Классификация компонентов

Существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. В таком комплекте компьютер обычно поставляется. Понятие базовой конфигурации может меняться в зависимости от условий использования и предназначения компьютера. Устройства, входящие в структуру стационарного персонального компьютера, обычно группируют в блоки, которые имеют конструктивно законченный вид. Эти блоки определяют состав персонального компьютера и определяют меру полезности компьютера для пользователя.

Считается, что в состав стационарного персонального компьютера входят:

– системный блок;

– внешние устройства.

В мобильных компьютерах, как правило, системный блок и основная часть внешних устройств (клавиатура, монитор, мышь и т. д.) конструктивно представляют собой единое устройство.

Все устройства, входящие в состав ПК, можно условно разделить по категориям.

1. По назначению устройства делятся на:

– системные, необходимые для функционирования компьютера;

– периферийные, которые позволяют выполнять на компьютере разнообразную деятельность.

2. По исполнению устройства делятся на:

– внутренние, расположенные внутри системного блока и обычно подключенные к системной шине напрямую;

– внешние, которые подключаются к компьютеру через специальные или универсальные разъемы расширения.

3. По деятельности устройства делятся на:

– основные, которые необходимы для полноценной работы персонального компьютера;

– дополнительные, которые для такой работы не являются необходимыми, но вносят дополнительную функциональность.

Компоненты персонального компьютера

Системная шина

Системная шина, материнская плата, основная шина – сложная многослойная печатная плата, на которой устанавливаются системные компоненты персонального компьютера. Материнская плата обеспечивает передачу данных между этими устройствами, объединяет и координирует их работу.

Каждое устройство подключается к системной шине через индивидуальный или универсальный разъем, по которому происходит передача информации, а также зачастую (но не всегда) обеспечивается электропитание. Индивидуальные разъемы характерны для тех устройств, которые в результате развития технологии утратили обратную совместимость с предыдущими поколениями. Во избежание некорректного подключения они получают специфические разъемы и обозначения, не позволяющие подключить их неправильно и тем самым привести к поломке.

Универсальный разъем предназначен для подключения широкой номенклатуры устройств и, как правило, предполагает подключение внешних компонентов, поэтому выносится на стенку компьютера. Такой разъем соединяется с системной шиной через контроллер, т.е. устройство управления. Сам контроллер подключается к системной шине уже через индивидуальный разъем.

Существует немало разновидностей системных шин, обычно каждый производитель вносит свои усовершенствования и старается добиться высокой производительности и надежности, низкого энергопотребления. В то же время, все системные шины одного поколения в основных чертах различаются мало, поскольку конструируются по одним и тем же спецификациям.

Микропроцессор

Микропроцессор – программно-управляемое универсальное устройство для цифровой обработки дискретной и (или) аналоговой информации и управления процессом этой обработки, построенное на одной или нескольких больших интегральных схемах.

Основными параметрами микропроцессоров являются:

– тактовая частота;

– разрядность;

– количество ядер;

– размер кэш-памяти;

– состав инструкций.

Тактовая частота. Работа всех элементов микропроцессора синхронизируется при помощи электрических импульсов на частоте, вырабатываемой тактовым генератором. Тактовая частота измеряется в герцах, т.е. тактах в секунду. За время каждого такта микропроцессор выполняет одну элементарную операцию. Чем выше тактовая частота, тем быстрее работает микропроцессор, тем выше производительность компьютера. Микропроцессору каждого типа соответствует определённая оптимальная для него тактовая частота, рекомендованная компанией-производителем. Современные микропроцессоры работают на частоте несколько ГГц.

Разрядность. Информация внутри компьютера представлена в виде двоичных чисел. Между устройствами данные передаются не сплошным потоком, а порциями – машинными словами, одно машинное слово передаётся за один такт работы процессора. Количество бит в машинном слове называется разрядностью. Чем больше разрядность, т.е. чем длиннее машинное слово, тем быстрее передаётся и обрабатывается информация, тем быстрее работает компьютер.

Применительно к микропроцессору различают три вида разрядности:

– разрядность регистров микропроцессора;

– разрядность шины данных;

– разрядность шины адреса.

