Тема 2. Будова комп’ютера та принципи його роботи.

Комп’ютер є універсальною машиною для обробки інформації. Крім безпосередньої обробки, комп’ютер також дозволяє зберігати інформацію і здійснювати обмін інформацією з іншими комп’ютерами.

 

Персональний комп’ютер являє собою набір блоків (пристроїв), які з’єднані між собою кабелями (мал.1). Кількість блоків, що входять до складу комп’ютера може бути різною. Крім того, блоки, що мають однакове призначення, можуть відрізнятись своїми характеристиками. Перелік блоків (в більшості випадків, разом з їх головними характеристиками) називається конфігурацією комп’ютера. Мінімальний набір блоків, що є необхідним для нормальної роботи комп’ютера, називається мінімальною конфігурацією комп’ютера. Мінімальну конфігурацію комп’ютера складають:

системний блок; монітор; клавіатура; миша.

Крім перерахованих пристроїв, до складу комп’ютера можуть входити і інші, додаткові, пристрої (принтер, сканер, модем тощо).

Системний блок.

Системний блок є головним блоком комп’ютера, він, власне, і є комп’ютер. Саме в системному блоці знаходяться основні вузли комп’ютера для обробки та збереження інформації.

Системний блок являє собою прямокутний ящик, в якому знаходяться:

- мікропроцесор;

- системна, або материнська, плата;

- блок живлення;

- накопичувач на гнучких магнітних дисках (один або два) (НГМД, дисковод, FDD);

- накопичувач на жорстких магнітних дисках (НЖМД, вінчестер, HDD);

- адаптери;

- накопичувач на лазерному диску (CD-ROM);

Мікропроцесор.

Основним вузлом комп’ютера є мікропроцесор(мал.2). Призначення мікропроцесора – обробка даних та управління роботою комп’ютера. Мікропроцесор є виконавцем, який здійснює обробку даних у відповідності з алгоритмами, що містяться в програмах. Програма і дані являють собою двійкові послідовності, і згідно принципу Дж. фон Неймана, який ще називають принципом зберігаючої програми, зберігаються в пам’яті комп’ютера. До речі, саме Дж. фон Нейман запропонував використовувати двійкову систему числення для спрощення логічних схем обчислювальної машини.

Схематично роботу мікропроцесора можна уявляти наступним чином: від двійкової послідовності, яка є програмою і знаходиться в оперативній пам’яті (див. нижче), мікропроцесор відриває деяку порцію нулів і одиниць – зчитує команду (інструкцію). В залежності від команди, від двійкової послідовності, яка є послідовністю даних, комп’ютер відриває одну чи декілька порцій даних. Після зчитування даних мікропроцесором, відбувається їх обробка. Суть обробки полягає в заміні деяких нулів на одиниці і навпаки, в залежності від інструкцій, або формування нової послідовності-порції на основі завантажених порцій даних. Так чи інакше, результатом обробки є знову порція нулів і одиниць. Після обробки, дані знову переміщуються в оперативну пам’ять.

Максимально можлива величина порції даних, яку відриває мікропроцесор для обробки, є однією з найголовніших характеристик мікропроцесора і називається розрядністю. Розрядність мікропроцесора – це довжина максимальної порції в бітах. Вона, разом з іншими характеристиками, мікропроцесора визначає його продуктивність. В даний час, найбільш використовуваними є 64-розрядні мікропроцесори.

Іншою важливою характеристикою мікропроцесора є тактова частота. Обробка порцій даних мікропроцесором здійснюється періодично. Швидкість обробки і визначається тактовою частотою. Сучасні мікропроцесори мають тактову частоту 700 Мгц (мегагерц) – 1 Ггц (гігагерц). Це значить, що в одну секунду здійснюється 700 мільйонів – 1 мільярд елементарних тактів роботи мікропроцесора. Але потрібно відмітити, що обробка порції даних займає не один, а десятки тактів. Крім того, різні команди здійснюються за різне число тактів. Тому тактова частота опосередковано характеризує швидкість роботи мікропроцесора, а не безпосередньо.

