Технические средства персональных компьютеров презентация

Вопросы для изучения
1.1 Представление информации в ПК
1.2 Структурная схема ПК
1.3 Основные устройства ПК (назнчение и характеристика, принципы организации и функционирования)

История и этапы развития ЭВМ
Первая страница в истории создания вычислительных машин связана с именем французского философа, писателя, математика и физика Блеза Паскаля. В 1641-42 году он сконструировал механический вычислитель, который позволил складывать и вычитать числа.
В 1673 году немецкий ученый Готфрид Лейбниц построил первую счетную машину, способную выполнять все четыре действия арифметики. Она послужила прототипом арифмометров.
В начале 19 века (1823 – 1834) английский математик Чарльз Беббидж сформулировал основные положения, которые должны лежать в основе конструкции вычислительной машины принципиально нового типа.
Только через 100 лет в 40-х годах 20 века удалось создать программируемую счетную машину на основе электромеханического реле. Эти машины не успели даже начать выпускать серийно, как появились первые ЭВМ на основе радиоламп.
Первая ЭВМ "Эниак" была создана в США в 1946 г. В группу создателей входил выдающийся ученый 20 века Джон фон Нейман, который и предложил основные принципы построения ЭВМ: переход к двоичной системе счисления для представления информации и принцип хранимой программы. Программу вычислений предлагалось помещать в запоминающем устройстве ЭВМ, что обеспечивало бы автоматический режим выполнения команд и, как следствие, увеличение быстродействия ЭВМ.
Одновременно над проектами ЭВМ работали в Англии и России, где первая ЭВМ, получившая название МЭСМ (малая электронная счетная машина) была разработана в 1950 году, а первая большая ЭВМ - БЭСМ в 1952г. С этого момента началось бурное развитие вычислительной техники. Можно выделить пять этапов в развитии электронных вычислительных машин.

Проект машины содержал все основные устройства вычислительных машин: память, арифметическое устройство, устройство управления, устройства ввода-вывода.
Вычислительные программы для этой машины были созданы Адой Лавлейс, которая по праву считается первой программисткой.
Через 100 лет в 40-х годах 20 века удалось создать программируемую счетную машину на основе электромеханического реле. Эти машины не успели даже начать выпускать серийно, как появились первые ЭВМ на основе радиоламп.
В вычислительных машинах первого поколения основными элементами были электронные лампы. Эти машины занимали громадные залы, весили сотни тонн и расходовали сотни киловатт электроэнергии. Их быстродействие и надежность были низкими, а стоимость достигала 500-700 тысяч долларов.

Появление более мощных и дешевых ЭВМ второго поколения стало возможным благодаря изобретению в 1948 году полупроводниковых устройств- транзисторов. Главный недостаток машин первого и второго поколений заключался в том, что они собирались из большого числа компонент, соединяемых между собой.
В ЭВМ третьего поколения (с середины 60-х годов ХХ века) стали использоваться интегральные микросхемы (чипы)- устройства, содержащие в себе тысячи транзисторов и других элементов, но изготовляемые как единое целое, без сварных или паяных соединений этих элементов между собой. Это привело не только к резкому увеличению надежности ЭВМ, но и к сниижению размеров, энергопотребления и стоимости (до 50 тысяч долларов).
История ЭВМ четвертого поколения началась в 1970 году, когда ранее никому не известная американская фирма INTEL создала большую интегральную схему (БИС), содержащую в себе практически всю основную электронику компьютера. Цена одной такой схемы (микропроцессора) составляла всего несколько десятков долларов, что в итоге и привело к снижению цен на ЭВМ до уровня доступных широкому кругу пользователей.

Если рассматривать историю вычислительной техники с точки зрения развития информационной технологии, то в ней можно выделить три этапа, кратко характеризуемые следующим образом.
Первый этап (50—60-е гг.) — экономия машинных ресурсов. Машин мало, нерешенных задач счетного характера множество. Чтобы ускорить процесс кодирования (подготовки задач к решению), были созданы алгоритмические языки Алгол, Фортран и др.
Второй этап (середина 60-х — начало 80-х гг.) — экономия человеческих ресурсов. Успехи развития микроэлектроники привели к быстрому снижению удельной стоимости машинной операции и единицы объема оперативной памяти, тогда как расходы на разработку и сопровождение программ не снижались, а в ряде случаев имели тенденцию к росту.
Третий этап (от начала 80-х гг. до настоящего времени) — формализация знаний. До середины 70-х гг. с ЭВМ работали в среднем один или несколько профессиональных программистов, задачей которых было программирование формализованных знаний.

