Архитектура персонального компьютера

На уроке рассматривается минимальный состав ПК, а так же виды, назначение, функции и специфика периферийных устройств.

Цели урока:

освоить основные характеристики устройств компьютера;
иметь представление о функциональном назначении периферийного оборудования;

Задачи:

рассмотреть структурную схему компьютера;
определить назначение и характеристики системной шины;
рассмотреть состав системного блока;
объяснить суть принципа программного управления;
рассмотреть назначение и виды портов;
дать представление об открытой архитектуре компьютера и других компонентах.

Ход урока.

Организационный момент.
Приветствие, проверка отсутствующих.

Объяснение нового материала.
На доске тема урока (слайд 1).
Устройство компьютера с точки зрения пользователей — умение обращаться с компьютером как с инструментом для обработки информации. Компьютер должен воспринимать и распознавать вводимую информацию, запоминать ее, совершать над ней различные действия и выводить результаты своей работы, то есть выполнять основные этапы обработки информации: ввод, хранение, преобразование, вывод.

Для решения всех этих задач необходимы технические устройства и программы.

Совокупность технических устройств называют аппаратным обеспечением Аппаратное обеспечение персонального компьютера — система взаимосвязанных технических устройств, выполняющих ввод, хранение, обработку и вывод информации.

Основная компоновка частей компьютера и связь между ними называется архитектурой. При описании архитектуры компьютера определяется состав входящих в него компонент, принципы их взаимодействия, а также их функции и характеристики.

Практически все универсальные ЭВМ отражают классическую неймановскую архитектуру, представленную на схеме. Эта схема во многом характерна как для микро ЭВМ, так и для мини ЭВМ и ЭВМ общего назначения. (слайд 2)

Рассмотрим устройства подробнее.

Любая вычислительная машина имеет в своем составе запоминающее устройство (ЗУ), устройства ввода-вывода (УВВ) и процессор, состоящий из арифметико-логического устройства (АЛУ) и устройства управления (УУ).

Организация вычислительного процесса на ЭВМ включает следующие этапы: (слайд3)

подготовка входной информации; ввод программы;
ввод исходных данных;
выполнение программы;
вывод результатов.

Подготовка входной информации. ЭВМ располагает возможностью ввода программ и исходных данных непосредственно пользователем. Обычно входная информация, написанная от руки на бумаге, переносится на машинный носитель — магнитную ленту, магнитный диск, дискету, оптический диск и др.

Ввод программ и исходных данных. В результате этих двух, обычно последовательно выполняемых, этапов входная информация, записанная на соответствующем носителе, попадает в память ЭВМ. Наиболее распространенными в персональных компьютерах устройствами ввода-вывода являются клавиатура, накопитель на гибких магнитных дисках (НГМД) и устройство чтения информации с компакт-дисков (CD-ROM).

Выполнение программы. Основным ресурсом вычислительного процесса ЭВМ является центральное устройство обработки информации — процессор. Он управляет всеми остальными устройствами и реализует этап выполнения программ. Если остальные устройства (ввода — вывода), как правило, делаются унифицированными, т.е. предназначенными для использования в различных ЭВМ, то процессоры представляют основную отличительную часть ЭВМ. Это значит, что тип ЭВМ определяется типом процессора.

Вывод результата. Результаты выполнения программ (это обычно предусматривается самой же программой) могут быть выведены на экран дисплея, запомнены на магнитном носителе (например, на НГМД) или напечатаны на бумажном носителе с помощью специального устройства печати (принтера). Эти устройства рассматриваются как ресурсы вывода, т.е. последнего этапа вычислительного процесса.
Характеристики процессора: (слайд 4)

быстродействие (производительность, тактовая частота) — количество операций, выполняемых в секунду.
разрядность — максимальное количество разрядов двоичного числа, над которыми одновременно может выполняться машинная операция.

Память — устройство для хранения информации в виде данных и программ. Память делится прежде всего на внутреннюю (расположенную на системной плате) и внешнюю (размещенную на разнообразных внешних носителях информации).