Управління роботою комп’ютера мікропроцесором полягає в генерації ним управляючих послідовностей (також порціями) на основі програми. Ці управляючі послідовності посилаються не в оперативну пам’ять, а на допоміжні вузли – адаптери. Адаптер являє собою плату, яка служить для управління роботою периферійного пристрою. Адаптери, в залежності від управляючих послідовностей, які виробляє мікропроцесор, виробляють необхідні сигнали для управління пристроями. Так, адаптер, наприклад, вмикає безпосередньо двигун накопичувача на гнучких дисках, але коли його вмикати чи вимикати – це вказує адаптеру мікропроцесор, посилаючи йому команду. Головна мікросхема, що управляє роботою адаптера називається контролером.

Пам’ять.

Пам’ять комп’ютера поділяють на внутрішню і зовнішню. Внутрішня пам’ять розміщується на системній (материнській) платі, а зовнішня – поза нею. До зовнішньої пам’яті відносяться накопичувачі на гнучких, жорстких та оптичних (лазерних) дисках. Цю пам’ять називають ще дисковою (мал.3). Конструктивно вона, як і внутрішня пам’ять, знаходиться в системному блоці.

 

Мал. 3. Дискова пам’ять комп’ютера.

Всяка пам’ять (запам’ятовуючий пристрій) характеризується об’ємом, або розміром. Об’єм пам’яті – це довжина найбільшої двійкової послідовності, яку можна в ній розмістити. Тому одиниці об’єму пам’яті є тими самими, що і одиниці довжини повідомлення (біти, байти, кілобайти і т.д.).

Внутрішня пам’ять поділяється на постійну, оперативну та напівпостійну. В постійній пам’яті (постійний запам’ятовуючий пристрій, ПЗП, ROM – Read Only Memory) інформація зберігається, як видно з її назви, постійно, незважаючи на те, чи ввімкнутий комп’ютер чи ні. Об’єм цієї пам’яті невеликий і вона містить лише найважливіші програми, які забезпечують роботу комп’ютера. Змінити зміст цієї пам’яті ні користувач, ні його програма не можуть. З однієї сторони, це не дозволяє некваліфікованому.

Мал. 4. Мікросхема постійної пам’яті.

користувачу розладнати комп’ютер. З іншої, - при значній реорганізації комп’ютера, може виявитись, що програми в постійній пам’яті застаріли, - ї її потрібно замінити. Постійний запам’ятовуючий пристрій являє собою мікросхему (мал.4).

Оперативна пам’ять (ОП, RAM – Random Access Memory) являє собою декілька мікросхем, в яких інформація зберігається лише під час сеансу роботи. Як тільки комп’ютер вимикають, вся інформація з оперативної пам’яті зникає. Об’єм оперативної пам’яті є значним і на сучасних комп’ютерах, в середньому, складає 128 Мбайт. В оперативну пам’ять можна записувати інформацію і зчитувати. Призначення оперативної пам’яті ­­– зберігати дані, які обробляються в даний час мікропроцесором, а також програму, що керує обробкою. Пам’ять складається з однакових комірок. Розмір кожної комірки – 1 байт. Кожна комірка має свій номер (адресу). Щоби зчитати чи записати інформацію (яка являє собою послідовність з 8-ми нулів і одиниць) в комірку, мікропроцесор (або інші пристрої) "називає" спочатку адресу комірки, а потім записує або зчитує з неї інформацію.

Дані і програми зберігаються в зовнішній пам’яті (на магнітних та лазерних дисках). Для виконання програм та обробки даних, вони зчитуюються в оперативну пам’ять, з якої вони поступають на мікропроцесор і обробляються. Необхідність такої поетапної обробки

Дані, програма ® Оперативна пам’ять « Мікропроцесор

обумовлена тим, що зчитування з диска і запис на диск є повільними процесами порівняно з перенесенням даних між оперативною пам’яттю і мікропроцесором, оскільки пошук інформації на диску здійснюється за допомогою механічних пристроїв. Тому, обмін даними між мікропроцесором і диском безпосередньо дуже сильно сповільнив би роботу комп’ютера – мікропроцесору для зчитування кожної порції даних (16 - 64 біти) і відправки їх назад потрібно було би звертатись до диска. Можна навести таку транспортну аналогію: можна возити по 20 чоловік окремим потягом з Хмельницького до Києва на 30-хвилинну екскурсію по місту. А можна привести зразу 400, і розбити їх на групи по 20 чоловік вже в Києві. Зрозуміло, що в першому випадку витрати часу (і не тільки) незрівнянно більші ніж в другому.

