предназначено для вы-

полнения всех арифметических и логических операций над числовой и символь-

ной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор);

Регистры - быстродействующие ячейки памяти различной длины, об-

разующие микропроцессорную память (МПП). Регистр выполняет функцию

кратковременного хранения записи и выдачи числа или команды, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы компьютера. Над со-

1 В компьютере может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие компьютеры называются многопроцессорными.

5

держимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, "вырезать" отдельные части команды для последующего их использования, сдвигать находящийся в нем двоичный код

вправо или влево, выполнять определенные арифметические операции над числами. Регистры работают с той же частотой, что и весь процессор. Этим обеспе-

чивается высокое быстродействие компьютера, так как основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.

Кэш-память (англ. cache) - очень быстрое запоминающее устройство сравнительно небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и значительно менее быстродейст-

вующей оперативной памятью. Это как бы «сверхоперативная память». Когда процессору нужны данные или следующая команда, он сначала обращается в

кэш-память, и только если там нет нужных данных, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память. «Удачные» обращения в кэш-память называют попаданиями в кэш. Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш-памяти, поэтому высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш-памяти.

устройство управления (УУ) - формирует и подает во все блоки компьютера в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управ-

ляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и ре-

зультатами предыдущих операций. В УУ можно выделить схемы внутреннего

управления микропроцессором, схемы управления системной шиной, к которой подсоединены все основные блоки ПК (см. рис. 1.1) и др.

Системная шина (магистраль) предназначена для организации обмена информацией между всеми компонентами компьютера. Основной функцией сис-

темной шины является обеспечение взаимодействия между центральным про-

цессором и остальными электронными компонентами компьютера. По проводам

этой шины осуществляется передача данных, их адресов, а также управляющей

информации. Соответственно этому выделено три группы шин:

шины адреса – для передачи адресов ячеек памяти и регистров для обмена информацией со внешними устройствами;

шины данных – для передачи информации между микропроцессором, памятью и периферийными устройствами;

шина управления – для передачи управляющих сигналов – управления памятью. Управления обменом данных, запросов на прерывания и т.д.

От типа системной шины, так же как и от типа процессора, зависит скорость обработки информации персональным компьютером. К основным характеристикам системной шины относятся тактовая частота и разрядность канала связи.

Системные шины первых персональных компьютеров могли передавать только 8 бит информации, используя для этого 8 линий данных, представленных 8 парал-

лельными проводами, Эволюция компьютеров привела к созданию 16-битной шины, а затем разрядность системной шины увеличилась до 32 и даже 64 бит. Увеличение разрядности шины данных привело к повышению скорости обмена ин-

формацией, а увеличение разрядностей адресной шины обеспечивает больший объем оперативной памяти.

Тем не менее, системная шина, как основная информационная магистраль,

не может обеспечить достаточную производительность для внешних устройств.

Для решения этой проблемы в компьютере стали использовать локальные ши-

6

ны, которые связывают микропроцессор с периферийными устройствами. Назначение локальных шин сходно с назначением окружных или кольцевых дорог вокруг большого города, которые разгружают основные магистрали.

Основная (внутренняя) память (ОП) предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов - битов, объединенных в группы по 8 битов, которые называются байтами. (Единицы измерения памяти

совпадают с единицами измерения информации). Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.

ОП содержит два вида запоминающих устройств: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ):

ОЗУ (англ. RAM, Random Access Memory - память с произвольным доступом) - предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (исполняемых программ, исходных и промежуточных данных и результатов), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процес-

се, выполняемом ПК в текущий период времени. Главными достоинствами опера-

тивной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка ОЗУ следует отметить невозможность сохранения информации в

ней после выключения питания машины (энергозависимость).

ПЗУ (англ. ROM, Read Only Memory - память только для чтения) служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной ин-

формации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информа-

цию (изменить информацию в ПЗУ нельзя). ПЗУ является энергонезависимой

памятью, при выключении ПК информация в ней сохраняется неизменной

Платы и слоты расширения обеспечивают принцип открытой архитектуры построения современного персонального компьютера:

Слот (англ. slot - щель, паз) - это разъем, куда вставляется плата.

