Функциональная и структурная организация компьютера

Функции компьютера. Основные устройства компьютера и их функции

Пользование компьютером становится привычным для современного человека. Вместе с тем далеко не каждый владелец ПК задумывается о том, какие конкретно функции выполняет соответствующее вычислительное устройство. Немногие пользователи знают, какова специфика отдельных аппаратных компонентов компьютера. Каковы функцииПК? Какие аппаратные компоненты входят в структуру персональных вычислительных систем?

Какие функции компьютера можно выделить как ключевые? Есть большое количество подходов к их определению. В среде российских IT-экспертов распространена схема, в соответствии с которыми функции компьютера представлены в следующем перечне:

• обработка информации;
• хранение данных;
• перемещение информации;
• управление файлами.

Можно отметить, что перечисленные функции в целом характерны для всех типов компьютеров. Современная классификация вычислительных устройств предполагает, что их разновидностей достаточно много. Есть пользовательские ПК, есть промышленные компьютеры, а также те, которые входят в структуру средств транспорта. Безусловно, каждый из типов ПК будет обладать специфическими функциями.

В случае с пользовательскими компьютерами это может быть, например, обработка графики, текста или звука. Функции бортового компьютера военного самолета — это управление летальным аппаратом, поддержание работоспособности его механизмов. Соответствующая специфика промышленных вычислительных устройств будет связана с необходимостью точного выполнения заданных производственных операций.

Рассмотрим подробнее специфику каждой из отмеченных выше общих функций для всех компьютеров.

Статьи к прочтению:

Персональный компьютер (ПК) или персональная ЭВМ (ПЭВМ) — электронная вычислительная машина, с которой может работать пользователь, не являющийся…

Раздел 2. Состав персонального компьютера Персональный компьютер типа IBM – PC выпускается в следующих модификациях: Настольный вариант исполнения –…

История науки и техники Com New

Современные компьютеры массового применения – персональные компьютеры имеют достаточно сложную структуру, которая определяет взаимосвязь между аппаратными средствами в технической системе, называемой компьютером. В процессе эволюции аппаратных и программных средств изменялась и структура персонального компьютера, однако без изменений остались пока основные принципы его структурной организации, сформулированные выдающимся математиком, профессором Принстонского университета США Джоном фон Нейманом (1903–1957) и его коллегами в 1946 г.

Сущность этих принципов сводится к следующему:

• информация представляется (кодируется) и обрабатывается (выполняются вычислительные и логические операции) в двоичной системе счисления, информация разбивается на отдельные машинные слова, каждое из которых обрабатывается в компьютере как единое целое;

• машинные слова, представляющие данные (числа) и команды (определяют наименование задаваемых операций), различаются по способу использования, но не по способу кодирования;

• машинные слова размещаются и хранятся в ячейках памяти компьютера под своими номерами, называемыми адресами слов;

• последовательность команд (алгоритм) определяет наименование производимых операций и слова (операнды), над которыми производятся эти операции, при этом алгоритм, представленный в форме операторов машинных команд, называется программой;

• порядок выполнения команд однозначно задается программой.

Компьютерное представление информации в двоичной системе счисления (двоичном коде) упрощает и повышает надежность аппаратных средств компьютера, поскольку реализовать технические устройства с двумя устойчивыми состояниями, равными логической единице и нулю, гораздо проще, чем при использовании других систем счисления.

В соответствии с данными принципами Дж. фон Нейманом и его коллегами была реализована структура компьютера, которая в настоящее время носит название классической (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Классическая структура компьютера

В состав компьютера, приведенного на рис. 5.1 входят следующие структурные элементы и связи:

• АЛУ (арифметико-логическое устройство) – выполняет арифметические и логические операции над информацией, представленной в двоичном коде, т. е. обеспечивает выполнение процедур по обработке данных;

• УУ (устройство управления) – организует процесс выполнения программ;

• ЗУ (запоминающее устройство) – предназначено для размещения и хранения последовательности команд (программ) и данных;

• УВВ (устройства ввода-вывода) – обеспечивают ввод и вывод данных из компьютера для установления прямой и обратной связи между пользователем и компьютером;

• внутренние связи предназначены для обмена информацией между устройствами компьютера, они реализуются с помощью линий связей (электрических проводников), тонкими стрелками показаны линии, по которым передаются команды, а толстыми – данные.