Напівпостійна пам’ять (CMOS). В процесі експлуатації комп’ютера, доводиться замінювати окремі вузли. Параметри їх, як правило, будуть відрізнятись від тих, що були встановлені раніше. Це пов’язано з тим, що фірми, які випускають комплектуючі, дуже швидко переходять на випуск нових, більш досконалих, виробів. Тому для збереження їх параметрів (тривалий час) потрібно мати пам’ять, яка з однієї сторони, була би не такою відкритою для запису і зміни інформації в ній, як оперативна, і в той же час, дозволяла, в разі потреби, такі зміни робити. Для цієї мети і використовується напівпостійна пам’ять. Напівпостійна пам’ять живиться від акумулятора, який знаходиться на системній платі. Розмір її, як і в постійної пам’яті, невеликий.

Шина.

Шина – це група електричних провідників, що знаходяться на системній платі для передачі даних та управляючих сигналів між мікропроцесором, оперативною пам’яттю та адаптерами. До шини відносять, крім провідників, ще і електронні компоненти, які забезпечують обмін даними. Провідники шини поділяють на групи в залежності від їх призначення, які в свою чергу, також називають шинами. Так, група провідників, по яких передаються дані, називаються шиною даних. Група провідників, які забезпечують знаходження потрібної комірки в оперативній пам’яті або потрібного вузла (пристрою) для обміну з ним даними, називається шиною адреси. Між оперативною пам’яттю і іншими вузлами та мікропроцесором обмін даними здійснюється за допомогою шини даних. Куди пересилати дані – в оперативну пам’ять чи на адаптер пристрою, – регулюється за допомогою управляючої шини.

Мал. 5. Слоти розширення.

Головними характеристиками шини є частота роботи ї розрядність. Частота роботи характеризує, скільки разів в секунду здійснюється перенесення по шині. Частота сучасних шин складає 133 Мгц. Розрядність характеризує, скільки біт інформації переноситься по шині за один такт її роботи. Розрядність сучасних шин відповідає розрядності процесорів і складає 64 біти.

На шині розміщуються слоти розширення (мал.5). Їх призначення – встановлення в них плат адаптерів (плат розширення).

Системна плата.

Системна, або материнська, плата (MotherBoard) є тією основою, до якої приєднані всі основні компоненти системного блоку: мікропроцесор, внутрішня пам’ять, шина зі слотами розширення. Загальний вигляд материнської плати приведено на мал.6.

 

Мал. 6. Системна плата.

Накопичувач на гнучких магнітних дисках.

Накопичувач на гнучких магнітних дисках (дискетах) є пристрій, який призначений для зчитування і запису інформації на дискети (мал.7). В даний час використовується лише один вид дискет розміром 3,5 дюйма, ємність яких дорівнює 1440 Кбайт, останню часто позначають як 1,44 Мбт, що звичайно невірно, але широко розповсюджено.

Дискета являє собою пластмасовий конверт, всередині якого знаходиться диск із спеціальним магнітним покриттям. Диск має змогу обертатись всередині конверту. Для

Інформація на дискеті розміщується по концентричних колах, які називаються доріжками (мал.8). Доріжки розташовані з двох сторін диска. На кожній стороні є по 80 доріжок. Сукупність Мал.7. Накопичувач на гнучких магнітних дисках.

доріжок, які знаходяться одна під другою, називається циліндром. Таким чином, на дискеті циліндр має дві доріжки. Кожна доріжка поділяється в свою чергу на рівні частини - сектори. Одна доріжка має 18 секторів. В цілому ж, кількість секторів на стандартній дискеті дорівнює 2·80·18 = 2880. Ємність одного сектора складає 512 байт, або ½ Кбайт. Звідси сумарна ємність дискети складає 2880 · ½ = 1440 Кбайт.

Перед використанням нова дискета повинна бути відформатована (розмічена). Це робиться за допомогою спеціальної програми. Суть форматування полягає у розбивці її на доріжки і сектори.

Мал.8. Розміщення інформації

на дискеті.

Інформацію на дискеті можна захистити від необережного видалення чи зміни. На конверті дискети є перемикач, за допомогою якого можна встановити режим заборони зміни інформації на дискеті (мал.9).

Зчитування/запис інформації на дискету здійснюється за допомогою спеціальної магнітної головки (як і в магнітофоні). Головка може переміщуватись в радіальному напрямку вздовж поверхні диску, за рахунок чого вона встановлюється на потрібну доріжку. Під час процесу зчитування/запису диск обертається, що дозволяє здійснити запис/зчитування потрібного сектора. Двигун електроприводу обертає диск дискети лише під час зчитування або запису, - в інший час він вимкнутий.

