Тема 1. Аппаратные и программные средства ПК

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ

Компьютер — универсальное многофункциональное электронное устройство для создания, обработки, хранения и передачи информации. Работая за персональным компьюте­ром, мы чаще всего видим монитор, клавиатуру, системный блок и мышь. Хотя можно работать и без мыши, но для этого придется запомнить множество комбинаций клавиш на кла­виатуре. Вне поля зрения остается не менее важная составля­ющая компьютерной системы — программное обеспечение. Рассмотрим подробнее структурную схему ПК.

В основу устройства Пк положен магистрально- модульный принцип

Основными устройствами являются: процессор, ОЗУ 9оперативная память), устройства ввода/вывода информации, долговременная память и сетевые уствройства.

Процессор

Процессор находится в системном блоке, кроме этого, там расположены: блок питания, системная (материнская) плата, устройства внутренней памяти, устройства внешней памяти и др. Вместо термина «системный блок» иногда употребляют термин «платформа».

Системная (материнская) плата является основной в системном бло­ке. Она содержит компоненты, определяющие архитектуру компьютера: процессор и сопроцессор, постоянную (ROM) и оперативную (RAM) память, кэш-память, интерфейсные схемы шин, гнезда расширения, обязательные системные средства ввода-вывода и др.

Системные платы исполняются на основе наборов ми­кросхем, которые называются чипсетами, чипами. Часто на системных платах устанавливают и контроллеры дисковых на­копителей, видеоадаптер, контроллеры портов и др. В гнезда расширения системной платы устанавливаются платы таких периферийных устройств, как модем, сетевая плата, видео­плата и т. п. Внешние устройства подключаются к материн­ской плате через специальные разъемы — слоты.

Все устройства компьютерной системы объединяет ма­гистраль или шина, служит для управления устройствами, передачи данных и адресов. Соответственно делится на: шину управления, шину данных и адресную шину. В этом заключается магистрально-модульный принцип построения ПК.

Процессор осуществляет выполнение программ, работа­ющих на компьютере, и управляет работой всех устройств компьютера.

Та часть процессора, которая выполняет команды, на­зывается арифметико-логическим устройством (АЛУ), а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется устройством управления (УУ). Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены. В составе процессора находится еще несколько устройств, называемых регистрами.

У компьютеров функции центрального процессора вы­полняет микропроцессор (МП) — сверхбольшая интегральная схема (СБИС), реализованная в едином полупроводниковом кристалле (кремния или германия) площадью меньше 10 см2, которая выполняет все функции управляющего устройства. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера. Ведущее место по производству микропроцессоров занимают фирмы Intel и AMD. Наиболее используемые микропроцессоры в нашей стране: Pentium, Celeron, Duron, Athlon.

Микропроцессоры различаются рядом важных характе­ристик:

o тактовой частотой обработки информации;

o разрядностью;

o адресным пространством.

Тактовая частота обработки информации

Тактом называют время между началом подачи двух по­следовательных импульсов электрического тока, синхрони­зирующих работу различных устройств компьютера. Специ­альные импульсы для отсчета времени для всех устройств вырабатывает тактовый генератор частоты, расположенный на системной плате. Тактовая частота определяется как коли­чество тактов в секунду и измеряется в мегагерцах (1МГц = = 1 млн тактов/с). Микропроцессоры с наибольшей тактовой частотой обладают и наибольшим быстродействием — ко­личество операций, выполняемых ими в секунду, — MIPS (миллион инструкций в секунду).

Разрядность процессора

Разрядность процессора — это число битов, обрабатыва­емых процессором одновременно. Процессор может быть 8-, 16-, 32- и 64-разрядным. Вместе с быстродействием разряд­ность характеризует объем информации, перерабатываемый процессором компьютера за единицу времени.

Адресное пространство (адресация памяти)

Объем физически адресуемой МП оперативной памяти называется его адресным пространством. Он определяется разрядностью внешней шины адреса. Поэтому разрядность процессора часто уточняют, записывая, например, 32/32, это значит, что МП имеет 32-разрядную шину данных и 32-раз­рядную шину адреса, т. е. одновременно обрабатывается 32 бита информации, а объем адресного пространства МП со­ставляет 4 Гбайта.

Архитектурой компьютера называется его логическая ор­ганизация, структура и ресурсы, которые может использовать пользователь. Принцип открытой архитектуры заключается в том, что компьютер устроен аналогично «конструктору». Фирма IBM PC сделала компьютер не единым неразъемным устройством, а обеспечила возможность его сборки из неза­висимо изготовленных частей.

В основу построения подавляющего большинства ком­пьютеров положены следующие общие принципы, сформу­лированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом:

o Принцип программного управления.

o Принцип однородности памяти.

o Принцип адресности.

1) Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые вы­полняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

2) Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно вы­полнять такие же действия, как и над данными.

Это открывает целый ряд возможностей. Например, про­грамма в процессе своего выполнения также может подвер­гаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм).

