1. Функциональная схема компьютера. Основные устройства компьютера, их назначение и взаимосвязь

Билет №71. Функциональная схема компьютера. Основные устройства компьютера, их назначение и взаимосвязь. Общее представление о компьютере проще всего получить, последовательно раскрывая функциональное назначение тех или иных его аппаратных компонентов, обращая особое внимание на информационное взаимодействие компонентов компьютера. Информация, обрабатываемая на компьютере, называется данными. Компьютер обрабатывает информацию по определенной инструкции, представляющей собой последовательность команд, которые компьютер может выполнить. Такая последовательность команд называется программой. Центральным устройством компьютера, устройством, которое выполняет программу по обработке данных, является процессор. Процесор может обрабатывать числовую, текстовую, графическую, видео и звуковую информацию. Все эти виды информации кодируются в последовательности электрических импульсов: есть импульс(1), нет импульса(0), т. е. в последовательности нулей и единиц. Однако пользователь очень плохо понимает информацию представленную в виде последовательности нулей и единиц(машинный яззык). Поэтому в состав компьютера входят специальные устройства ввода и вывода информации. Устройства ввода переводят информацию с языка человека на язык компьютера, а устройства вывода, наоборот, переводят информацию с языка компьютера в форму, понятную человеку. Рассмотрим устройства ввода информации. Для ввода числовой и текстовой информации используется клавиатура. Для ввода графической информации или для работы с графическим интерфейсом программ чащеще всего используется мышь или трекбол. Чтобы ввести в компьютер фотографию или рисунок используют сканер. Для ввода звуковой информации используют микрофон. Для управления компьютерными играми используют джоистик. Наиболее универсальным устройством вывода является монитор. Для сохранения числовой, текстовой и графической информации в виде “твердой копии” на бумаге используется принтер. Для вывода на бумагу сложных чертежей, рисунков и схем большого формата используется плоттер. Вывод звуковой информации осуществляется с помощью акустических колонок или наушников. Программа и данные должны быть загружены в специальное устройство-оперативную память. Однако при выключении компьютера вся информация из оперативной памяти стирается. Для долговременного хранения различных программ и данных используются накопители на гибких магнитных дисках, жесткие диски и диско-воды CD-ROM . Обмен информацией между отдельными устройствами компьютера производится по магистрали, соединяющей все устройства компьютера. Процессор и внутренняя (оперативная) память Процессор ( микропроцессор) – самая главная часть компьютера.Он руководит всей работой компьютера и осуществляет связь между остальными частями компьютера, а также между компьютером и человеком. Нередко название компьютера ассоциируется с типом проццессора,например Pentium. Процессор выполнен в виде сверхбольшой интегральной схемы. Он содержит большое число электронных компонентов, размещенных на маленькой кремниевой пластинке. Их число достигает нескольких миллионов. Чем больше компонентов содержит микропроцессор, тем выше производительность компьютера. Микропроцессор штырьками вставляется в специальное гнездо на системной плате, которое имеет форму квадрата с несколькими рядами отверстий по периметру. Обязательными компонентами микропроцессора являются арифметико-логическое устройство и блок управления. Арифметико-логическое устройство отвечает за выполнение арифметических и логических операций, а устройство управления координирует работу всех компонентов и выполнение процессов, происходящих в компьютере. Характеристиками микропроцессора служат тактовая частота и разрядность. Тактовая частота задает ритм жизни компьютера. Чем выше тактовая частота, тем меньше длительность выполнения одной операции и тем выше производительность компьютера. Производительность компьютера-это количество элементарных операций,выполняемых процессором за одну секунду. Тактовая частота определяет число тактов работы процессора в секунду. Под тактом понимают промежуток времени, в течение которого может быть выполнена элементарная операция. Современный персональный компьютер может выполнять миллионы элементарных операций в секунду. Тактовую частоту можно измерить иопределить ее значение. Для этого используется единица измерения частоты-мегагерц(МГц)-миллион тактов в секунду. Разрядность процессора определяет размер машинного слова, обрабатываемого компьютером. Машинное слово-число бит, к которым процессор имеет одновременный доступ. С увеличением размера слова увеличивается объем информации, обрабатываемой процессором за один такт, что ведет к уменьшению количества тактов, необходимых для выполнения сложных операций. Чем больше размер слова, тем с большим объемом памяти может работать компьютер. Внутренняя(оперативная) память реализуется с помощью набора микросхем, установленнх на материнской плате. Она предназначена для хранения программ и данных, с которыми процессор непосредственно работает.