Разрядность регистров – это длина машинного слова внутри микропроцессора. Разрядность этого вида диктуется вместимостью внутренних ячеек памяти процессора. Когда говорят про разрядность компьютера (или процессора), то обычно подразумевают внутреннюю разрядность, поскольку именно разрядность регистров определяет эффективность обработки данных микропроцессором, диктует диапазон допустимых значений операндов.

Разрядность шины данных. Под шиной данных понимается группа проводников, по которым от микропроцессора к другим устройствам компьютера передаются данные. Разрядность шины данных – это число проводников в ней. Она может не совпадать с разрядностью регистров, в этом случае при обмене информацией с внешними по отношению к процессору устройствами необходимо преобразовывать данные.

Разрядность шины адреса – это число проводников в адресной шине. По этим проводникам от микропроцессора к оперативной памяти передаётся информация для определения ячеек памяти, к которым надо получить доступ. Чем шире шина адреса, тем к большему числу ячеек памяти может обратиться микропроцессор. Адресное пространство микропроцессора, т.е. наибольший теоретически возможный размер оперативной памяти, доступный для данного микропроцессора, определяется величиной 2ⁿ, где n – разрядность адресной шины. Например, у Intel 8088 и Intel 8086 адресная шина имела 20 проводников. Наибольший размер оперативной памяти у компьютеров с таким микропроцессором был не более 220 = 1048 000 байт, т.е. 1 Мбайт. У процессора следующего поколения, Intel 80286, была 24-разрядная шина адреса, что увеличило максимум адресуемой оперативной памяти до 16 Мб. Начиная с Intel 80386, микропроцессоры Intel длительное время имели 32-битную шину адреса и соответственно адресное пространство 4 Гб. Современные микропроцессоры AMD и Intel (с технологией EM64T) поддерживают 64-разрядную адресацию памяти, но для реализации этого режима необходима 64- разрядная версия Windows.

Разрядность шины данных микропроцессора определяет количество разрядов, над которыми одновременно могут выполняться операции; разрядность шины адреса МП определяет его адресное пространство. Адресное пространство – это максимальное количество ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано микропроцессором.

Память

Выделяют внутреннюю и внешнюю память компьютера. Первая используется для временного хранения данных и программ при работе компьютера, а вторая – для долговременного хранения данных и программ.

Внутренняя память компьютера предназначена для оперативной обработки данных. Выделяют следующие ее виды:

– оперативная. В нее помещаются программы для выполнения и данные для работы программы, которые используются микропроцессором. Она обладает большим быстродействием и является энергозависимой. Обозначается RAM – Random Access Memory, память с произвольным доступом;

– постоянная память ROM - Read Only Memory. Хранит BIOS (Basic Input-Output System) – базовую систему ввода-вывода. В нее данные занесены при изготовлении компьютера;

– полупостоянная память – CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Хранит параметры конфигурации БСВВ компьютера. Обладает низким энергопотреблением, потому не изменяется при выключении компьютера, т.к. питается от аккумулятора. Обычно ROM и CMOS объединяются на одной микросхеме;

– видеопамять используется для хранения видеоизображения, выводимого на экран. Входит в состав видеоконтроллера.

– кэш-память служит буфером между RAM и микропроцессором и позволяет увеличить скорость выполнения операций, т.к. является сверхбыстродействующей. В нее помещаются данные, которые процессор получил или, возможно, будет использовать в ближайшие такты своей работы. Эта память также хранит копии наиболее часто используемых участков RAM. При обращении микропроцессора к памяти сначала ищутся данные в кэш-памяти, а затем, если остается необходимость, в оперативной памяти;

Внешняя память представлена довольно широким спектром устройств, отличающихся принципом хранения данных, быстродействием, объемом хранимой информации, способом ее записи и чтения. Рассмотрим наиболее важные из них.

Перфокарта

Перфокарта (перфорированная карта) – носитель информации, применялся для использования в системах автоматической обработки данных. Информация задается наличием или отсутствием отверстий в определённых позициях карты. Перфокарты впервые начали применяться в ткацких станках в 1808 году для управления вышиванием узоров на тканях. Перфокарты использовать Чарльз Бэббидж при разработке аналитической машины. В конце XIX в. перфокарт использовались для обработки результатов переписей населения в США, этим занималась компания Холлерита, позднее переименованная в IBM.