1.1 Представление информации в ПК
Для того, чтобы использовать ЭВМ для обработки данных, необходимо располагать некоторым способом представления данных.
Способ представления данных будет зависеть от того, для кого эти данные предназначены:
- для человека (внешнее представление);
- для ЭВМ (внутреннее представление).

Во внутреннем представлении данные могут быть описаны в:
- в аналоговой (непрерывной);
- цифровой (дискретной) формах.
В соответствии с этим различают аналоговые и цифровые ЭВМ.
Практически все используемые ЭВМ в настоящее время являются цифровыми.
Таким образом, любые данные в современных ЭВМ представляются в виде целых чисел.

Любые аналоговые (непрерывные) информационные сигналы должны быть последовательно подвергнуты трем действиям
1 Дискретизация – это процесс разбиения сигнала на отдельные составляющие, взятые в определенные тактовые моменты времени t0, t1, t2 … и через четко определенные тактовые интервалы времени Т.
2 Квантование – замена отдельных составляющих исходного дискретного значения сигнала ближайшим уровнем квантования, сдвинутых друг относительно друга на промежуток, называемый шагом квантования:
3 Кодирование – перевод значения уровня квантования в конкретный двоичный код

Во внешнем представлении все данные хранятся в виде файлов. Во многих случаях требуется ещё более высокий уровень организации данных на внешнем уровне, тогда данные группируются в базы данных.
Рисунок 1.3 - Уровни представления данных

Процедуры обработки данных также представляются на внешнем и внутреннем уровне. На внутреннем уровне каждая такая процедура представляет собой последовательность логических операций с целыми числами, и называется программой.
Рисунок 1.4 - Уровни обработки данных

Минимальной единицей информации считается бит.
Бит - это величина, принимающая значение 0 или 1. Любая другая информация может быть закодирована последовательностью из нулей и единиц. Именно в таком виде вся информация представляется в памяти ЭВМ.
Единицей памяти в современных ЭВМ считается байт.
Байты - это 8-разрядные двоичные числа вида - 00000000, 00000001, ..., 11111111. Один байт записывается в виде 8 двоичных знаков инфор­мации - нулей и единиц:
1 байт = 8 бит.

Для измерения памяти большого объема используются следую­щие единицы:
1 Кбайт = 1024 байт (1 килобайт);
1 Мбайт = 1024 Кбайт (1 мегабайт);
1 Гбайт = 1024 Мбайт (1 гигабайт);
1 Тбайт = 1024 Гбайт (1 терабайт).

1.2 Структурная схема ПК
Классическая архитектура ЭВМ и принципы фон Неймана
Архитектура ЭВМ - общий принцип построения и организации работы, включая определение функционального состава основных узлов и блоков, а также структуры управляющих и информационных связей между ними, обеспечивающих реализацию заданных целей и характеристик.
В группу создателей первая ЭВМ "Эниак" ( США в 1946 г.) входил выдающийся ученый 20 века Джон фон Нейман, который предложил основные принципы построения ЭВМ:
- переход к двоичной системе счисления для представления информации;
- принцип хранимой программы.

Фон Нейман выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, предложил ее структуру (рисунок 2.1):
устройство управления;
арифметико-логическое устройство (процессор);
память;
внешняя память;
устройства ввода и вывода.
Сплошные линии со стрелками на рисунке указывают направление потоков информации, пунктирные – управляющих сигналов от процессора к остальными узлам ЭВМ

Рисунок 2.1– Архитектура ЭВМ Фон Неймана

Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название “фон-неймановской архитектуры”.
Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день – фон-неймановские машины.
Значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.

1.3 Основные устройства ПК
Конфигурация ЭВМ - особенности ее конструкции, включая архитектуру, состав и характеристики основных ее составных частей и вспомогательных (периферийных) средств, а также организацию связей между ними.
Характер конфигурации ПЭВМ как при их проектировании, так и выборе, определяется составом и сложностью задач, на которые они рассчитаны, включая требования, предъявляемые соответствующими средствами программного обеспечения.