Более того, команды одной программы могут быть полу­чены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

3) Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в про­извольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относят­ся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программно­го управления, т. е. они могут работать без «счетчика команд», указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в па­мяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

Внешние устройства

Внешние, или периферийные, устройства делятся на устройства ввода и вывода. Устройства ввода — это устрой­ства, которые преобразуют информацию из формы, понятной человеку, в форму, понятную компьютеру. К ним относятся: манипуляторы (мышь, джойстик, трекбол), сканер, клавиа­тура, микрофон, фотоаппарат, цифровая видеокамера и др.

Манипулятор «Мышь» — манипулятор для ввода управ­ляющих действий.

Первые персональные компьютеры имели единственное устройство для ввода информации и управления работой компьютера — клавиатуру. Но для более простого управления нужно было придумать другую, параллельную клавиатуре, си­стему. За эту работу взялся Д. Энджелбарт из Стенфордского исследовательского института (США). Он разработал систему меню, которая могла управляться двигающимся графическим объектом, изображенным на экране (курсором). Управлять этим курсором можно было при помощи миниатюрного устройства — манипулятора с несколькими (2—3) кнопками.

Манипулятор разрабатывался в 1963—1965 гг. В 1970 г. Энджелбарт получил патент на манипулятор. Вначале мани­пулятор назывался «Индикатор позиции X—Y». Созданный манипулятор соединяется с компьютером при помощи шнура и внешне напоминает мышку. Его шутя назвали «мышка», а потом этот термин закрепился и стал официальным.

Трекбол. Одной из разновидностей мышки является ма­нипулятор Trackball (можно перевести как шарик, проклады­вающий путь), который выглядит как перевернутая мышка с большим шариком. Этот манипулятор сам не движется, поэтому не требует подкладки, как мышка, и не занимает много места на столе. Движущуюся часть — шарик — вра­щают рукой. На манипуляторе «трекбол», как и на мышке, есть две или три кнопки.

Световой карандаш — это устройство, напоминающее обычную авторучку с проводом. На конце ручки находится светоприемник, который может регистрировать изменение яркости точек экрана. Световым пером можно указывать на элементы экрана и управлять ими. Например, можно рисо­вать. Аналог светового пера — световой пистолет — приме­няется в игровых приставках.

Сенсорный экран (тачпад) служит для управления ком­пьютером при помощи касания экрана пальцами. Обычно сенсорный экран применяется в справочных компьютерах в музеях, на выставках, на вокзалах и в аэропортах, телефонах,, планшетах. Сенсорный экран может быть встроен в обычный монитор или помещаться поверх экрана монитора, в этом случае он соединяется с одним из портов компьютера. Часто используется в ноутбуках, на некоторых видах клавиатуры.

Джойстик — внешнее устройство компьютера — сред­ство для выполнения игровых функций. Поэтапное развитие джойстиков привело к тому, что сегодня с помощью этих уже достаточно сложных манипуляторов игрок в состоянии полностью отказаться от использования клавиатуры.

Клавиатура — это устройство ввода в компьютер тек­стовой информации.

Сканер — устройство для копирования графической и текстовой информации и ввода ее в компьютер. Сканеры бывают четырех типов — ручные, планшетные, барабанные сканеры и фотосканеры.

Ручной сканер. Сканер держат рукой и проводят по тек­сту или изображению. Полупроводниковый лазер посылает луч на изображение. Луч отражается от листа и попадает на полупроводниковый элемент — светоприемник. В светоприемнике свет преобразуется в электрический сигнал, который затем переводится в цифровую форму.

Планшетный сканер. Эти сканеры бывают разных фор­матов: А4 и Letter. В планшетных сканерах лист кладется на прозрачное стекло. Под стеклом находится мощный источ­ник ультрафиолетового света в виде световой трубки, рас­положенной по ширине листа. Рядом с трубкой расположен светоприемник. При помощи электрического механизма трубка со светоприемником протягивается вдоль листа, ска­нируя изображение.

Барабанный сканер. Этот тип сканеров служит для быстро­го сканирования одиночных листов. Лист протягивается через сканер, а в это время происходит сканирование изображения.

Фотосканер служит для получения изображения со слай­дов или фотопленок. В сканере есть съемные картриджи для заправки слайдов или пленок. Сканирование выполняется при помощи светового луча. Источник света перемещается вдоль оригинала, считывая изображение.

Дигитайзер (графический планшет) — устройство для оцифровки чертежей и других изображений. Дигитайзер по­зволяет преобразовать изображения в цифровую форму для обработки в компьютере. Оцифровка чертежей производит­ся при помощи манипулятора, напоминающего мышку, но имеющего большее количество кнопок. Нажатием кнопок фиксируется положение основных элементов чертежа, затем чертеж достраивается при помощи специальной программы.

Микрофон, изобретенный 1878 г., — прибор для усиления и передачи очень слабых звуков. Сущность микрофона в том, что самые слабые звуки приводят при помощи резонансной пластинки в колебание уголька, через который проходит гальванический ток.

