Персональні комп’ютери. Особливості їх складу, конструкції і конфігурації

Персональний комп’ютер – загальнодоступна та універсальна у застосуванні настільна або переносна ЕОМ. Це основна технічна база ІТ.

Архітектуру ПК зумовлюють потреби користувача. Головне – це структура та функціональні можливості машини, які можна поділити на основні та допоміжні.

Структура ПК – це модель, що встановлює склад, порядок та принципи взаємодії компонентів.

Основні функції – зумовлюють призначення ЕОМ: обробку та зберігання інформації, обмін інформації із зовнішніми об’єктами.

Допоміжні функції – підвищують ефективність виконання ЕОМ основних функцій: забезпечують ефективні режими її робти, діалог із користувачем, високу надійність. Ці функції реалізуються за допомогою її компонентів і програмних засобів.
Достоїнствами ПК є:

• 5.07010602 ТР 2ОА-4-15 ПЗ

  Аркуш

  Дата

  Підп.

  № докум.

  Зм

  Кашина

  
  Низька вартість;
• 
  Автономність експлуатації без спеціальних вимог до навколишнього середовища;
• 
  Гнучкість архітектури, що забезпечує її адаптивність до різноманітних застосувань у сфері управління, науки, освіти, побуту;
• 
  Дружність ОС та іншого програмного забезпечення, що зумовлює можливість роботи з нею користувача без спеціальної професійної підготовки;
• 
  Висока надійність роботи (більш як 5 тис. годин експлуатації до відмови).

Склад персонального комп’ютера можна представити структурною схемою, зображеною на Рис. 1.1.

Мікропроцесор (МП) - є центральним блоком ПК і призначений для управління роботою усіх блоків комп’ютера і виконання арифметичних і логічних операцій над інформацією. До його складу входять логічні блоки (АЛП, КП) і мікропроцесорна пам'ять (МПП), що забезпечує короткочасне зберігання, запис та видачу інформації, яка використовується в обчисленнях у найближчі такти роботи комп’ютера. МПП будується на регістрах і використовується для забезпечення високої швидкодії ЕОМ, адже основна пам'ять не завжди забезпечує необхідну для швидкодіючого МП швидкість запису, зчитування, пошуку інформації. Регістри – найшвидкодійніші елементи пам’яті довжиною 1-4 байти або більше. Інтерфейсна система МП забезпечує зв'язок з іншими пристроями ПК (через системну шину).

Генератор тактових імпульсів – генерує послідовність електричних імпульсів, частота яких зумовлює тактову частоту комп’ютера. Проміжок часу між імпульсами становить такт.

Системна шина – це основна інтерфейсна система ПК, яка забезпечує взаємодію усіх його пристроїв. Складається з шини даних, шини адрес, шини керування і шини живлення, забезпечуючи три напрямки передачі інформації:

• 
  Між МП та оперативною пам’яттю;
• 
  Між МП та портами введення/виведення зовнішніх (відносно процесора та шин) пристроїв;
• 
  Між основною пам’яттю та портами введення/виведення зовнішніх пристроїв (у режимі прямого доступу до пам’яті).

Усі блоки, а точніше їх порти введення/виведення, через відповідні уніфіковані роз’ємні з’єднання підключаються до шини безпосередньо або через пристрої з’єднання – контролери (адаптери). У сучасних ПК керування шиною здійснюється контролером шини.

Основна пам'ять складається з ПЗП та ОЗП. ПЗП призначений для зберігання програми тестування ПК, програми початкового завантаження, базової системи введення/виведення (BIOS). ОЗП служить для оперативного запису, зберігання і зчитування інформації (програм і даних). У ОЗП висока швидкодія звернення до комірок пам’яті (прямий адресний доступ). Після вимикання ПК інформація в ОЗП знищується. Об’єм ОЗП сучасного ПК може складати 16, 32, 64, 128, МБ та більше. Зовнішня пам'ять призначена для довготривалого зберігання даних. У зовнішній пам’яті зберігається усе програмне забезпечення ПК. Найпоширеніші пристрої - це накопичувачі на жорстких магнітних дисках (НЖМД) і накопичувачі на гнучких магнітних дисках (НГМД). Відрізняються НЖМД та НГМД тільки конструктивно, об’ємом інформації, яку вони можуть зберігати, часом пошуку, запису, зчитування. Також використовуються касетні магнітні стрічки, стримери, накопичувачі на оптичних дисках (CD – ROM – компакт-диск), флеш диски і таке інше.

