Принцип и схема работы компьютера – аппаратная и программная части

Аппаратное обеспечение персонального компьютера
статья на тему

Аппаратное обеспечение компьютера — это все электронные и механические устройства компьютера.

Общая схема аппаратного обеспечения компьютера:

Структура аппаратного обеспечения персонального компьютера:

• системная плата (материнская плата) — на ней размещены:

• процессор (центральный процессор)+система охлаждения,
• внутренняя память,
• системная шина,
• слоты.

• платы периферии (могут быть встроены в системную плату) — на них размещены контроллеры устройств ввода-вывода+разъемы:

• контроллеры дисководов,
• видеокарта (видеоконтроллер, графическая плата),
• звуковая карта (звуковой контроллер, звуковая плата),
• сетевая карта (сетевой адаптер, сетевая плата),
• контроллеры других устройств,

• устройства ввода и вывода:

• дисководы:

• дисковод на жеском диске,
• привод гибких дисков (дисковод для дискет),
• привод оптических дисков (привод CD-ROM, CD-RW, DVD-ROM, DVD-RW),
• стример

• другие устройства;

• блок питания

Общую схему компьютера можно посмотреть здесь .

Рассмотрим подробно каждое устройство и его функции.

Процессор — устройство, выполняющее арифметические и логические операции, и управляющее другими устройствами компьютера.

В его состав входят:

• арифметико-логическое устройство (АЛУ);
• устройство управления (УУ);
• регистры;

Современные процессоры работают согласно принципам машины фон Неймана (архитектуре фон Неймана).

Система охлаждения процессора — используется для отвода тепла от нагревающихся процессора. Чаще используется воздушное охлаждение с помощью кулера (вентилятор+радиатор).

В ее состав входят:

• оперативная память или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) — энергозависимая память (при выключении компьютера вся записанная на ней информация стирается). ОЗУ используется для чтения и записи. В ОЗУ хранятся выполняемые программы и данные, которые они обрабатывают (Например, если мы работаем в Word(е) в ОЗУ находится данная программа и текст, с которым мы работаем. Если документ не сохранить, т.е. не записать во внешнюю память (винчестер, флэшка), то при выключении компьютера данные будут потеряны).
• постоянная память или постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) — энергонезависимая память (при выключении компьютера вся записанная на ней информация сохраняется). ПЗУ используется только для чтения, на ней хранится информация, которая никогда не будет изменяться.
• специальная память:

• постоянная память, которую можно перепрограммировать (Flash-память). Основной микросхемой является BIOS (basic input-output system, базовая система ввода-вывода), на ней хранятся программы загрузки операционной системы в ОЗУ и тестирования устройств при включении компьютера. Также BIOS содержит сервисные функции. Через BIOS операционная система обращается к аппаратному обеспечению (через драйверы устройств).
• память CMOS (питается от батарейки) — хранит информацию о составе и конфигурации оборудования, режиме работы. Эта информация изменяется специальной программой, находящейся в BIOS.
• видеопамять — оперативная память, используется для хранения данных, из которых формируется изображение на экране (текст и графика)

• регистры процессора — память внутри процессора, свербыстрая оперативная память;
• кэш-память — для увеличения скорости обмена данными между процессором и оперативной памятью. Кэш-память управляется контроллером, который анализирует исполняемую процессором программу и пытается предугадать, какие данныекоманды могут понадобиться процессору в ближайшее время и записывает их из оперативной памяти в кэш-память.

Системная шина (информационная магистраль) соединяет устройства внутри системного блока компьютера и обеспечивает их взаимодействие. Это набор дорожек на на материнской плате, по которым передается информация в виде сигналов.

В ее состав входят:

• шина адреса — для передачи адреса, куда передаются данные: ячейка памяти или устройство вводавывода;
• шина данных — для передачи самих данных между процессором и памятью или устройством вводавывода;
• шина управления (вспомогательная шина) — для передачи сигналов управления (например, сигнал записи или чтения, сигнал обращения к памяти или устройству вводавывода).

Слот — внутреняя розетка для подключения устройств внутри системного блока.

Контроллер устройства ввода и вывода — микропроцессор, посредник между процессором и устройством вводавывода. Управляет устройством, которое к нему подключено. Преобразовывает информацию, которой должны обмениваться процессор и устройство.

Разъем — внешняя розетка для подключения внешего (по отношению к системному блоку) устройства.

Контроллер дисководов — преобразовывает и передает информацию между процессором и дисководом.

Видеокарта преобразовывает и передает сигнал на монитор.

Звуковая карта обрабатывает звук (обеспечивает ввод звука с микрофона и его воспроизведение через наушники, колонки, встроенный динамик).

Сетевая карта испольуется для подключения персонального компьютера к сети и организации взаимодействия с другими устройствами сети (обмен информацией по сети).

К устройствам ввода и вывода относится внешняя память .