Кратко опишем работу данного компьютера.

С помощью какого-либо устройства ввода в ЗУ вводится программа. УУ считывает содержимое ячейки памяти ЗУ, где находится первая команда, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических и логических операций над данными с помощью АЛУ, чтение из памяти данных для выполнения этих операций, вывод данных на устройство вывода и т. д. Затем выполняется вторая команда, третья и т. д. УУ выполняет инструкции программы автоматически.

Структура современных персональных компьютеров отличается от классической структуры компьютера. Перечислим ниже основные отличия (особенности) :

1) АЛУ и УУ объединены в единое устройство, называемое микропроцессором (МП, центральный процессор, реализованный на СБИС), кроме того, в состав МП входит ряд других устройств, предназначенных для хранения, записи, считывания и обмена информацией;

2) применение специализированных устройств – контроллеров, которым передается часть функций МП, связанная с обменом информации и управлением работой устройств для ввода и вывода (внешних устройств) информации, такая децентрализация позволяет повысить эффективность работы компьютера в целом за счет сокращения времени простоя МП;

3) вместо отдельных линий связи между устройствами используется системная магистраль с соответствующими устройствами сопряжения. Наличие системной магистрали в персональном компьютере позволяет осуществить обмен информацией между устройствами компьютера, уменьшить число линий связи, подключить различные дополнительные устройства через соответствующие разъемные соединения и т. д.

Таким образом, с учетом перечисленных особенностей персональный компьютер отвечает принципам открытой архитектуры, и его структура, в которую вошли основные устройства, приобретает вид, показанный на рис. 5.2. Данная структура была предложена фирмой IBM, поэтому персональные компьютеры, имеющие такую структуру, называются IBM – совместимые (IBM PC).

Рис. 5.2. Структура персонального компьютера:

МП – микропроцессор; ПП – постоянная память; ОП – оперативная память: ВК – видеоконтроллер; ПИ – последовательный интерфейс; И – интерфейсы других внешних устройств; К – контроллер; ЗК – звуковой контроллер: ИП – параллельный интерфейс; СА – сетевой адаптер; НГМД – накопитель на гибких магнитных дисках; НЖМД – накопитель на жестких магнитных дисках; НОД – накопитель на оптических дисках; НМЛ – накопитель на магнитной ленте; ПУ – печатающее устройство; БП – блок питания и УО – устройства охлаждения.

На рис. 5.2 обоюдоострыми стрелками показаны шины, по которым обмен информацией между устройствами происходит в обоих направлениях.

Основные устройства, входящие в структуру стационарного персонального компьютера, группируют в блоки и устройства, которые имеют конструктивно законченный вид. Эти блоки определяют состав персонального компьютера и определяют меру полезности компьютера для пользователя.

В состав стационарного персонального компьютера входят:

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

К основным компонентам системного блока относятся: микропроцессор (МП), системная магистраль, устройства постоянной (ПП) и оперативной памяти (ОП), видеоконтроллер (ВК), звуковой контроллер (ЗК), контроллеры (К), устройства последовательного (ПИ), параллельного (ИП) и интерфейса (И) других внешних устройств, накопители на гибких (НГМД), жестких (НЖМД) и оптических дисках (НОД), накопитель на магнитной ленте (НМЛ), сетевой адаптер (СА), модем (встроенный), блок питания (БП) и устройства охлаждения (УО).