Понятие минимальная (базовая) конфигурация ПЭВМ ( ПК ) - связывается с конкретным типом центрального процессора, стандартными или минимальными для него размерами внутренней и внешней памяти, клавиатурой и монитором.
Понятие базовая конфигурация ПЭВМ ( ПК ) обычно связывается с минимальным набором устройств обеспечивающих работу с ЭВМ.

Базовая конфигурация ЭВМ включает такие аппаратные устройства как:
- системный блок, который включает в себя средства для выполнения команд и обработки данных, накопители для хранения программ и данных и устройства, управляющие другими блоками компьютера.
- дисплей (монитор), предназначенный для вывода визуальной информации.
- клавиатура, позволяющая вводить в компьютер алфавитно-цифровую информацию и специальные символы.
- манипулятор мышь, предназначенный для ввода информации в компьютер при помощи его передвижения по столу и нажатии имеющихся на нем кнопок.

Рисунок 2.2 – Базовая конфигурация ЭВМ

Материнская плата, системные шины.
Системный блок является одной из наиболее важных и дорогих частей компьютера. Он содержит всю необходимую для работы компьютера электронику, устройства хранения данных и блок питания.
Материнская плата
Основой электроники системного блока является материнская плата характеристики и функциональность, которой определяются набором микросхем системной логики – чипсетом. На ней имеются разъемы для установки процессора, оперативной памяти и подключения к ней дополнительных плат, расширяющих возможности компьютера видеокарты, сетевых карт и т.д.

Характеристики материнской платы:
- поколение процессора под который предназначена материнская плата;
- диапазон поддерживаемых тактовых частот системной шины. частота системной шины напрямую связана с частотой и скоростью работы процессора;
- форм-фактор – способ расположения основных микросхем и слотов и тип блока питания at, atx и др;
- базовый набор слотов и разъемов;
- наличие встроенных устройств. на материнской плате присутствуют чипы видео, звуковой, сетевой карт.

PCI – разъем обычно белый, разделенный перемычкой на 2 части. В него может быть установлена видеокарта, звуковая карта, сетевая плата, внутренний модем, специальные карты сканеров и др.(типа PCI).
PCI express – разъем обычно самый короткий или длинный на плате, белый, разделенный перемычкой на 2 части. В него может быть установлена видеокарта (длинный), звуковая карта, сетевая плата, внутренний модем, специальные карты сканеров и др.(короткий).
AGP (Advanced\AcceleratedGraphicPort) – ускоренный графический порт. По существу AGP представляет собой усовершенствованный вариант PCI (как павило коричневого цвета в настоящее время не используется)
Разъемы SATA. Эти разъемы могут быть разных версий – SATA2 и SATA3. SATA2 подходят для подключения жестких дисков и оптических приводов. Для подключения быстрых SSD-дисков желательно, что бы материнская плата имела разъемы SATA3.
Старые материнские платы имели разъем IDE для подключения жестких дисков и оптических приводов.
Слоты для установки модулей памяти (ОЗУ).
В них имеются замки-защелки. Используются слоты 3х видов памяти типа Dimm – DDR, DDR2, DDR3, DDR3) . Количество слотов может быть от 2-4.

Разъемы на задней панели для подключения внешних устройств:
- PS2 – небольшой круглый разъем для мыши и клавиатуры. Зеленый – мышь, сиреневый – клавиатура, либо совмещенный;
- DVI – разъем для подключения монитора в материнских платах со встроенным видео;
- антенные разъемы Wi-Fi – есть только на некоторых платах с Wi-Fi адаптером;
- HDMI – разъем для подключения телевизора в материнских платах со встроенным видео;
- DisplayPort – разъем для подключения некоторых мониторов, не обязателен;
- USB2 (UniversalSerialBus)– разъем для подключения клавиатуры, мышки, принтера и многих других устройств, (или разъемов USB3);

- разъем для подключения сетевого кабеля;
- оптический аудиовыход;
- звуковые выходы/выходы – для подключения аудио колонок микрофона и т. п;
- параллельные порты (LPT) – (розового цвета) – для подключения принтеров и сканеров– устаревший;
- последовательные порты (Com) – (голубого цвета). Для подключения мыши, внешнего модема – устаревший.