Внешняя память используется для долговременного хранения данных и программ. Информация, записанная на внешнюю память не стирается при выключении компьютера.

В ее состав входят:

• накопители информации — устройства чтения и записи
• носители информации — место хранения информации.

Дисководы (накопители информации) используются для чтениязаписи на носители информации: пластины жесткого диска, дискеты, оптические диски, ленты.

Устройства ввода и вывода подробно рассмотрены в этой статье .

Блок питания — источник электрического тока для питания устройств системного блока.

Как работает компьютер?

Компьютер принимает и обрабатывает данные в соответствии со специальными инструкциями, а результаты обработки отправляет на устройства вывода.

Алгоритмы (наборы команд), программы и все остальные данные хранятся в памяти компьютера, которая разделена на ячейки. Центральное процессорное устройство включает в себя программный счетчик, который нужен для правильного порядка исполнения команд и алгоритмов. Также в состав ЦПУ входит и модуль для контроля порядка команд при обработке данных, арифметический логический модуль, служащий для выполнения компьютером операций арифметики и логики: сложения и сравнения.

Компьютер занимается обработкой введенной (входной) информацией, ее хранением и выводом. Вся информация представляется в виде двоичного (бинарного) кода: то есть нолей «0» (ложь) и единиц «1» (истина), которые также называются логическими переменными. Выделяют следующие программные элементы работы компьютера:

1. Входные данные: существуют различные формы ввода, такие как клавиатура и мышь, микрофон, веб-камера, сканер и др.
2. Память / хранение: компьютер хранит все документы и файлы пользователя на жестком диске, а вот телефоны и бытовые приборы используют другие устройства – флэш-карты памяти.
3. Обработка: она происходит с помощью процессора, которые спрятан глубоко внутри.
4. Вывод: компьютер снабжается монитором, экран которого способен отображать графические данные, так же к ПК часто подключаются колонки для вывода аудиоинформации.

Что же происходит, когда пользователь включает компьютер и запускает произвольную программу? Сначала программа, хранящаяся на жестком диске, загружается в оперативную память и сообщает процессору, какие дополнительные данные необходимо выгрузить в ОЗУ для дальнейшей работы, затем ЦПУ (центральное процессорное устройство) порционно обрабатывает взятую из ОЗУ информацию, выполняет сообщенные алгоритмы и действия, после чего результат выгружает обратно в оперативную память. Когда порции данных для обработки заканчиваются, итоговый результат загружается на жесткий диск и отправляется на хранение.

Например, пользователю необходимо сложить два числа А и В и получить число С. Входные числа будут определены в соответствующие ячейки ОЗУ, а еще одна будет задействована для фиксации результата С. Итак, можно выделить следующие шаги:

Аппаратные средства систем: общая классификация

Итак, с чем же мы имеем дело? На самом деле комплекс аппаратных средств знаком всем и каждому. По сути, многие пользователи называют его компьютерным «железом». Действительно, аппаратные средства – это именно «железные», а не программные компоненты любой компьютерной системы. В самом простом варианте классификации они разделяются на внутренние и внешние.

Кроме того, в таком разделении можно выделить три основных и наиболее содержательных класса устройств:

• устройства ввода;
• устройства вывода;
• устройства хранения информации.

Естественно, отдельно стоит отметить и главные элементы компьютерных систем вроде материнской платы, процессора и т. д., не входящие ни в один из вышеперечисленных классов и являющиеся базовыми элементами, без которых ни один компьютер попросту работать не будет.

Устройство персонального компьютера

На рисунке 3 приведена укрупненная структура гипотетического персонального компьютера.

Рисунок 3 — Укрупненная структура компьютера

В ее состав входят следующие устройства:

Основная память (ОП) служит для хранения программы в виде последовательности команд, исходных, промежуточных данных и результата в виде двоичных слов. Физически ОП реализуется на основе полупроводниковых больших интегральных схем (БИС) памяти.

Устройство ввода необходимо для ввода исходных данных и программы в память персонального компьютера.

Устройство вывода служит для вывода результата в форме, удобной для восприятия пользователем или управления.

Современные компьютеры характеризуется большим многообразием и значительным числом подключаемых к нему устройств ввода-вывода (УВВ), которые, включая внешнюю память, также называют внешними (ВУ) или периферийными (ПУ) устройствами. К ним относятся клавиатура, дисплей, мышь, принтер, сканер и другие.

Центральный процессор ЦП – это основное устройство компьютера. Процессор осуществляет выборку команды из памяти и выполняет операцию, указанную в команде, например, сложение, вычитание и т.д.

Если операнд размещен в памяти, то ЦП формирует его адрес и осуществляет выборку операнда из ОП. После выборки текущей команды процессор формирует адрес следующей команды. В современных ЭВМ процессор также организует свое взаимодействие с внешними устройствами. Отметим, что ЦП и основная память – это центральные устройства ЭВМ.