При записі, в залежності від того, записується 0 чи 1, створюється магнітне поле, з вектором індукції, напрямленим в ту чи іншу сторону. За допомогою магнітного поля намагнічуються

Мал.9. Захист дискети від частинки феромагнітного покриття поверхні диска дискети. Нап-

 запису рямки їх векторів намагнічення відповідають напрямкам вектора магнітної індукції. По-простому, частинки покриття диску перетворюються в маленькі магнітики. Намагнічення зберігається тривалий час, що забезпечує збереження інформації.

В процесі зчитування, намагнічені ділянки диску проносячись під головкою, створюють в ній електрорушійну силу (напругу) у відповідності з їх намагніченістю.

При форматуванні дискети, крім розмітки її на доріжки і сектори, створюється логічна структура диску. Всі сектори дискети нумеруються і діляться на чотири групи (мал.10).

Першу групу складає лише один перший сектор, який називається завантажувальним сектором. В цьому секторі записується програма, призначення якої – завантаження операційної системи, якщо остання присутня на даному диску. Диск, який містить головні компоненти операційної системи, називається системним диском.

Друга група секторів відводиться під таблицю розміщення файлів (FAT – File Allocation Table). Файл - порція логічно зв’язаної інформації, що записана на магнітний диск і якій присвоєно ім’я. В більшості випадків файл займає більше ніж один сектор – ланцюжок секторів. Щоби зчитати дані, що відносяться до деякого файла, потрібно зчитати їх з відповідних секторів, причому в правильній послідовності.

Мал.10. Логічна структура диску. Такі послідовності номерів секторів для кожного файла і записується в FAT. Іншими словами, FAT являє собою мініатюрну карту диску, на якій помічаються зайняті сектори і їх взаємозв’язок.

Третя група секторів відводиться під кореневий каталог. В кореневому каталозі зберігаються імена записаних на диск файлів, дати і час їх створення, а також номери першого сектора кожного з цих файлів. Всі інші сектори, в яких розміщено файл, комп’ютер визначає за допомогою FAT.

Четверта, найчисленніша група складає область даних. В цих секторах записуються файли користувача.

Всі дискові пристрої комп’ютера мають імена. Накопичувач на гнучких магнітних дисках має ім’я А:, якщо він один. Якщо накопичувачів на гнучких магнітних дисках два, то їх іменами є А:, В:.

Накопичувач на жорстких магнітних дисках (вінчестер).

Накопичувач на жорстких магнітних дисках (мал.11, мал.12) призначений для довготривалого зберігання інформації. Це є пристрій з незмінним носієм. На жорсткому диску зберігають програми, якими повсякчас користуються. Результати роботи програм (дані), як правило, зберігають додатково на СD-ROM або на дискетах. Це гарантує, в разі відмови вінчестера, збереження даних. Ємність сучасних вінчестерів становить 20-40 Гбайт.

Мал.11. Вінчестер разом зі шлейфом.

 

Мал.12. Вінчестер зі знятою верхньою кришкою.

Накопичувач на жорстких магнітних дисках являє собою декілька магнітних дисків, які закріплені на одній осі. (мал.13).

Хоча конструктивна схема вінчестера схожа зі схемою накопичувача на гнучких магнітних дисках, але її реалізація істотно інша. Кожну поверхню пластини обслуговує окрема магнітна головка. Пакет дисків обертається безперервно з великою швидкістю, поки комп’ютер ввімкнений. Кожна головка плаває над поверхнею диска на відстані декількох десятих мікрона. Весь механізм закрито герметичним корпусом, оскільки проникнення в корпус найменших пилинок вивело би його з ладу.

Фізичний диск часто поділяють на частини – логічні диски. Це значить, що частини циліндрів диска розглядають як окремі дискові пристрої. Причин такого поділу може бути декілька.

Мал.13. Схема розміщення дисків і магнітних головок в вінчестері.

По-перше, простір диска ділять, коли комп’ютером користується декілька користувачів, з метою розділити їх програми і дані.

По-друге, розбиття диска на менші частини дозволяє більш економно використовувати його робочу поверхню. Справа в тім, що при записі ведеться облік не секторів, а кластерів, - груп з декількох секторів. Якщо файл має малий розмір, наприклад, займає один сектор, а кластер складається з 8-и секторів, то решта 7 секторів кластера вже не можна буде використати, ­– кластер вважатиметься зайнятим. Кількість секторів у кластері залежить від ємності диска – в малого диска кількість секторів у кластері менша.