Плата расширения (англ. Daughterboard - дочерняя плата) устанавливается и подключается к системной шине с помощью слотов расширения для расширения возможностей компьютера.

На плате расширения установлены различные микросхемы, которые пред-

назначены для управления каким-либо дополнительным устройством вне системного блока. Разъем платы расширения с помощью кабеля соединяет ее с этим устройством, расположенным вне системного блока. В качестве синонима термина «плата расширения» часто используют слова «карта», «контроллер», «адап-

тер». К наиболее распространенным платам расширения относятся видеокарты, сетевые адаптеры, звуковые карты и внутренние модемы.

Для того, чтобы соединить друг с другом различные устройства компьюте-

ра, они должны иметь одинаковый интерфейс (англ. interface от inter - между, и face - лицо).

Интерфейс (interface) - это средство сопряжения двух устройств, в кото-

ром все физические и логические параметры согласуются между собой. Если интерфейс является общепринятым, например, утверждённым на уровне международных соглашений, то он называется стандартным.

Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к

шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты (рис. 1.2):

7

Рисунок 1.2 – Схема согласования интерфейсов устройств ПК

Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

Порты устройств - определенные электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора. Исключение составляют дисководы гибких, жестких и лазерных дисков, которые устанавливаются внутри системного блока.

Портами также называют устройства стандартного интерфейса: после-

довательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы):

Последовательные порты обмениваются данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами - побитно. Это можно сопоставить с тем,

как происходит движение транспорта по дороге с одной полосой. Последовательная передача данных используется для передачи информации на большие расстояния, поэтому последовательные порты часто называют коммуникационными. Количество коммуникационных портов не превышает четырех, и им присвоены имена от СОМ1 до COM4 (COMmunication port - коммуникационный порт). Обычно к последовательному порту подсоединяют медленно действующие или достаточно удалённые устройства (мышь, модем).

Параллельные порты используются для подсоединения внешних устройств, которым необходимо передавать большой объем информации на близкое расстояние. Через параллельный порт обычно посылается одновременно 8 бит данных по 8 параллельным проводам. Через параллельный порт к системному блоку подключают «быстрые» устройства - принтер, сканер. Число параллельных портов у компьютера не превышает трех, и они имеют соответственно имена LPT1, LPT2, LPT3 (Line PrinTer - линия принтера).

Через игровой порт подсоединяют джойстик (рис. 1.3), руль и педали (рис. 1.4), виртуальные очки и шлемы (рис. 1.5), датчики на теле человека (рис. 1.6) и т.п. Когда шлем и датчики используют вместе, то это называется комплектом виртуальной реальности, так как пользователь ПК действительно погружается в несуществующий, кажущийся мир. Очень эффективны такие комплекты при обучении пилотов самолетов, космонавтов, водителей всевозможных движущихся средств и т.п., а также в игровых программах.

Клавиатура и монитор подключаются к своим специализированным пор-

там, которые представляют собой стандартизованные разъёмы.

В каждом системном блоке находятся обязательные узлы, обеспечивающие работу компьютера: блок питания, системные часы (таймер), аккумулятор, сиг-

нальные индикаторы режимов работы на фронтальной стороне системного бло-

ка:

8

	Рисунок 1.3 - Джойстик —	Рисунок 1.4 - Для
		симуляторов используют
	ручка с кнопками,
		специальные устройства —
	укрепленная на подставке
		руль и педали

	Рисунок 1.5 - Чтобы видеть	Рисунок 1.6 - Датчики на руке, позво-
		ляющие управлять роботом или ка-
	трехмерный игровой мир в объеме,
	а не на плоском экране, необходим	ким либо персонажем на экране
	специальные виртуальные очки (или
	даже шлем), которые выводят
	изображения раздельно для левого
	и правого глаза

Таймер определяет скорость выполнения компьютером операций, синхронизирует работу большинства компонентов системной платы компьютера,

обеспечивает при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд).

Таймер подключается к автономному источнику питания - аккумулято-

ру и при отключении машины от сети продолжает работать.