Перфокарты использовались в компьютерной технике с 20-х годов 20 века, их взяли как средство ввода, вывода и хранения данных в компьютерах первого поколения. Затем, в течение 70-х – начале 80-х, они использовались только для хранения данных и постепенно были замещены гибкими магнитными дисками большого размера. В настоящее время перфокарты не используются нигде, кроме устаревших систем.

Перфолента

Перфолента (перфорированная лента) – устаревший носитель информации в виде бумажной, нитроцеллюлозной или ацетилцеллюлозной ленты с отверстиями. Первые перфоленты использовались с середины XIX века в телеграфии, отверстия в них располагались в 5 рядов, плюс в середине ленты еще один ряд более мелких отверстий для перемещения ленты с помощью зубчатого колеса.

Благодаря простоте устройств ввода/вывода, перфолента получила распространение в компьютерной технике. Поздние компьютерные перфоленты имели ширину 7 или 8 рядов, существовали ленты и с другим количеством рядов (даже с 2 рядами). Использовались в миникомпьютерах для ввода/вывода информации и для управления станками с ЧПУ до середины 1980-х годов. Были вытеснены магнитными носителями информации.

Стример

Стример (от англ. streamer), также ленточный накопитель – запоминающее устройство на принципе магнитной записи на ленточном носителе, с последовательным доступом к данным, по принципу действия аналогичен бытовому магнитофону. Впервые был использован в 1951 году. Основное назначение: запись и воспроизведение информации, архивация и резервное копирование данных.

Достоинства: большая ёмкость (до 4 Тб), малая стоимость информационного носителя, стабильность работы, надёжность.

Недостатки: низкая скорость доступа к данным из-за последовательного доступа (лента должна прокрутиться к нужному месту); большие размеры.

Основное назначение: запись и воспроизведение информации, создание резервных копий данных.

В ЭВМ, выпускавшихся до момента появления и широкого распространения жестких дисков, устройства, аналогичные стримерам, использовались как основной постоянный носитель информации (ПЗУ). В дальнейшем, в миниЭВМ стримеры стали использоваться в системах иерархического управления носителями для хранения редко используемых данных. Некоторое время достаточно широко применялись в качестве съёмного ЗУ при переносе большого количества информации.

Дискета

Дискета, ГМД (Floppy disk) – портативный носитель информации, используемый для многократной записи и хранения данных, представляет собой пластиковый диск, покрытый ферромагнитным слоем и помещённый в защитный корпус. Для считывания дискет используется дисковод.

Устройство для работы с ГМД (дисковод гибких дисков, флоппи-дисковод) называется НГМД – «накопитель на гибких магнитных дисках», конструктивно оно обычно размещается внутри системного блока.

Первая дискета появилась в 1971 году, имела размер 8 дюймов (20 см), емкость 120 килобайт. Позже появились более компактные и более емкие устройства, некоторые разработки начала 2000-х позволяли хранить до нескольких гигабайт информации. Дискеты были массово распространены с 1970-х и до конца 1990-х годов, уступив более ёмким и удобным CD, DVD и, в дальнейшем, флэш-накопителям.

Хранение данных на диске осуществляется следующим образом. Каждая сторона диска разбита на концентрические дорожки. Дорожки делятся на сектора, они используются для хранения фиксированного количества данных, оно зависит от устройства и файловой системы. Несколько байт в начале каждого сектора отводится для служебной информации (адрес и контрольная сумма), а остальные – для данных.

1971 – Первая дискета диаметром в 200 мм (8″, 80 Кб) с соответствующим дисководом была представлена фирмой IBM.

1976 – Алан Шугерт (Shugart Associates) разработал дискету диаметром 5,25″ (110 Кб).

1981 – Sony выводит на рынок дискету диаметром 3,5″ (90 мм). В первой версии объём составляет 720 килобайт (9 секторов). Поздняя версия имеет объём 1440 килобайт или 1,40 мегабайт (18 секторов). Именно этот тип дискеты становится стандартом (после того, как IBM использует его в своём IBM PC).