Шины
С другими устройствами, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан группами проводников, которые называются шинами.
Основных шин три:
• шина данных,
• адресная шина,
• командная шина.
Адресная шина. Данные, которые передаются по этой шине трактуются как адреса ячеек оперативной памяти. Именно из этой шины процессор считывает адреса команд, которые необходимо выполнить, а также данные, с которыми оперируют команды. В современных процессорах адресная шина 32..64-разрядная.

Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и наоборот. В современных ПК шина данных 64-разрядная. Это означает, что за один такт на обработку поступает сразу 8 байт данных.
Командная шина. По этой шине из оперативной памяти поступают команды, выполняемые процессором. Команды представлены в виде байтов. Простые команды вкладываются в один байт, но есть и такие команды, для которых нужно два, три и больше байта. Большинство современных процессоров имеют 64 -разрядную командную шину..

Назначение и характеристики центрального процессора, ОЗУ, ПЗУ.
Процессор
Одним из самых основных элементов компьютера, является процессор. Процессор получает из оперативной памяти команды, выполняет все предписанные каждой командой действия и затем переходит к выборке следующей команды.
Процессор может выполнять арифметические и логические операции над двоичными числами, а также обмениваться данными с оперативной памятью и внешними устройствами.

Характеристиками процессора является:
- тип установочного разъема (сокет);
- техпроцесс и архитектура ядра;
- энергопотребление;
- тактовая частота;
- частота шины;
- разрядность;
- количество ядер;
- объем внутренней буферной памяти,
- набор поддерживаемых инструкций.

3.2 ОЗУ
Оперативная память устанавливается в разъемы на материнской плате.
Ее также сокращенно называют ОЗУ, от слов Оперативное Запоминающее Устройство, или RAM — от слов RandomAccessMemory, что означает "память с произвольным доступом".
Этот компонент относится к классу энергозависимой памяти (при отключении питания все данные удаляются). В процессе работы ОЗУ выступает в качестве буфера между дисковыми накопителями и процессором, благодаря значительно большей скорости чтения и записи данных.
От объема установленной в компьютере памяти зависит, с каким количеством одновременно запущенных программ можно одновременно работать без существенной потери производительности.

Основные параметры ОЗУ:
- тип;
- обьем;
- тактовая частота ;
- пропускная способность ;
- тайминги ;
- форм-фактор;
- режим работы.

ПЗУ
При включении компьютера должны выполняться одни и те же стандартные операции: тестирование, настройка необходимых параметров используемого в данном компьютере оборудования и загрузка операционной системы.
Эти действия при включении питания всегда выполняет одна и та же, заранее определенная программа, которая находится в ПЗУ.
В современной литературе распространено сокращение ROM (Read Only Memory, что в переводе означает память только для чтения),ПЗУ в рабочем режиме допускает только считывание информации.
Постоянная память или постоянное запоминающее устройство, ПЗУ, располагается на материнской плате.

Основные параметры ОЗУ:
- тип;
- обьем;
- тактовая частота ;
- пропускная способность ;
- тайминги ;
- форм-фактор;
- режим работы.

Внешние запоминающие устройства и их характеристики
HDD
Накопители на жестких дисках (винчестеры). Операционная система и все запускаемые приложения должны быть доступны процессору для их загрузки в оперативную память и последующего выполнения. При этом они должны сохраняться и после выключения компьютера. Наиболее подходящим для этого местом хранения являются носители на жестких магнитных дисках — НЖМД или винчестеры.

Винчестер представляет собой пакет магнитных дисков, который вращается с высокой скоростью, порядка 5—15 тысяч оборотов в минуту.
Над каждой поверхностью каждого диска очень близко планирует магнитная головка, предназначенная для записи и считывания информации.