Память компьютера состоит из ячеек, местонахождение которых определяется уникальным адресом. В каждой ячейке хранится машинное слово, соответствующее какому-либо данному или элементу программы. От разрядности машинного слова зависит объем внутренней памяти. Емкость памяти измеряется в килобайтах, мегабайтах и гигабайтах. Кроме временных данных, которые определяются тем, что компьтер делает в настоящий момент, он должен знать и постоянно помнить некоторые стандартные программы и данные. Выключение питания компьютера не должно приводить к потере этой важной информации. Решение проблем хранения различных видов информации и надежного функционирования персонального компьютера привело к использованию оперативной памяти. Оперативная память-электронная память для хранения программ и данных, которые обрабатываются процессором в данный момент времени. В оперативной памяти хранится временная информация, которая изменяется входе выполнения микропроцессором различных операций Оперативная память обеспечивает режимы записи, считывания и хранения информации, причем в любой момент времени возможен доступ к любой произвольно выбранной ячейке памяти. Это свойство отражено в англояычном названии оперативной памяти RAM (Random Access Memory-память с произвольным доступом). При выключении питания компьютера стирается вся находящаяся в оперативной памяти информация. Чтобы сохранить результаты обработки надолго, следует воспользоваться каким-либо внешним запоминающим устройством. Оперативная память характеризуется высоким быстродействием и относительно малым объемом. Для современных компьютеров диапазон емкости памяти составляет 8-256 Мбайт. Микросхемы оперативной памяти монтируются на маленькой плате. Каждая такая плата снабжена контактами, расположенными вдоь нижнего края. С их помощью плата вставляется в специальный разъем на системной плате. Системная плата имеет несколько разъемов для расширения памяти. Устройства ввода информации Компьютер понимает только два уровня сигналов, закодированных цифрами. Все проблемы помогают понять компьютеру устройства ввода. Устройства вывода решают обратную задачу. Результаты обработки данных компьютером устройства вывода преобразуют в форму, понятную человеку. Для подключения устройств ввода или вывода компьютер должен иметь или свободный порт, или свободный слот для платы расширения. Для обеспечения интерфейса компьютера с устройством необходимо не только аппаратное подключение,но и установка специальной программы, называемой драйвером. Драйвер устройства-программа, управляющая работой конкретного устройства ввода-вывода информации. Многообразие периферийных устройств ввода определяется принципом ввода и видом вводимой информации. Устройства ввода можно разделить на два основных класса:с клавиатурным вводом, при котором осуществляется ручной ввод с клавиатуры;с прямым вводом, при котором данные считываются непосредственно компьютерными устройствами. В свою очередь, среди устройств с прямым вводом данных выделяются подклассы устройств: манипуляторы, сенсорные устройства, сканеры, устройства распознавания речи. Рассмотрим основные характеристики этих классов технических средств. Клавиатура Стардантным устройством ввода является клавиатура. Контроль вводимых данных осуществляется на экране монитора. Для работы в режиме национального алфавита необходима специальная прогромма-драйвер клавиатуры. Манипуляторы Манипуляторы осуществляют непосредственный ввод информации, указывая курсором на экране монитора команду или место ввода данных. Манипуляторы, как правило, подключаются к коммуникационному порту. Джоистик Джоистик представляет собой ручку управления и наиболее часто используется в компьютерных играх. Джоистики управляют перемещениями курсора по экрану. Мышь Мышь-наиболее распространенный вид манипулятора. Движение мыши отражается на экране монитора перемещением ее указателя. Качество мыши определяется ее разрешающей способностью, которая измеряется числом точек на дюйм-dpi(dot per inch). Эта характеристика определяет, насколько точно курсор будет передвигаться по экрану. Для мыши среднего класса разрешение составляет 400-800 dpi. Отличительные черты мыши: 1)способ считывания информации: механический, оптический, оптико-механи- -ческий; 2)кол-во кнопок; 3)способ соединения(проводные и беспроводные мыши). Трекбол Трекбол(шаровой манипулятор)-это шар, расположенный на поверхности клавиатуры вместе с кнопками. Перемещение указателя по экрану обеспечивается вращением шара. Сенсорнные устройства ввода Принцип ввода данных в сенсорных устройствах аналогичен принципу ввода в манипуляторах-координаторах. Сенсорнный манипулятор Сенсорнный манипулятор-класс координатных устройств-представляет собой коврик без мыши. Вданном случае управление курсором производится простым движением пальца по коврику. Осуществляется полноэкранное управление курсором и разрешающая способность в 1000 точек на дюйм. Сенсорный экран Сенсорный экран представляет собой поверхность, которая покрыта специальным слоем. Это устройство дает возможность выбирать действие или команду, дотрагиваясь до экрана пальцем.