По-третє, часто на диск встановлюють декілька операційних систем. В цьому випадку для кожної операційної системи необхідно відвести свою частину дискового простору.

В зв’язку з такою організацією жорсткого диска, на ньому знаходиться таблиця розділів, в якій записується, скільки циліндрів відводиться під кожний логічний диск. Логічні диски мають імена починаючи з літери С – C:, D: і т.д. Розподіл циліндрів по логічних дисках зображено на мал. 14. Жовта дуга зображає таблицю розділів. Всякий логічний диск має таку саму структуру, як і дискета, тобто має таблицю розміщення файлів, кореневий каталог і т.д.

Мал.14. Розбиття фізичного диска на логічні.

Накопичувач на лазерних дисках.

Накопичувач на лазерних дисках (CD-ROM) є пристроєм для зчитування інформації з лазерних (оптичних) дисків в комп’ютер (мал.11[VV1] ). Саме за допомогою лазерних дисків розповсюджуються сучасні програми, бази даних, енциклопедії і т.п. Стандартний диск має об’єм 650 Мбайт, що еквівалентно сумарному об’єму 460 дискет.

Мал. 11. СD-ROM.

Основою оптичного диску є алюмінієвий світловідбиваючий шар, який оточений з двох сторін захисним полімерним покриттям. Інформація на оптичному диску записується вздовж єдиної спіральної доріжки, яка ділиться на сектори однакової довжини. Інформація (в двійковому вигляді) кодується за допомогою заглиблень в алюмінієвому шарі. Промінь лазера пробігаючи по поверхні диска, відбивається від неї і, в залежності від того, чи він відбивається від рівної поверхні, чи від границь між заглибленнями і поверхнею має різну інтенсивність. Рівні ділянки заглиблень і поверхні алюмінієвого шару дають високу інтенсивність відбитого променя, що відповідає 0, а границі між заглибленням і поверхнею дають низьку інтенсивність, що відповідає 1.

В останній час, комп’ютери обладнуються замість CD-ROM пристроями для запису на оптичні диски – CD-WRITER-ами, в зв’язку з їх здешевленням. За допомогою цих пристроїв можна не тільки здійснювати запис на спеціальні заготовки, але й зчитувати інформацію, як на звичайному CD-ROM. За зовнішнім виглядом CD-WRITER не відрізняється від CD-ROM.

Заготовки для запису бувають двох типів: CD-R і CD-RW. На заготовки типу CD-R можна здійснити запис тільки один раз, в той час, як заготовки типу CD-RW можна багаторазово перезаписувати.

CD-ROM, як і інші дискові пристрої, має ім’я. Як правило, ним є літера (з двокрапкою), яка слідує за літерою імені останнього розділу жорсткого диска. Так, наприклад, якщо останній логічний диск має ім’я Е:, то CD-ROM буде мати ім’я F:.

Відеоадаптер.

Відеоадаптер, або відеокарта, призначений для управління виводом зображення на екран. Відеоадаптер вставляється в слот розширення на системній платі. На відеоадаптері знаходиться гніздо для під’єднання монітора (мал.15).

Для того, щоби зображення не зникало з екрана монітора, його потрібно постійно оновлювати, а отже десь зберігати. Для цього використовується відеопам’ять, яка являє собою або частину оперативної пам’яті (в старих комп’ютерах), або спеціальну мікросхему пам’яті на відеоадаптері. Від відеоадаптера (і звичайно, монітора) залежить якість зображення. Є декілька стандартів на відеоадаптери. Сьогодні використовується лише стандарт SVGA, який дозволяє відображати не менше ніж 800х600 точок на екрані з кількістю кольорів до 16 мпн.

Мал.15. Відеокарта.

Блок живлення.

Блок перетворює змінну напругу електричної мережі (220 В) в постійну (5 і 12 В) і стабілізує останню. Блок має вентилятор для свого охолодження, який, по мірі старіння, стає все більшим і більшим джерелом шуму. Слід відзначити, що вентилятор в блоці живлення призначений для охолодження блоку живлення, а не системного блоку в цілому. Якщо системний блок містить багато плат розширення, то необхідно встановлювати додатковий вентилятор для охолодження системного блоку.

Мал.16. Блок живлення.