Джерело живлення – це блок, який вміщує системи автономного і мережного енергоживлення ПК.

Таймер – внутрішній електронний годинник. Під час вимкнення ПК підключається до автономного джерела живлення і продовжує працювати.

Зовнішні пристрої за призначенням поділяються на такі групи:

• 5.07010602 ТР 2ОА-4-15 ПЗ

  Аркуш

  Дата

  Підп.

  № докум.

  Зм

  Кашина

  
  Зовнішні запам’ятовуючі пристрої виконані як окремий конструктивний блок і, як правило, із власним блоком живлення. Вони мають велику ємність, іноді складаються з декількох накопичувачів в одному корпусі (наприклад, пристрій для перезапису компакт-дисків)
• 
  Діалогові засоби користувача: монітор – засіб для відображення інформації; мікрофонні акустичні системи зі складним програмним забезпеченням, яке дозволяє розпізнавати слова, перетворювати мову на текст і так далі; синтезатори звуку, які перетворюють цифрові коди на літери і слова. Мова відтворюється за допомогою динаміків або звукових колонок, з’єднаних з ПК.
• 
  Пристрої введення інформації: клавіатура; графічні планшети (діджитайзери) – пристрої для ручного введення графічної інформації, зображень за допомогою переміщення по планшету пера (вказівника) з одночасним автоматичним зчитуванням координат його місцезнаходження та введення цих координат у ПК; маніпулятори – це пристрої вказівники – джойстик, миша, трекбол, світлове перо та інші; сенсорні екрани – пристрої для введення окремих елементів зображення, програм або команд з поліекрану дисплея у ПК; сканери- пристрої для автоматичного причитування з паперових носіїв і введення в ПК текстів, графіків, малюнків, креслень.
• 
  Пристрої виведення інформації: принтери, графопобудовники (плотери) – пристрої для виведення графічної інформації (графіки, креслення, малюнки).
• 
  Пристрої зв’язку і телекомунікацій: використовуються для зв’язку з пристроями і іншими засобами автоматизації (інтерфейсні адаптери, цифро – аналогові і аналого – цифрові перетворювачі та інше) і для підключення ПК до каналів зв’язку, іншими ПК і комп’ютерними мережами (мережеві інтерфейсні плати, модеми).

Засоби мультимедіа – це комплекс апаратних і програмних засобів, які дозволяють людині спілкуватися з комп’ютером, використовуючи звук, відео, графіку, тексти, анімацію та інше. До них належать: сканери; відео – і звукові плати; плати відео захвату (video grabber), які знімають зображення з відеомагнітофону або відеокамери і вводять його в ПК; акустичні та відео відтворюючі системи з підсилювачами, звуковими колонками, великими відеоекранами. До засобів мультимедіа відносяться також запам’ятовуючі пристрої великої ємності на оптичних дисках, які використовуються для запису аудіо і відеоінформації.

^ Додаткові схеми - до системної шини і МП можуть бути підключені також додаткові плати з інтеграційними мікросхемами, які розширюють та покращують її функціональні можливості: математичний сопроцесор, контролер прямого доступу до пам’яті, сопроцесор введення/виведення, контролер переривань та інше.

• 
  Математичний сопроцесор використовується для прискорення виконання операцій над числами, а також для обчислення деяких трансцендентних, у тому числі тригонометричних, функцій. Математичний сопроцесор працює паралельно з МП, але під його керівництвом. Прискорення операцій відбувається в декілька разів. Останні моделі ПК, починаючи з МП 486 DX, мають сопроцесор.
• 
  Контролер прямого доступу до пам’яті звільняє МП від прямого керівництва накопичувачами на магнітних дисках, що суттєво підвищує ефект швидкодії ПК. Без контролера обмін даними між зовнішніми запам’ятовуючими пристроями і ОЗП здійснювався через регістри МП.
• 
  Сопроцесор введення/виведення завдяки паралельній роботі з МП значно прискорює виконання процедур введення/виведення інформації при обслуговуванні декількох зовнішніх пристроїв (дисплей, принтер, НЖМД, НГМД).
• 
  Контролер переривань

Переривання – це тимчасова зупинка виконання однієї програми з метою оперативного виконання іншої, більш пріоритетної на даний момент. Переривання виконується постійно. Контролер переривань обслуговує процедури переривань, приймає запит на них від зовнішніх пристроїв, визначає рівень пріоритету цього запиту і передає сигнал переривання в МП, який, отримавши цей сигнал, зупиняє виконання поточної програми, переходячи на виконання спеціальної програми обслуговування того переривання, яке запитав зовнішній пристрій. Після завершення програми обслуговування відновлюється виконання перерваної програми.