Такими устройствами ввода пользуются в банковских компьютерах, аэропортах, а также в военной сфере ипромышленности. Световое перо Световое перо имеет светочувствительный элемент на своем кончике. Соприкосновение пера с экраном замыкает фотоэлектрическуую цепь и определяет место ввода или коррекции данных. Световое перо используется в различных системах проектирования и дизайна Графический планшет, дигитайзер Графический планшет, дигитайзер, используется для ввода в компьютер чертежей или рисунков. Изображение преобразуется в цифровые данные, отсюда название устройства от английского слова digit, что означает-“цифра”. Условия создания изображения приближены к реальным, достаточно специальным пером или пальцем сделать рисунок на специальной поверхности. Результаты работы дигитайзера воспроизводятся на экране монитора и в случае необходимости могут быть распечатаны на бумаге. Дигитайзерами пользуются архитекторы, дизайнеры. Устройства сканирования Термин “сканирование” происходит от английского слова to scan, что означает “пристально всматриваться”. Изображение преобразуется в цифроввую форму для дальнейшей обработки компьютером или воспроизведение на экране монитора. Cканер Сканер распознает изображение, автоматически создает его электронную копию, которая может быть сохранена в памяти компьютера. Отличительные черты сканеров: 1)глубина распознования цвета: черно-белые, с градацией серого, цветные; 2)оптическое разрешение, измеряющееся в точках на дюйм и определяющее количество точек, которые сканер различает на каждом дюйме; стандартные разрешения-200,300,600,1200 точек на дюйм; 3)программное обеспечение: обучаемые сканеры имеют образцы почерков рукописного текста, интеллектуальные сами обучаются; 4)конструкция: ручные, страничные и планшетные. К важнейшим характеристикам сканера также относятся время сканирования и максимальный размер сканируемого документа. Сканеры находят широкое применение в издательской деятельности, системах проектирования, анимации, а также при создании иллюстративных материалов для презентаций, докладов, рекламы. Устройства распознования символов К устройствам распознования символов относятся, например, терминалы больших универмагов.они оснащены разнообразными устройствами считывания штрихкодов, специальных символов и меток для определения условий приобретения товара. Считанная информация преобразуется, выводится на экран или бумажный чек и по линиям связи передается на главный, более мощный компьютер. Устройства распознавания речи С помощью микрофона речь человека вводится в компьютер и преобразуется в цифровой код. Большинство систем распознования речи могут быть настроены на особенности человеческого голоса. Это реализуется путем сравнения сказанного слова с образцами, записанными в памяти компьютера. Некоторые системы могут определять одинаковые слова, сказанные разными людьми. Системы распознавания речи находят широкое применение в сфере образования. Устройства вывода Устройства вывода преобразуют машинное представление информации в форму, понимаемую человеком. К основным устройствам вывода относятся мониторы, принтеры, плоттеры, а также устройства вывода звуковой информации. Мониторы Монитор, или видеотерминал, предназначен для отображения символьной и графической информации. Большинство мониторов реализовано на базе электронно-луче-вых трубок. Мониторы портативных компьютеров реализуются на основе жидко-кристаллических индикаторов. Основными характеристиками мониторов реализованных на базе электронно-лучевых трубок являются: разрешающая способность экрана, расстояние между точками на экране, величина диагонали экрана. Разрешающая способность экрана Любое изображение на экране представляется набором точек, которые называют пикселями(от английского словосочетания PICture’s ELement-элемент картинки). Число точек по горизонтали и ввертикали экрана определяет разрешающую способность монитора. Стандартный режим работы монитора поддерживает разрешение 800на600, 1024на768 точек.Чем выше разрешающая способность, тем качественнее изображение. Мониторы бывают черно-белые и цветные. Расстояние между точками на экране Расстояние между точками на экране, или величина шага, определяет чекость изображения на мониторе. Эта величина колеблется от 0,22 до 0,43 мм. Чем меньше величина шага, тем качественнее изображение. Величина диагонали экрана Величина диагонали экрана измеряется в дюймах и колеблется в диапазоне от 9″ до 41″. Выбор размера экрана монитора зависит от сферы использования персонального компьютера. Видеокарта Реальные режимы работы монитора зависят от типа видеокарты, которая обеспечивает управление и взаимодействие монитора с персональным компьютером. Видеокарта устанавливается в слот расширения на системной плате компьютера