Завсегдатаи компьютерных магазинов, постоянные читатели журналов «Chip», «Домашний компьютер» и других журналов и газет, специализирую­щихся на компьютерной тематике, могут этот параграф пропустить. Он для тех, кто мало знаком с компьютерным «железом» и считает, что пора воспол­нить этот пробел в своем образовании.

Компьютер (он же ПК, ЭВМ) – необходимый и основной элемент реали­зации любой компьютерной технологии. Для реализации сетевых технологий требуется иметь несколько компьютеров, объединенных в сеть. Состоит из системного блока, монитора, клавиатуры. При работе с графическими опе­рационными системами необходимым для работы техническим средством ста­новится манипулятор «мышь» . Системный блок компьютера не является единым неделимым устройством. Принцип открытой архитектуры , реализо­ванный в современных ПК, позволяет в процессе сборки компьютера из от­дельных стандартизованных компонентов добиваться желаемых технических характеристик (быстродействия процессора, объема оперативной памяти и же­сткого диска, производительности видеокарты и др.). Таким образом в ПК за­ложена возможность и его дальнейшей модернизации, а также подключения к нему различных периферийных устройств, повышающих его возможности. Набор устройств, подключаемых к компьютеру, зависит от необходимости решать те или иные задачи и может быть самым разнообразным. Основу сис­темного блока составляет материнская (или системная) плата , на которую монтируются процессор , микросхемы памяти, системы управления (кон­троллеры) всеми устройствами ПК. В системный блок в виде отдельных плат могут монтироваться внутренние модемы, TV, ЧМ – тюнеры и другие устрой­ства, традиционно относимые к устройствам периферийным, а также в виде отдельных блоков и устройств дисководы для дискет и компакт дисков, дис­ковые накопители (винчестеры) . Необходимыми компонентами системного блока является блок питания и система вентиляции , состоящая из одного или нескольких вентиляторов.

Мониторы ПК предназначены для визуального отображения результатов работы компьютера. Различают мониторы с электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ) и мониторы с жидкокристаллическими экранами (TFT мониторы). По­следние имеют следующие преимущества по сравнению с мониторами с ЭЛТ:

У них отсутствует вредное для здоровья рентгеновское излучение, а также они не создают электромагнитных полей, мешающих работе электронных приборов.

В них практически полностью используется рабочая поверхность экрана.

Они, как правило, обладают большей контрастностью и светоотда­чей по сравнению с мониторами на ЭЛТ.

Потребляют меньше электроэнергии и отличаются меньшим весом и габаритами.

Работа монитора во многом зависит от производительности видеокарты компьютера и для создания оптимальной системы визуализации важны техни­ческие характеристики обоих устройств. Из основных технических характери­стик мониторов наиболее существенными считаются размер экрана (диагона­ли), разрешающая способность (количество светящихся точек – пикселей, на экране), частота смены кадров .

Внешние запоминающие устройства или устройства для работы со сменными дисками (дискетами), компакт дисками (CD-ROM), оптическими дисками (DVD-ROM), и другими носителями информации предназначены для создания архивов файлов и переноса информации с одного компьютера на другой. Могут использоваться для распространения информации (электронные издания на компакт дисках). В современных условиях являются обязательны­ми элементами «стандартной» комплектации ПК.

Принтеры предназначены для печати документов на бумаге или других материалах (например, пленке). Различают матричные, струйные и лазерные принтеры. Первые позволяют организовать наиболее дешевый процесс печати документов, хотя и с недостаточным во многих случаях качеством. Вторые ис­пользуются для недорогой цветной печати, в том числе и для печати фотогра­фий и графических изображений. Относительно невысокая стоимость делает струйные принтеры основным устройством для печати документов в бытовых условиях. Лазерные принтеры для черно-белой печати дороже струйных, но позволяют получать экономию в процессе эксплуатации из-за низкой стоимо­сти расходных материалов (в пересчете на количество печатаемых при одной заправке страниц). Эти принтеры нашли наиболее широкое применение в со­временных офисах. Цветные лазерные принтеры используются в издательст­вах, рекламных агентствах и др. организациях, где значительные начальные вложения в покупку этих дорогостоящих устройств окупаются за счет боль­ших объемов печати цветной графики.