Указанные устройства устанавливаются в корпус системного блока на соответствующие посадочные места, конструктивные размеры которого стандартизированы и имеет форм-фактор AT и АТХ [4]. Кроме того, корпус системного блока имеет обычно один из двух вариантов исполнения: настольный горизонтального типа (desktop) и настольный вертикального типа (tower). Соответственно вариант вертикального исполнения может иметь несколько модификаций: MiniTower, MidiTower, BigTower, SuperBigTower и File-Server [4]. Отличаются они друг от друга числом отсеков для установки устройств формата 3,5 и 5 дюймов. В корпусе системного блока размещаются также блок питания и устройства охлаждения. Блок питания обеспечивает электропитание всех устройств системного блока и ряда внешних устройств и подключается к промышленной сети переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц. В переносных персональных компьютерах электропитание обеспечивается за счет выносного блока питания, подключаемого к сети или к аккумуляторам, который обеспечивает автономную работу в течение 1,5–4 часов. В системном блоке размещены и устройства охлаждения, поскольку отдельные компоненты могут сильно нагреваться: блок питания, микропроцессор, видеоконтроллер (видеоадаптер) и т. д. В качестве охлаждающих устройств используются в основном радиаторы и вентиляторы (кулеры).

Таким образом, в системном блоке стационарного персонального компьютера размещаются основные компоненты, обеспечивающие выполнение компьютерных программ на аппаратном уровне.

Внешние устройства (по отношению к системному блоку) по функциональному назначению можно представить в виде нескольких групп: устройства ввода и вывода информации, устройства, выполняющие одновременно функции ввода и вывода информации, внешние запоминающие устройства.

К устройствам ввода информации относятся клавиатура, координатные устройства ввода (манипуляторы типа мышь, трекбол, контактная или сенсорная панель, джойстик), сканер, цифровые камеры (видеокамеры и фотоаппараты), микрофон.

К устройствам вывода информации относятся монитор, печатающие устройства (ПУ, принтер и графопостроитель), звуковые колонки и наушники.

К устройствам, выполняющим функции ввода и вывода информации относятся сетевой адаптер, модем (модулятор – демодулятор), звуковая плата.

К внешним запоминающим устройствам относятся: внешние накопители на гибких и жестких магнитных дисках, внешние накопители на оптических и магнитооптических дисках, накопители на основе флэш-памяти и т. д.

Процессор

Процессор представляет собой микросхему, предназначенную для выполнения основных вычислительных операций. Процессоры выпускаются двумя фирмами AMD и Intel. В зависимости от производителя процессора отличается и разъем (место его установки), поэтому при выборе материнской платы следует это не забывать. Вы просто не вставите процессор AMD в материнскую плату для процессоров Intel.

Основные системы

Все компьютерное оборудование можно разделить на несколько подсистем. Главными из них являются следующие:

1. Процессор
2. Память
3. Устройства ввода-вывода

Взаимодействие отдельных подсистем компьютера

В отдельную, но важную подсистему можно выделить вспомогательные и обслуживающие устройства, такие, как микросхему BIOS, генератор тактовых импульсов, системный таймер, чипсеты, то есть наборы микросхем для управления оборудованием. Также не стоит забывать и о системе питания компьютера.

Здесь мы не будем затрагивать вопросы физического размещения отдельных систем, поскольку, например, различные компоненты системы ввода-вывода, а также различные виды памяти могут располагаться как за пределами материнской платы ПК, так и на ней.

Главным компонентом компьютера, его сердцем, является центральный процессор. Впрочем, следует отметить, что процессоров в современных компьютерных системах может быть и несколько. Главная функция процессора — обработка данных. Данные непрерывно поступают в процессор из памяти и туда же отправляются после обработки. Память хранит эти данные в течение необходимого количества времени, а устройства ввода-вывода отвечают за прием или передачу данных за пределы компьютера – конечным пользователям или другим ПК и устройствам.

Память ПК делится на внешнюю и внутреннюю. К внутренней памяти относится оперативная память (ОЗУ), а также постоянная память (ПЗУ). К внешней памяти относятся жесткие диски, системы для чтения информации со съемных магнитных и оптических носителей (флоппи-дисководы, CD- и DVD-дисководы), флеш-накопители, и.т.д.