Розглянута структурна схема ПК є спрощеною, вона стосується першого (РС, ХТ) і частково другого (перші машини АТ) поколінь, відрізняючись від структурних схем сучасних ПК реалізацією системного інтерфейсу в середині машини.

ПК складається з декількох блоків, які з’єднані між собою кабелями. Склад блоків може мінятися, але мінімальний комплект складають: системний блок, клавіатура, монітор, маніпулятор (миша). У числі додаткових пристроїв можуть бути: принтер, сканер та інші.

Системний блок – прямокутний каркас з кришкою або кожухом, в якому розміщені усі основні вузли ПК: материнська плата, адаптери, блок живлення, один або два НГМД, один (або більше) НЖМД, динамік, дисковод для компакт-дисків, органи керування. Серед органів керування можуть бути: кнопка ввімкнення / вимкнення електроживлення (на передній панелі); кнопка загального скидання RESET; перемикач тактової частоти; кнопка («сну»), яка дозволяє знизити енергоспоживання, коли ПК не використовується; індикатори живлення та режимів роботи. З тильного боку системного блоку розташовані штепсельні роз’єми – порти для підключення шнурів живлення і кабелів зв’язку із зовнішніми пристроями. Всередині системного блоку розташовані плати поєднання пристроїв з ЦП та іншими пристроями на материнській платі (адаптери або контролери і плати розширення).

Існують також формати системного блоку: вежа (tower), міні-вежа (mini – tower), плоский (desktop), надплоский (slim, ultraslim). Багато сучасних корпусів мають формат ATX. Вони відрізняються декілька більшими габаритами, але разом з тим більш «інтелектуальною» системою живлення, роз’ємними з'єднаннями для миші і клавіатури стандарту PS/2.

Блок живлення перетворює змінний струм стандартної мережі електропостачання (220В, 50Гц) на постійний струм низької напруги. Він має декілька виходів на різноманітні напруги (12 та 5В), які забезпечують живленням відповідні пристрої. Звичайна потужність блоків живлення ПК складає 150 – 230Вт для мережного сервера. Вона може бути значно більше.

Системна (материнська) плата – велика дукована плата, що містить на собі головні компоненти комп’ютерної системи: ЦП; ОП; кеш - пам’ять; комплект мікросхем логіки, які підтримують роботу плати чіпсет; центральну магістраль або шину; контролер шини і декілька роз’ємних гнізд (слотів), які служать для підключення до материнської плати інших плат (контролерів, плат розширення та інше). Кількість та вид слотів є однією з найважливіших характеристик системної плати, адже в подальшому ПК можливо доукомплектовувати або модернізувати. На материнській платі знаходяться перемикачі (switches), за допомогою яких відбувається настроювання плати.

Ще один важливий елемент, який встановлюється на системній платі – мікросхема BIOS (базова система введення/виведення). Вона є ПЗП, в якій записані програми, які реалізують функції введення/виведення; програму тестування ПК в момент його включення (POST, Power On Self Test), програму настроювання параметрів BIOS та системної плати та інші спеціальні програми. В роботі BIOS використовують інформацію про апаратну конфігурацію комп’ютера, яка зберігається на ще одній мікросхемі CMOS RAM. Ця пам'ять постійно підживлюється від батарейки, яка також знаходиться на системній платі. Ця батарейка також живить схему кварцового годинника.

Мікропроцесор. На одному кристалі надчистого кремнію за допомогою складного, багатоступеневого і високоточного технологічного процесу створено кілька мільйонів транзисторів та інших елементів, з’єднувальні проводи і вузли і точки підключення зовнішніх виводів. У сукупності вони створюють усі логічні блоки, тобто арифметичний пристрій, КП, регістри и таке інше. Лідером з виробництва ЦП є компанія INTEL
^ Табл. 1.3. Технічні дані деяких ЦП компанії INTEL. Основними параметрами МП є: набір команд, розрядність, тактова частота.