Плоттеры – устройства для широкоформатной печати. Используются при изготовлении плакатов, афиш, чертежей и пр.

Сканеры - устройства для ввода графической информации в компьютер (сканирования документов). Используются для переноса на машинные носите­ли фотоматериалов, полученных традиционными способами, рукописных тек­стов и других документов с бумажных носителей информации.

Микрофоны, наушники, акустические системы – устройства необходи­мые для работы со звуком в мультимедийных программах. Могут использо­ваться для записи и воспроизведения звуковой информации при проведении совещаний, презентаций, просмотре видеоматериалов и пр.

Web-камеры – устройство для записи в память компьютера видеоинфор­мации. Может использоваться при проведении видеоконференций, в видеоте­лефонии, а также при проведении массовых мероприятий.

Цифровые фотокамеры – автономные устройства дли получения фото­изображений на машинных носителях. Использование в цифровых фотокаме­рах форматов отображения графической информации традиционных для ком­пьютерной обработки делают перспективным совместное использование циф­ровых фотокамер и компьютера для создания качественных фотоматериалов.

TV, ЧМ – тюнеры – устройства, позволяющие принимать и воспроизво­дить на устройствах, подключенных к компьютеру программы радио и теле­вещания.

Мультимедийные проекторы – устройства для проецирования на экран видеоинформации, аналогичной информации отображаемой монитором. Нахо­дят широкое применение при проведении презентаций, конференций, собра­ний коллектива организации, в выставочной деятельности и т.п.

Назначение устройств, важных для организации работы в сети: модемов, сетевых карт, концентраторов, маршрутизаторов и мостов уже рассмат­ривалось в разделе, посвященном компьютерным сетям.

Источники бесперебойного питания – устройства позволяющие сохра­нить работоспособность компьютеров при внезапных отключениях электропи­тания. Необходимы для повышения надежности работы как отдельных компь­ютеров, так и компьютерных сетей в целом.

Нельзя объять необъятного. MIDI клавиатуры, джойстики и ряд других устройств остались за рамками нашего рассмотрения. Всем желающим полу­чить больший объем информации по данной теме можно рекомендовать читать уже упомянутые выше журналы и страницы Интернета, отражающие новости компьютерного рынка.

Для обеспечения максимальной производительности и корректной работы используют аппаратные и программные средства, которые очень связаны между собой и четко взаимодействуют в разных направлениях. Сейчас коснемся рассмотрения аппаратных средств, поскольку изначально именно они занимают главенствующее положение в обеспечении работоспособности любой компьютерной или даже мобильной системы.

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.

Базовые элементы компьютера

Описывая аппаратные средства любого компьютера, начать стоит с самого главного элемента - материнской платы, на которой расположены все внутренние элементы. И к ней же за счет применения разного рода разъемов и слотов подключаются внешние устройства.

Сегодня существует достаточно много разновидностей «материнок» и их производителей. Правда, такие платы для стационарных компьютеров и ноутбуков и по форме, и по расположению отдельных элементов могут различаться. Тем не менее суть их применения в компьютерных системах не меняется.

Второй по важности элемент - центральный процессор, который отвечает за быстродействие. Одной из главных характеристик является тактовая частота, выраженная в мега- или гигагерцах, а проще говоря, величина, определяющая, сколько элементарных операций может производить процессор за одну секунду. Нетрудно догадаться, что быстродействие есть не что иное, как отношение количества операций к числу тактов, которое необходимо для выполнения (вычисления) одной элементарной операции.

Аппаратные средства компьютера невозможно себе представить без планок оперативной памяти и жестких дисков, которые относятся к устройствам хранения. О них будет сказано несколько позже.