и поставляется с набором программ-драйверов. Монитор, видеокарта и набор программ-драйверов образуют видеосистему. Принтеры Принтер предназначен для вывода данных на бумагу. Формирование изображения осуществляется головкой печатного устройства. По способу формирования изображения на бумаге принтеры делятся на последовательные строчные и страничные. По количеству цветов, используемых при печати, принтеры бывают черно-белые и цветные. По способу печати принтеры бывают ударные и безударные. Важнейшими характеристиками принтеров являются ширина каретки принтера, определяющая максимально возможный формат документа: А4 или А3; скорость печати; разрешающая способность принтера. По способу получения изображения на бумаге, способу нанесения красящего материала принтеры бывают: матричные, струйные, лазерные, термические, литерные. Рассмотрим основные виды принтеров. Матричные принтеры Матричные принтеры относятся к ударным печатающим устройствам. Изображение формируется с помощью иголок, ударяющих по бумаге через красящую ленту. Матричные принтеры бывают 9- 18- и 24- игольчатые. Струйные принтеры Струйные принтеры относятся к безударным устройствам, т. к. головка печатающего устройства не касается бумаги. Для получения изображения используют чернила. Головка принтера представляет собой чернильницу, в которой из дырочек-сопел выбрасываются тонкие струи чернил.количество сопел колеблется от 12 до 64. чем меньше диаметр сопел, тем выше качество печати. Лазерные принтеры Лазерные принтеры для формирования изображения используют лазерный луч. С помощью систем линз тонкий луч лазера формирует скрытое электронное изображение на светочувствительном барабане. К заряженным участкам электронного изображения притягиваются частички порошка-красителя, который затем переносится на бумагу. Плоттеры Плоттеры предназначены для вывода графической информации, создания схем и т. д. Плоттеры используются для производства высококачественной, цветной документации. К основным характеристикам плоттеров относятся скорость вычерчивания, скорость вывода, разрешающая способность. Устройства голосового вывода Устройства голосового вывода синтезируют человеческую речь. Широкое распро-странение находят эти устройства при обучении иностранным языкам. Основные типы носителей информации и их важнейшие характеристики Гибкие магнитные диски Гибкие магнитные дисеи являются наиболее распространенными носителями инфор-мации. Наиболее популярны 3-х дюймовые диски. Диск покрывается сверху специальным магнитным слоем, который обеспечивает хранение данных. Информация записывается с двух сторон диска по дорожкам. Каждая дорожка разделяется на секторы. Плотность записи данных зависит от плотности нанесения дорожек на поверхность. Обычно при покупке на поверхность диска не нанесены дорожки и секторы. В таком случае нужно самостоятельно подготовить диск для записи данных, т. е. отформатировать. Форматирование-процесс разметки диска на дорожки и секторы. Диск вставляют внутрь дисковода и при обращении к нему соответствующей прграммы головка записи\чтения устанавливается на нужное место. Один двигатель дисковода обеспечивает вращение диска внутри защитного конверта. Чем выше скорость вращения, тем быстрее считывается информация. Второй двигатель перемещает головки записи\чтения по поверхности диска и определяет время доступа к информации. Жесткие магнитные диски Жесткие магнитные диски, или винчестеры являются обязательным компонентом персонального компьютера. Жесткий диск – это несколько аллюминиевых пластин покрытых магнитным слоем, который вместе с механизмом считывания и записи заключены в корпус внутри системного блока. Эти диски аналогичны гибким дискам, но имеют некоторые преимущества над последними: объем жестких дисков значитеьно выше и колеблется от нескольких сотен мегабайт до нескольких десятков гигабайт; скорость обмена информацией в 10 раз больше. Лазерные диски Обьем информации, хранящейся на лазерном диске диаметром 120 мм, достигает 650 Мбайт. Обычно крмпьютеры оснащаются дисководами, которые имеют источник слабого лазерного луча, способного только считывать информацию с лазерного диска. Поэтому информацию на лазерном диске невозможно изменить, а можно только считывать. Это свойство определило название лазерного диска как компакт-диск тоько для чтения, что является переводом английского термина Compact Disk Read Only Memory, или сокра-щенно :CD-ROM . Мультимедиа компьютер Мультимедиа компьютер – это компьютер с мощным процессором(Pentium), большой оперативной памятью (более 16 Мбайт) и жестким диском(более 1 Гбайт), имеющий звуковую карту с микрофоном и колонками, CD-дисковод, и к которому подключены сканер и цветной струйный принтер. Мультимедиа компьютер позволяет ра-ботать с мультимедиа технологиями. Термин мультимедиа (от английского слова multimedia), можно перевести как многие среды (от multi -много и media – среда). Мультимедиа технология позволяет интегрировать различные виды представления и обработки информации.