К системам ввода относятся такие компоненты компьютера, как клавиатура, до сих пор являющаяся базовым устройством ввода, а также мышь. Кроме того, в качестве устройств ввода могут выступать джойстик, сканер, графический планшет, тачпад, ТВ-тюнер, и многие другие устройства.

Главное устройство вывода, знакомое практически всем пользователям – это монитор. Кроме того, к устройствам вывода относятся принтер, звуковая карта и другие устройства.

К системам ввода/вывода также относятся порты ввода/вывода, такие, как LPT, COM, USB, сетевые карты, модемы, и.т.д.

Характеристики стационарного компьютера и ноутбука

Как я рассказывал ранее, каждый компьютер состоит из материнской платы, процессора и других компонентов, которые отличаются друг от друга по выпуску и мощности.

Сейчас же я дам рекомендации, как выбрать подходящий ПК для работы или отдыха.

Стандартный домашний и офисный компьютер

В обязанности обычного офисного сотрудника входит работа с почтой, документами и интернетом. Для этих целей нам не нужен слишком мощный ПК. Хорошо подойдет компьютер на базе процессора Core i3 седьмого или восьмого поколения.

Данный процессор имеет 4 ядра, и он хорошо справится со всеми офисными задачами.

1. Оперативной памяти будет достаточно в объёме 4 Гб.
2. Жесткий диск можно установить от 500 до 1000 Гб, подойдет и HDD диск формата SATA 3.0.
3. Дополнительную видеокарту можно не приобретать – встроенной вполне достаточно.
4. Блок питания подойдет 450-500 Вт.
5. Монитор, клавиатуру и мышку можете выбрать на свое усмотрение.

Производители также выпускают готовое фирменное решение для офиса и дома. В такие компьютеры, как правило, уже установлена операционная система Windows и пакет Microsoft Office, что позволит сэкономить на покупке программного обеспечения.

Что касается ноутбуков – они уже идут в готовой комплектации. Вам остается только выбрать на каком процессоре он работает, объем оперативной памяти и какая в нем установлена видеокарта. Для офисных задач подойдет ноутбук на базе процессора I3 и 4 Гб оперативной памяти.

Монтажный или игровой компьютер

Для сборки мощного монтажного или игрового ПК потребуется солидная сумма, так как чем круче комплектующие, тем они дороже. Как я писал ранее, для таких целей больше подойдет стационарный ПК.

Рекомендую собирать компьютер на базе процессора Core i9 9900K. Он имеет разблокированный множитель, что позволит произвести разгон и увеличить мощность. И не экономьте на охлаждении!

Данный процессор имеет 8 физических ядер и 8 виртуальных, что дает в сумме 16 потоков. На сегодняшний день этой мощности вполне хватит для работы с монтажом и играми.

1. Материнскую плату нужно выбирать формата ATX, желательно у проверенных производителей (Gigabyte, Asus).
2. Оперативную память лучше сразу покупать объемом 32 Гб.
3. Видеокарта для данной сборки является ключевой, так как именно ее мощность задействуется при работе с монтажом и играми.
4. На сегодняшний день топовой считается модель Nvidia GeForce RTX 2080Ti.
5. Жесткий диск для данной сборки нужно устанавливать скоростной M2. В дополнение можно установить второй объемный HDD диск для хранения данных.
6. Основой такой сборки является блок питания. Если вы решитесь приобрести хорошую видеокарту, то понадобится БП мощностью от 800 Вт. В идеале 1000 Вт и более – главное, отличного качества.
7. Собирать все это нужно в корпус Full Tower для хорошей вентиляции и охлаждения.
8. Монитор, мышку и клавиатуру можете выбирать по вашим предпочтениям. Но экономить на этом не стоит, чтобы почувствовать всю мощь данного ПК.

Также на рынке существуют профессиональные брендовые графические станции. В них могут быть установлены серверные процессоры (от двух и более), несколько профессиональных видеокарт и несколько сотен гигабайт оперативной памяти. На таких станциях работают профессиональные монтажеры для студий. И, конечно, цена такой станции просто заоблачная.