Программно-аппаратные средства

В современных компьютерах применяются и устройства гибридного типа, такие, например, как ПЗУ или постоянная энергонезависимая память CMOS, которая является основой базовой системы ввода/вывода, называемой BIOS.

Это не только «железный» чип, распложенный на материнской плате. В нем имеется собственная микропрограмма, позволяющая не только хранить неизменяемые данные, но и проводить тестирование внутренних компонентов и в момент включения компьютера. Наверное, многие владельцы стационарных ПК замечали, что в момент включения слышен сигнал системного динамика. Это как раз и свидетельствует о том, что проверка устройств прошла успешно.

Средства ввода информации

Теперь остановимся на устройствах ввода. На данный момент их разновидностей можно насчитать достаточно много, а судя по развитию IT-технологий, вскоре их станет еще больше. Тем не менее базовыми в этом списке принято считать следующие:

• клавиатура;
• мышь (трекпад для ноутбуков);
• джойстик;
• цифровая камера;
• микрофон;
• внешний сканер.

Каждое из этих устройств позволяет ввести разный тип информации. К примеру, с помощью сканера вводится графика, с помощью камеры - видеоизображение, на клавиатуре - текст и т. д. Однако и мышь, и трекпад в дополнение ко всему являются еще и контроллерами (манипуляторами).

Что касается клавиатуры, контролирующие функции в ней используются через кнопки или их сочетания. При этом можно получить и доступ к определенным функциям, параметрам и командам операционных систем или другого программного обеспечения.

Средства вывода информации

Аппаратные средства невозможно представить себе и без устройств вывода. В стандартном списке присутствуют следующие:

• монитор;
• принтер;
• плоттер;
• звуковая и видеосистема;
• мультимедийный проектор.

Здесь основным является компьютерный монитор или экран ноутбука. Понятно ведь, что при современных методах объектно-ориентированного программирования взаимодействие с пользователем осуществляется через графический интерфейс, хотя в равной степени такая ситуация применима и к системам, в которых предполагается ввод команд. В любом случае пользователь должен видеть то, что отображается на экране.

Что же касается остальных элементов, они желательны, хотя и не обязательны (ну разве что графический адаптер, без которого современные системы могут и не работать).

Средства хранения информации

Наконец, один и самых важных классов - устройства хранения информации. Их наличие, будь то внутренние компоненты или внешние носители, просто обязательно. К этому классу относят следующие разновидности:

• жесткий диск (винчестер);
• оперативная память;
• кэш-память;
• внешние накопители (дискеты, USB-устройства).

Иногда сюда включают также систему BIOS с CMOS-памятью, однако, как уже было сказано выше, это скорее гибридные устройства, которые можно отнести в равной степени к разным категориям.

Безусловно, главное место здесь занимают жесткие диски и «оперативка». Жесткий диск - это аппаратное средство информации (вернее, средство ее хранения), ведь на нем она хранится постоянно, а в оперативной памяти - временно (при запуске или функционировании программ, копировании содержимого в и т. д.).

При выключении компьютера оперативная память автоматически очищается, а вот информация с винчестера никуда не девается. В принципе, сейчас с винчестером конкурируют и съемные носители вроде USB-устройств большой емкости, а вот дискеты и оптические диски уходят в небытие хотя бы по причине их малой емкости и возможности физических повреждений.

Устройства связи

Необязательным классом, хотя в современном мире и очень востребованным, можно назвать и устройства, отвечающие за обеспечение связи как между отдельными компьютерными терминалами, связанными напрямую, так и в сетях (или даже на уровне выхода в Интернет). Здесь из основных устройств можно выделить такие:

• сетевые адаптеры;
• маршрутизаторы (модемы, роутеры и т. д.).