Набір команд (або система команд) постійно вдосконалюється, з’являються нові

Розрядність – показує, скільки двійкових розрядів (бітів) інформації обробляється або передається за один такт, а також скільки двійкових розрядів може бути використано у МП для адресування оперативної пам’яті, передачі даних та інше. Кількість пам’яті, що адресується, (адресний простір) залежить від кількості ліній шини адреси МП. Якщо таких ліній 20, то адресний простір складатиме 2²⁰ = 1 Мбайт, якщо ліній 24, то 2²⁴ =16 Мбайт і так далі.

Тактова частота вказує, скільки елементарних операцій (тактів) МП виконує за секунду, вимірюється у мегагерцах (1МГц = 1000000 Гц). Тактова частота є тільки відносним показником продуктивності МП. Через архітектурні відмінності у деяких з них за один такт виконується робота, на яку інші витрачають кілька тактів. Важливими характеристиками сучасних МП, що впливають на їхню продуктивність, є ємність і швидкість функціонування вмонтованої кеш-пам’яті, оскільки тактова частота МП в кілька разів вища ніж частота синхронізації системної шини, по якій відбувається обмін інформацією з відносно повільним ОЗУ. Без внутрішньої кеш – пам’яті (яка має особливо високу швидкодію) МП часто працював би вхолосту, чекаючи чергової інструкції від ОЗП або закінчення операції запису у пам'ять. Кеш – пам'ять першого рівня (L1) реалізована в самому кристалі МП, а кеш – пам'ять другого рівня (L2) більш повільна і більшої ємності, може знаходитися на системній платі. Типова для сучасного МП ємність кеш-пам’яті L1 складає 32 Кбайт (по 16 Кбайт для копіювання команд та даних); ємність L2 від 256 або 512 Кбайт для звичайних ПК до 2-3 Мбайт для потужних серверів.

Зовні МП виглядає, як прямокутна пластмасова або керамічна пластина розміром 5х5х0,3. На сучасні МП встановлюються радіатор зі сплаву з високою теплопровідністю та вентилятор для охолодження. МП легко встановлюється у спеціальне прямокутне рознімне з’єднання – сокет. Тип сокету має відповідати типу МП.

Оперативна пам'ять реалізована на надвеликих інтегральних схемах. Існує два типи мікросхем пам’яті: статична та динамічна. У перших елементарну комірку утворюють тригерні схеми. Така схема встановлюється в 0 або в 1 вхідним імпульсом і зберігає свій стан до наступного імпульсу або вимкнення ПК. При причитуванні записаного в комірку значення її стан також не змінюється. Динамічна пам'ять складається із мікроскопічних конденсаторів, кожний з яких може знаходитися у стані «заряджений» (1) або ні (0). Конденсатори необхідно підживлювати. Тому динамічний ОЗП більш повільний, але він менш енергоємний. Дані у динамічному ОЗП також знищуються після вимкнення ПК. Конструктивно ОЗП (типу SIMM, Single in-line Memory Module) має вигляд невеликої довгастої друкованої плати з розміщеними на ній мікросхемами. В останній час використовують в основному 72-контактні (72-pin) 36-бітові модулі. На сучасних системних платах використовують в основному 168 – контактні 64 – розрядні модулі DIMM, що надає можливість краще використовувати можливості системної шини. На системних платах є два типи рознімних з’єднань: SIMM та DIMM. Швидкість доступу (час циклу зчитування з ОЗП або запису в нього даних) складає 50-70 нс для асинхронної пам’яті (SIMM) і 15-45 нс для синхронної (DIMM). Розрядність ОЗП може сильно позначатися на продуктивності системи. Тому 32-розрядні додатки Windows треба використовувати на 32-розрядному ПК, а не, наприклад, на 16-розрядному.

У сучасному ПК використовується новий тип пам’яті EDO (Extended Data Output), в якій використовується принцип конвеєризації: під час читання записаного в банк байта мікросхема також виконує вибірку наступного байта або зберігає його у вихідному регістрі, завдяки чому час вибірки наступного значення значно скорочується. Загальний виграш у швидкодії 5-15%.

З 1997 року на вітчизняному ринку з’явилися модулі ОЗП типу CD-RAM (синхронний динамічний ОЗП), доступ до якого може здійснюватися ще швидше. Модулі CD-RAM мають ємність 16, 32, 64, 128, 256 Мбайт.

Системна магістраль (шина) та шина розширення