Представление структуры персонального компьютера в виде рисунка 3 является достаточно удобной формой для начального этапа изучения организации любого современного компьютера, так как, несмотря на большое число его компонентов (устройств), в процессе его функционирования практически всегда можно выделить пару взаимодействующих устройств, например: «ЦП – Память», «ЦП – ВУ». Из них активным, как правило, является процессор. При работе компьютера в так называемом режиме ПДП (прямого доступа к памяти) активным элементом является внешнее устройство, которое в этом режиме с помощью специального контроллера ПДП управляет обменом данных между ВУ и ОП, минуя процессор, через специально выделенный канал ввода-вывода.

Оперативная память

Электронный компонент, позволяющий процессору хранить необходимые данные во время своей работы. Такая память называется ОЗУ – оперативное запоминающее устройство. Память содержит данные, пока к ней подводится питание. Когда компьютер выключен – все содержимое памяти стирается.

В случае если есть необходимость хранения данных при выключенном питании, существует другой вид памяти называемый ПЗУ – постоянное запоминающее устройство. Такая память, если в неё записать данные, будет хранить их независимо от того подаётся на неё питание или нет.

Существуют два типа ПЗУ. В одних данные можно менять многократно, они называются РПЗУ (репрограммируемое, постоянное запоминающее устройство), и непосредственно ПЗУ – в него данные записываются только один раз. Больше их изменить нельзя. Применяются такие ПЗУ там, где требуется высокая надёжность хранения одних и тех же данных.

Аппаратные средства ПК

Человеком созданы специальные технические устройства, предназначенные для кодирования, обработки, передачи и хранения информации в цифровой форме (компьютер, принтер, сканер, модем и др.). Совокупность таких устройств принято называть аппаратными средствами.

Персональный компьютер

Современный компьютер может быть реализован в настольном (desktop), портативном(notebook) или карманном (handheld) варианте.

Программное и аппаратное обеспечение в компьютере работают в неразрывной связи и в непрерывном взаимодействии.

Аппаратное обеспечение (Hardware)— это физическая часть компьютера — то, что вы можете видеть, к чему можете прикоснуться.

Что такое аппаратное обеспечение

Компьютеры прошли довольно большой путь, на котором его постоянно изменяли, модернизировали, улучшали. Конечно, многое изменилось в парке компьютерной техники. Однако принципиальных изменений не произошло.

По-прежнему, все действия в компьютере основаны на вычислениях, которые делаются согласно той логике, которую заложил человек при разработке аппаратного и программного обеспечения.

Аппаратное обеспечение – включает в себя все физические части компьютера, но не включает программное обеспечение, которое им управляет, и не включает информацию, имеющуюся на компьютере.

По-английски hardware (произносится «хард») – аппаратные средства, технические средства.

На компьютерном жаргоне hardware означает «железо». Аппаратное обеспечение без программного обеспечения действительно представляет из себя всего лишь навсего железо.

Устройства безопасности и защиты данных

Теперь о другом типе устройства. Это средства аппаратной защиты, к которым относятся, например, «железные» межсетевые экраны, также называемые межсетевыми экранами (firewall от англ. — «firewall»).

По некоторым причинам большинство пользователей сегодня привыкли к тому, что межсетевой экран (также известный как межсетевой экран) — это чисто программный продукт. Это неправда. При организации сетей с более высоким уровнем безопасности использование таких компонентов не только желательно, а иногда даже просто необходимо. Согласитесь, программная часть не всегда соответствует своим функциям и может не вовремя реагировать на вмешательство в сеть извне, не говоря уже о доступе к конфиденциальной информации, хранящейся на жестких дисках компьютеров или серверов.

Клавиатура

Клавиатура является неотъемлемым устройством ввода любого компьютера. Клавиатура представляет собой группы клавиш для ввода символьной информации. Также многие современные клавиатуры оснащаются дополнительными клавишами, например, для управления медиаплеерами и различными программами.

Мышь предназначена для перемещения системного указателя по объектам операционной системы – окнам. Обычно мышь имеет две кнопки и колесо прокрутки. Технически мыши могут быть оптическими и лазерными. Последние имеют более высокую точность и качество работы.

Дополнительные периферийные устройства персонального компьютера выполняют роль помощников и предназначены для расширения возможностей персонального компьютера. Аудиоколонки (динамики) предназначены для воспроизведения звука, принтер – для получения бумажной копии любого электронного документа или изображения, сканер – позволяет создать электронный образ с бумажного носителя и т.д. К компьютеру можно подключить и другие периферийные специализированные и диагностические устройства, которые практически безгранично расширяют область его применения.

Персональный компьютер, несмотря на кажущуюся, на первый взгляд свою сложность достаточно прост в работе и требует лишь немного терпения и упорства пользователя в его изучении. Помните, что компьютер был создан для облегчения нашей с вами работы и повышения производительности труда, поэтому не стоит сомневаться в его способностях выполнить ту или иную задачу.