Жесткий диск

Жесткий диск, винчестер, НЖМД (англ. hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD) – запоминающее устройство (устройство хранения информации) произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи. На сегодняшний день является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.

Первый жесткий диск был создан для компьютера IBM 305 RAMAC в 1956 году и назывался IBM 350. Он занимал ящик размером с большой холодильник и имел вес 971 кг, состоял из 50 покрытых чистым железом тонких дисков диаметром 610 мм. Объем памяти составлял около 3,5 Мб.

IBM 305 RAMAC дебютировал в 1956-м году и был первым компьютером с накопителем на жестких дисках. Он имел объём всего 16 квадратных футов (см. фото) и весил чуть больше тонны. По меркам того времени он считался «портативным», ведь его можно было транспортировать даже на самолёте!

До этого для хранения информации использовались перфокарты и перфоленты. Революционный RAMAC позволял хранить на своих 50 дисках диаметром 24 дюйма информацию, по объёму эквивалентной 64 000 перфокартам. Если переводить это на привычные нам метрики объёма данных, то это целых 3,5 Мегабайт!

Для манипуляций с магнитными дисками агрегат имел две механических руки, управляемые в полностью вакуумном боксе. И даже, несмотря на это, скорость доступа к данным была колоссальная. Сравните – перебрать 64000 перфокарт или сотни метров перфоленты или выбрать нужный диск и пройтись по его поверхности считывающей головкой…

До 1961 года IBM произвела более чем 1000 305 RAMACs, которые арендовались компаниями со всего мира за 3200$ в месяц. И именно эти средства стали теми инвестициями в исследования инженеров IBM, которые позволили жёстким дискам стать такими, какими мы их знаем сейчас.

Информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома – магнитные диски. В НЖМД используется одна или несколько пластин на одной оси. В рабочем режиме пластины крутятся со скоростью от 4 до 15 тыс. об/мин (в зависимости от модели устройства), при этом считывающие головки не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при таком быстром вращении. Расстояние между головкой и диском удерживается на уровне нескольких нанометров, и отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков. Поэтому важно помнить, что резкое сотрясение устройства во время работы может привести к соприкосновению считывающей головки и поверхности, что практически наверняка приведет к появлению царапин и скорому выходу диска из строя.

Основные характеристики жесткого жиска:

– интерфейс (англ. interface) – совокупность линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии, и правил (протокола) обмена. Серийно выпускаемые жесткие диски могут использовать интерфейсы ATA (он же IDE), SATA, SCSI, SAS, FireWire, USB, SDIO и Fibre Channel;

– ёмкость (англ. capacity) – количество данных, которые могут храниться накопителем. Ёмкость современных устройств достигает 2000 ГБ (2 ТБ);

– физический размер (форм-фактор) (англ. dimension). Почти все современные (2001–2008 года) накопители для персональных компьютеров и серверов имеют ширину либо 3,5, либо 2,5 дюйма – под размер стандартных креплений для них соответственно в настольных компьютерах и ноутбуках. Также получили распространение форматы 1,8 дюйма, 1,3 дюйма, 1 дюйм и 0,85 дюйма;

– время произвольного доступа (англ. random access time) – время, за которое винчестер гарантированно выполнит операцию чтения или записи на любом участке магнитного диска. Диапазон этого параметра невелик – от 2,5 до 16 мс;

– скорость вращения шпинделя (англ. spindle speed) – количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и средняя скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 5400, 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об/мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции);

– надёжность (англ. reliability) – определяется как среднее время наработки на отказ (MTBF). Также подавляющее большинство современных дисков поддерживают технологию S.M.A.R.T.;

– потребление энергии;

– уровень шума – шум, который производит механика накопителя при его работе. Указывается в децибелах. Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума около 26 дБ и ниже. Шум состоит из шума вращения шпинделя (в том числе аэродинамического) и шума позиционирования;

– сопротивляемость ударам (англ. G-shock rating) – сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во включённом и выключенном состоянии.

– объём буфера – буфером называется промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу.

Большая часть всех винчестеров производятся компаниями Seagate (Maxtor), Western Digital, Samsung, Hitachi (IBM), Fujitsu, Toshiba.