Как уже понятно, без них не обойтись при организации сетей (стационарных или виртуальных), при обеспечении доступа во Всемирную паутину. А ведь мало кто сегодня знает, что два компьютера, например, можно соединять посредством кабеля напрямую, как это делалось лет двадцать назад. Конечно, это выглядит несколько непрактично, тем не менее, забывать о такой возможности не стоит, особенно когда нужно копировать большие объемы информации, а подходящего носителя под рукой нет.

Устройства безопасности и защиты данных

Теперь еще об одном типе устройств. Это аппаратные средства защиты, к которым можно отнести, например, «железные» сетевые экраны, называемые еще файрволлами (firewall с английского - «огненная стена»).

Почему-то сегодня большинство юзеров привыкло, что файрволл (он же брэндмауэр) представляет собой исключительно Это не так. При организации сетей с повышенным уровнем безопасности применение таких компонентов не то что желательно, а иногда даже просто необходимо. Согласитесь, ведь программная часть не всегда справляется со своими функциями и может вовремя не отреагировать на вмешательство в работу сети извне, не говоря уже о доступе к хранящейся на жестких дисках компьютеров или серверов.

Взаимодействие программных и аппаратных средств

Итак, аппаратные средства мы вкратце рассмотрели. Теперь несколько слов о том, как они взаимодействуют с программными продуктами.

Согласитесь, у операционных систем, которые и обеспечивают доступ пользователя к вычислительным возможностям ПК, есть свои требования. Современные «операционки» пожирают столько ресурсов, что с устаревшими процессорами, в которых не хватает вычислительной мощности, или при отсутствии необходимого объема оперативной памяти они работать просто не будут. Это, кстати, в равной степени относится и к современным прикладным программам. И, конечно же, это далеко не единственный пример подобного взаимодействия.

Заключение

Напоследок стоит сказать, что аппаратная часть современного компьютера была рассмотрена достаточно кратко, однако сделать выводы о классификации основных элементов системы можно. Кроме того, стоит обратить внимание, что компьютерная техника развивается, а это ведет еще и к тому, что внешних и внутренних устройств разного типа появляется все больше (взять хотя бы виртуальные шлемы). Но что касается базовой конфигурации, в данном случае приведены самые главные компоненты, без которых сегодня невозможно существование ни одной компьютерной системы. Впрочем, здесь по понятным причинам не рассматривались мобильные девайсы, ведь у них устройство несколько отличается от компьютерных терминалов, хотя и имеется довольно много общего.

Архитектура персонального компьютера определяется совокупностью свойств, существенных для пользователя, и включающих в себя структуру компьютера и его функциональные возможности, которые можно разделить на основные и дополнительные. Основные функции определяют назначение ЭВМ, т.е. обработка, хранение информации и обмен информацией с внешними объектами. Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций: обеспечение эффективных режимов работы, диалога с пользователем, высокую надежность и т.п. Названные функции решаются с помощью компонентов архитектуры персонального компьютера - аппаратных и программных средств.

Структура компьютера - некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.

Структура ПК представляет собой центральный системный блок , к которому через разъемы подключаются внешние устройства, клавиатура, позволяющая вводить символы в компьютер, и монитор для изображения текстовой и графической информации.

Системный блок состоит из:

n системной (материнской) платы на которой находится микропроцессор (CISC - с полным набором команд, RISC -с сокращенным набором команд, MISC -с минимальным набором команд, Фирмы Intel, AMD, Cyrix), предназначенный для управления работой всех блоков ПК и для выполнения арифметических и логических операций. Микропроцессоры отличаются друг от друга двумя характеристиками: типом (моделью) и тактовой частотой. Микропроцессор включает в себя:

устройства управления (подает во все блоки управляющие импульсы, получаемые от генератора тактовых импульсов, формирует адреса ячеек памяти);

арифметико-логического устройства, предназначенного для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией;

микропроцессорную память , которая строится на регистрах и обеспечивает высокое быстродействие ПК, интерфейсной системы МП для связи с другими устройствами