Основные характеристики жесткого диска (HDD):
- количество данных (емкость), которые можно уместить на HDD сегодняшний день – до 8 Тб (5 000 Гб);
- интерфейс (средство взаимодействия между собой двух устройств: сигналов, линий связи, технических средств – контроллеров и протоколов);
- размер (форм-фактор) –2,5-3,5 дюйма (реже 0,85; 1; 1,3; 1,8).;
- надежность (показатель средней наработки на отказ);
- время доступа (время, за которое запоминающее устройство может выполнить операцию позиционирования считывающей головки записи либо считывания на произвольных участках магнитного диска);
- количества оборотов шпинделя (от параметров скорости его вращения в минуту зависит быстрота передачи информации и среднее количество времени, потраченное на доступ к ней);
- объем буфера обмена (промежуточная память сглаживает неточности в скорости чтения, передачи и записи данных через интерфейс – от 8 до 130 Мб).
- энергопотребление.

Дисководы для оптических дисков.
Первые компакт-диски появились как средство для высококачественного цифрового воспроизведения звука. Для записи и чтения информации с диска применяется оптический способ.
Виды:
CD-ROM - предназначенный только для чтения;
CD-R/RW - записываемые и перезаписываемые компакт-диски (650-800 Мб).
DVD - диски емкость которых составляет около 4.7 Гб применяется три основных формата:
- DVD-R/RW,
- DVD+R/RW
- DVD-Ram.
CD и DVD приводы используют красный и инфракрасный лазеры с длиной волны 650 нм и 780 нм.

Blu-rayDisc (BD):
- BD-ROM для чтения,
- BD-R однократной записи
- BD-RE для многократной записи.
Скорость считывания информации 4.5 Мб/с.
Использован лазерный луч в сине-фиолетовом диапазоне длиной 405 нм.
Емкость -25 Гб.

Основные характеристики оптического привода:
- тип: внутренний или внешний.
- скорость передачи данных (DataTransferRate, DTR), соответственно указывается как двухскоростной, четырех-, тридцати двух- и т.д.;
- объем буферной памяти (BufferMemory). Кэш-память представляет собой микросхемы оперативной памяти, которая располагается на плате накопителя.
- тип интерфейса или шины, к которому подключается;
- среднее время доступа (AccessTime, AT);
- перечень поддерживаемых форматов;
- многослойность, число сторон для записи.

Устройства ввода/вывода данных
Устройства ввода и вывода
Устройства ввода
Устройства связи
Устройства вывода
Мышь
Требкол
Джойстик

Дисплей.
Дисплей (монитор) компьютера предназначен для вывода на экран текстовой и графической информации.
Самым старым типом являются ЭЛТ-мониторы, на электронно-лучевой трубке. Свечение происходит за счет люминофора светящегося под действием электронных лучей.
Вторым видом являются жидкокристаллические мониторы. У таких мониторов меньший объем корпуса, а также ниже уровень энергопотребления.
Дисплеи характеризуются:
- размером экрана;
- разрешением экрана;
- размером минимальной изображаемой точки на экране (пикселя) ;
- частотой обновления экрана;
- типом экрана (элт трубки или матрицы)
- контрастностью, яркостью.

5.2 Клавиатура и мышь
Эти устройства являются переферийными устройствами ввода.
Клавиатура предназначена для ввода в компьютер информации от пользователя.
По интерфейсам подключения различают:
- проводные: ps/2 и usb;
- беспроводные: Bluetooth и собственный радиоканал.
По конструкции:
- мембранные;
- сенсорные;
- механические.
По функциональности и наличию дополнительных клавиш
- обычные;
- мультимедийные;
- игровые;
- дополнительные.

Стандартная клавиатура состоит из клавиш, которые подразделяются на: алфавитные; цифровые; функциональные; управления курсором; специальные клавиши (рисунок 1.3)
Рисунок 5.1 – Клавиатура компьютера

Мышь - координатный манипулятор.
Положению мыши на столе соответствует положение специального указателя на экране называемого курсором.
Перемещения мыши по столу и указателя на экране происходят согласованно и синхронно под управлением специальной программы – драйвера мыши.
Классификация.
По интерфейсам подключения:
- проводные: ps/2, usb, com;
- беспроводные: Bluetooth, собственный радиоканал, ИК.
По конструкции:
- механические;
- оптомеханические;
оптические.
По функциональным особенностям.

Рисунок 5.2 – Развитие координатного манипулятора