Игровые ноутбуки покупать не рекомендую – на мой взгляд, это нецелесообразно. Но если вы все же решитесь, присмотритесь к серии с процессорами Intel Core i9.

Виды персональных компьютеров

Классификацию современных персональных компьютеров можно представить следующими видами устройств:

1. Десктоп — настольный классический вариант (монитор, системный блок, клавиатура). Невзирая на сравнительно крупные габариты десктопа, пользователи ценят его за возможность подсоединения высокопроизводительных компонентов, превращающих стандартный ПК в мощный игровой. Удобно проводить техническое обслуживание, ремонт и модернизацию.
2. Ноутбук, или переносной компьютер, преимущество которого — маленький вес и низкое потребление электроэнергии. В ноутбук (а также нетбук, ультрабук) уже встроены все нужные комплектующие.
3. Моноблок (монитор с системным блоком) значительно экономит пространство.
4. Планшет — мобильный компьютер с touchscreen (сенсорный экран). Также на рынке представлены планшетные ноутбуки, где клавиатуру можно разложить или выдвинуть из специальной ниши.
5. Неттоп (мини-десктоп) справляется с несложными задачами. Это небольшой блок, куда подключаются дополнительные устройства — колонки, проектор, монитор и т. д. Поддерживает синхронизацию с телевизором.

Многих пользователей интересует, можно ли современный смартфон считать персональным компьютером, ведь по функционалу они очень близки. Ответ — нет, т. к. у них большое отличие в архитектуре и используемых процессорах.

Внешние устройства компьютера

Внешних устройств для ПК производится очень много: и типов, и моделей. Назовем некоторые из них, которые могут представлять интерес в самом начале знакомства с компьютером (и которые не входят в базовую конфигурацию компьютера).

• Память (внутренняя, внешняя)
• Внешняя память,предназначенная для временного хранения информации
• Магнитный принцип записи и считывания информации

Устройство для длительного хранения данных и программ. Своего рода библиотека компьютера, где хранятся все программы и данные.

В накопителях на гибких магнитных дисках (НГМД) и накопителях на жестких магнитных дисках (НЖМД), или винчестерах, в основу записи информации положено намагничивание ферромагнетиков в магнитном поле, хранение информации основывается на сохранении намагниченности, а считывание информации базируется на явлении электро­магнитной индукции. Считывание и запись информации на вращающийся намагничивающийся диск осуществляется с помощью магнитных головок, которые перемещаются вдоль заранее размеченных дорожек. Жесткий диск отличается большой емкостью (сотни и даже тысячи Гбайт).

Оптический принцип записи и считывания информации

Лазерные дисководы используют оптический принцип чтения информации.

В процессе записи информации на лазерные диски для создания участков поверхности с различными коэффициентами отражения применяются различные технологии: от простой штамповки до изменения отражающей способности участков поверхности диска с помощью мощного лазера. Информация на лазерном диске записывается на одну спиралевидную дорожку, содержащую чередующиеся участки с различной отражающей способностью

• Гибкие магнитные диски
• Жесткие магнитные диски

Жесткий магнитный диск представляет собой несколько десятков дисков, размещенных на одной оси, заключенных в металлический корпус и вращающихся с большой угловой скоростью.

Лазерные дисководы и диски

На лазерных CD – ROM и DVD – ROM дисках хранится информация, которая была записана на них в процессе изготовления. Запись на них новой информации невозможна.

Существуют CD – R и DVD – R диски, на них информация может быть записана, но только 1 раз. Для записи и перезаписи на диски используются CD – RW и DVD – RW дисководы.

Flash — память

Flash – память представляет собой микросхему, помещенную в миниатюрный корпус. Для считывания или записи информации карта памяти вставляется в специальные накопители, встроенные в мобильные устройства или подключаемые к компьютеру через USB – порт.

Флэш-диск.

Сканер

Принтер. Устройство, подключаемое к компьютеру и предназначенное для печати информации на твердый носитель, обычно на бумагу.

Самые распространенные типы принтеров — это струйные, лазерные и матричные..