математический сопроцессор , предназначенного для ускоренного выполнения операций над числами с плавающей запятой;

n блока питания;

n генератора тактовых импульсов, генерирующего последовательность электрических импульсов, частота которых определяет тактовую частоту ПК. Тактовая частота является одной из основных характеристик ПК, определяет скорость его работы, т.к. каждая операция выполняется за определенное количество тактов. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц) указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет в одну секунду.

n системной шины, обеспечивающей сопряжение всех устройств ПК между собой и осуществляет обмен данных между МП и ОП, между МП и системой ввода-вывода, между ОП и системой ввода-вывода.

n микросхемы оперативной памяти (ОЗУ - RAM - память и ПЗУ - ROM - память, регистровая КЭШ память - сверхоперативная память, являющаяся буфером между ОП и МП.

Структурно ОП состоит из миллионов ячеек памяти емкостью 1 байт каждая. Емкость ОЗУ на 2 порядка превышает емкость ПЗУ.

n адаптеров клавиатуры, НЖМД и НГМД

n источника питания - блок, содержащего системы автономного и сетевого питания

n контроллера прерываний, осуществляющего временный останов работы одной программы в целях оперативного выполнения другой (приоритетной).

n таймера (внутримашинные электронные часы, обеспечивающие автоматический съем машинного времени);

n дисковод гибких дисков

n жесткий диск

n дисковод компакт-дисков CD-ROM

n разъемов для дополнительных устройств

n плат расширения с контроллерами - адаптерами внешних устройств

Внешние (периферийные) устройства:

n Устройства хранения данных

Жёсткие диски НЖМД

Гибкие магнитные диски НГМД

Компакт-диски СD-ROM

Стримеры

ZIP-накопители

Магнитооптические устройства

n Устройства ввода данных

Клавиатура (специальная клавиатура)

Манипуляторы (мышь, трекбол, пенмаус, инфракрасная мышь)

графические планшеты (дигитайзеры)

сканеры (ручные, планшетные, барабанные, сканеры форм, штрих-сканеры)

цифровые фотокамеры

n Устройства вывода данных

принтеры (матричные, лазерные, светодиодные, струйные)

видеомонитор (излучения: мягкое рентгеновское, ультрафиолетовое, радиоизлучение, электростатика; защитные фильтры: сеточные, пленочные, стеклянные)

графопостроитель (плоттеры)

стримеры

n Устройства связи и телекоммуникации

Многие устройства из перечисленных относятся к средствам мультимедиа, представляющими собой комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих общаться с ПК, используя самые разные, естественные для пользователя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и др.

Все устройства, входящие в состав современного компьютера, делятся на два класса - центральные устройства (прежде всего процессор и основная память) ивнешние устройства . Причем внешними устройства называют не по их размещению, а по функциям. Центральные устройства работают с информацией, представленной в специфической форме – в виде двоичных чисел. Основное назначение внешних устройств – организовать связь центральных устройств с окружающим миром, то есть преобразовать информацию из вида, понятного пользователю, во внутримашинное представление и наоборот. Кроме того, внешние устройства применяются для долговременного хранения больших объемов информации, для связи с другими ЭВМ и т.д.

Все внешние устройства можно разделить на четыре группы.

Устройства ввода информации : клавиатура, ручные манипуляторы ("мышь"), сканер, CD ROM и т.д.

Устройства вывода информации : видеосистема, принтер, графопостроитель и т.д.

Устройства хранения информации : внешние запоминающие устройства.

Устройства связи и передачи информации : модемы, сетевые платы (адаптеры) и т.д.

Общую схему вычислительного комплекса на базе персональной ЭВМ можно представить таким образом (рис. 1):

Рис. 1. Общая схема вычислительного комплекса

В России наибольшее распространение получили так называемые IBM-совместимые персональные компьютеры.