Цифровой фотоаппарат — это фотоаппарат, который за­писывает изображение не на фотопленку, а на съемный но­ситель. Изображение с иконоскопа переводится в цифровую форму и хранится в памяти фотокамеры. После съемки фото­камера присоединяется к компьютеру и кадры в виде файлов переписываются в компьютер. Также есть возможность пере­писывать изображение сразу в память фотопринтера.

Веб-камера — устройство ввода видео- и графической информации в компьютер.

Устройства вывода — это устройства, которые преобразу­ют информацию из формы, понятной компьютеру, в форму, понятную человеку. К ним относятся: принтер, монитор, плоттер и др.

Принтер, или печатающее устройство, предназначено для вывода информации из компьютера на бумагу. Все совре­менные принтеры могут выводить текстовую информацию, а также рисунки и другие изображения. Существует несколько тысяч моделей принтеров, которые могут использоваться с персональными компьютерами, все они могут быть разде­лены на два основных типа — струйные и лазерные, иногда выделяют фотопринтеры.

Струйные принтеры. В этих принтерах изображение фор­мируется микроскопическими каплями краски, вылетающи­ми на бумагу через маленькие отверстия (сопла). В качестве элементов, выталкивающих струи чернил, используются пьезокристаллы. Пьезокристаллы имеют свойство расширять­ся, если к ним подводится электричество. Пьезокристаллы устанавливают в печатающую головку таким образом, что они расширяются в том направлении, в котором должны вылетать капельки чернил. Этот способ печати обеспечивает более высокое качество печати по сравнению с матричными принтерами, он очень удобен для цветной печати. Разрешаю­щая способность струйных принтеров — 1200—1440 точек на дюйм, т. е. на одном дюйме (1 дюйм = 2,54 см) помещается 1200—1440 хорошо различимых точек. Эта характеристика показывает величину точки. Чем больше разрешающая спо­собность, тем меньше точка и тем качественнее изображение.

Лазерные и фотодиодные принтеры. Лазерные принтеры обеспечивают в настоящее время наилучшее (часто лучше типографского) качество печати. В этих принтерах для печа­ти используется лазерный луч, управляемый компьютером. В лазерном принтере имеется валик, покрытый полупрово­дниковым веществом, которое электризуется от попадания лазерного света. Луч при помощи поворотного зеркала на­правляется в то место валика, где должно быть изображение. Это место электризуется, и к нему «прилипают» мельчайшие частицы сухой краски, которая находится в контейнере под валиком. После этого валик прокатывается по листу бумаги и краска переходит на бумагу. Чтобы красящий порошок закрепился, специальный механизм проводит бумагу через нагревательный элемент и краска спекается.

В фотодиодных принтерах вместо лазера имеется полоса, состоящая из большого количества фотодиодов, свет которых электризует полупроводниковый барабан, все остальное про­исходит так же, как и в лазерном принтере. Фотодиоды — это полупроводниковые элементы, которые светятся, если к ним подвести электрический ток. Разрешающая способность лазерных и фотодиодных принтеров — от 300 до 1200 точек на дюйм.

Фотоавтоматы-имиджсеттеры. Устройства позволяют выводить на печать фотографии с высокой разрешающей способностью, хорошего качества. Такие устройства под­ключены непосредственно к Интернету, дают возможность поиска графического материала социальных сетей, находят фотографии пользователей по именам или логинам, предо­ставляют просмотр фотографий и вывод их на печать. Кро­ме этого, может быть активирована функция сиюминутного фотографирования человека у экрана.

ЗD-фабберы. Устройства использующее метод послойно­го создания физического объекта по цифровой ЗБ-модели. ЗБ-печать может осуществляться разными способами и с использованием различных материалов, но в основе любого из них лежит принцип послойного наращивания твердого объекта. Такие принтеры уже не редкость и используют лазерную или струйную технологию для создания объекта.

Монитор — это устройство в составе компьютера, пред­назначенное для вывода на экран текстовой, графической и видеоинформации.

Экран жидкокристаллического монитора представляет со­бой матрицу, каждый элемент которой — жидкий кристалл (как в электронных часах). Кристаллы сами не светятся, они освещаются специальными лампами. Под действием электри­ческих сигналов кристаллы меняют свои оптические свойства, моделируя на экране элементы изображения.

К достоинствам этих мониторов, прежде всего, следует отнести отсутствие вредного излучения, меньшее мерцание экрана по сравнению с ЭЛТ-мониторами, отсутствие «сжи­гания» кислорода в помещении. Приятными качествами яв­ляются малый вес, малая толщина (можно вешать на стену) и небольшое потребление электроэнергии (могут питаться от батарейки или небольшого аккумулятора).

Плоттер, или графопостроитель, — устройство для вы­вода из компьютера различных чертежей, географических карт, плакатов и других изображений на бумагу большого формата. Плоттеры бывают монохромными и цветными. По технологии нанесения изображения плоттеры делятся на перьевые и струйные.

Колонки, наушники используются для вывода звуковой информации.

ЗАДАНИЯ К ТЕМЕ

Задание Запишите назначение устройств в таблице.