1.2. Центральные устройства компьютера

Обычно все центральные устройства размещены на так называемой системной (материнской) плате. Общая структура системной платы представлена на рис. 2. Кратко рассмотрим ее содержимое.

Рис. 2. Структура системной (материнской) платы

Центральный процессор – программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки различной информации, представленной в цифровом виде.

Основными функциями процессора являются:

Управление работой всего вычислительного комплекса.

Выполнение математических и логических действий с данными.

Осуществляя функции управления, процессор обеспечивает должное взаимодействие компонентов компьютерной системы друг с другом. Управление производится с помощью импульсных сигналов, посылаемых управляемым компонентам.

При выполнении вычислений и логических операций процессор настраивается на различные операции и непосредственно выполняет их.

IBM-совместимые компьютеры оснащаются микропроцессорами типа Intel или аналогичными. Современные компьютеры оснащены микропроцессорами модели Pentium.

Самый важный параметр конкретной модели процессора – тактовая частота, которая измеряется в единицах частоты (мегагерцах и гигагерцах). Этот показатель определяет скорость работы процессора и, следовательно, его производительность. Типичные значения тактовой частоты для некоторых процессоров приведены в таблице. Следует сказать, что увеличение порядкового номера процессора свидетельствует о росте его характеристик и, следовательно, об улучшении параметров компьютера в целом.

Основная память – электронное устройство, предназначенное для хранения информации. Основная память состоит из двух частей: оперативной памяти и постоянной памяти. Оперативная память предназначена для хранения информации, необходимой для текущего сеанса работы. Она обеспечивает как чтение, так и запись данных. Эта память являетсяэнергозависимой , т.к. её содержимое разрушается при выключении питания. Постоянная память обеспечивает только чтение данных. Содержимое этой части памяти постоянно и может быть изменено только специальными приёмами. Этоэнергонезависимая память и её содержимое не пропадает при отсутствии питания.

К важнейшим характеристикам памяти относятся её ёмкость (объём) и время доступа. Ё мкость памяти - это количество входящих в неё адресуемых элементов (ячеек). Объём основной памяти компьютера во многом определяется потребностями пользователя и устанавливается, исходя из возможностей пользователя и класса решаемых им задач. Следует отметить, что небольшой объем памяти существенно замедляет прохождение задач, вплоть до полной невозможности их решения. Слишком большой объем памяти иметь нерационально, поскольку это увеличивает цену компьютера. Для большинства персональных компьютеров общего назначения в настоящее время объём памяти лежит в пределах 32 Мб256 Мб.Время доступа определяется как интервал времени между моментом возникновения запроса к памяти (с целью чтения или записи информации) и моментом, когда информация прочитана или записана. Типичное значение этой величины для современных микросхем памяти 4*10 -8 с0,5*10 -8 с.

Контроллеры внешних устройств представляют собой программно- управляемые электронные блоки для согласования (сопряжения) внешних и центральных устройств компьютера между собой. Необходимость использования контроллеров вызывается тем, что внешние устройства обычно нельзя непосредственно подключить к центральным. Одной из причин этого является то обстоятельство, что характер сигналов, вырабатываемых или воспринимаемых процессором, как правило, отличается от сигналов, формируемых или воспринимаемых соответствующим внешним устройством. Контроллер и обеспечивает согласование этих сигналов. Кроме того, поскольку контроллер является программно-управляемым средством, то при наличии соответствующего программного обеспечения один и тот же контроллер может обеспечить подключение к компьютеру разных типов внешних устройств. Использование контроллеров несколько усложняет конструкцию компьютера, но при этом возникает возможность легко наращивать его технические возможности.

Системная магистраль (общая шина) служит для передачи сигналов между элементами системной платы. Контроль занятости магистрали и управление прохождением сигналов по ней осуществляется устройством управления системной магистралью. Оно не разрешает обращение к шине в те моменты, когда она уже занята и «регулирует» движение информации по магистрали.

Порты компьютера служат для подключения внешних устройств к центральному блоку.