Внутренняя память в свою очередь подразделяется на: (слайд 5)

ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) или ROM (read only memory), которое содержит — постоянную информацию, сохраняемую даже при отключенном питании, которая служит для тестирования памяти и оборудования компьютера, начальной загрузки ПК при включении. Запись на специальную кассету ПЗУ происходит на заводе фирмы-изготовителя ПК и несет черты его индивидуальности. Объем ПЗУ относительно невелик — от 64 до 256 Кб.
ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, ОП — оперативная память) или RAM (random access memory), служит для оперативного хранения программ и данных, сохраняемых только на период работы ПК. Она энергозависима, при отключении питания информация теряется. ОП выделяется особыми функциями и спецификой доступа:

ОП хранит не только данные, но и выполняемую программу;
МП имеет возможность прямого доступа в ОП, минуя систему ввода/вывода.

Внешняя память. Устройства внешней памяти весьма разнообразны. Предлагаемая классификация учитывает тип носителя, т.е. материального объекта, способного хранить информацию.

(Слайд 6) Накопители на магнитной ленте исторически появились раньше, чем накопители на магнитном диске. Бобинные накопители используются в суперЭВМ и mainframe. Ленточные накопители называются стримерами, они предназначены для создания резервных копий программ и документов, представляющих ценность. Запись может производиться на обычную видеокассету или на специальную кассету. Емкость такой кассеты до 1700 Мб, длина ленты 120 м, ширина 3.81 мм (2 — 4 дорожки). Скорость считывания информации-до 100 Кб/сек.

(Слайд 7) Диски относятся к носителям информации с прямым доступом, т.е. ПК может обратиться к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию, непосредственно.

Магнитные диски (МД) — в качестве запоминающей среды используются магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два направления намагниченности. Каждому из этих состояний ставятся в соответствие двоичные цифры — 0 и 1. Информация на МД записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей — дорожек. Каждая дорожка разбита на сектора (1 сектор = 512 б). Обмен между дисками и ОП происходит целым числом секторов. Кластер — минимальная единица размещения информации на диске, он может содержать один и более смежных секторов дорожки. При записи и чтении МД вращается вокруг своей оси, а механизм управления магнитной головкой подводит ее к выбранной для записи или чтения дорожке.

Данные на дисках хранятся в файлах — именованных областях внешней памяти, выделенных для хранения массива данных. Кластеры, выделяемые файлу, могут находиться в любом свободном месте дисковой памяти и необязательно являются смежными. Вся информация о том, где именно записаны кусочки файла, хранится в таблице размещения файлов FAT (file allocation table). Для пакетов МД (это диски, установленные на одной оси) и для двусторонних дисков вводится понятие цилиндр — совокупность дорожек МД, находящихся на одинаковом расстоянии от центра.
На ГМД магнитный слой наносится на гибкую основу. Диаметр ГМД: 5,25″ и 3,5″. Емкость ГМД от 180 Кб до 2,88 Мб. Число дорожек на одной поверхности — 80. Скорость вращения от 3000 до 7200 об/мин.

Каждая новая дискета перед работой должна быть отформатирована, т.е. создана структура записи информации на ее поверхности: разметка дорожек, секторов, записи маркеров, таблицы FAT. Дискеты нужно хранить аккуратно, беречь от пыли, механических повреждений, воздействия магнитных полей, растворителей. Это основной недостаток этого вида накопителей.

НЖМД или «винчестеры» изготовлены из сплавов алюминия или из керамики и покрыты ферролаком, вместе с блоком магнитных головок помещены в герметически закрытый корпус. Емкость накопителей за счет чрезвычайно плотной записи достигает нескольких гигабайт, быстродействие также выше, чем у съемных дисков (за счет увеличения скорости вращения, т.к. диск жестко закреплен на оси вращения). Первая модель появилась на фирме IBM в 1973 г. Она имела емкость 16 Кб и 30 дорожек/30 секторов, что случайно совпало с калибром популярного ружья 30’730″ «винчестер».

(Слайд 8) НОД (накопители на оптических дисках) делятся на:
не перезаписываемые лазерно-оптические диски или компакт-диски (CD-ROM). Поставляются фирмой-изготовителем с уже записанной на них информацией. Запись на них возможна в лабораторных условиях лазерным лучом большой мощности. В оптическом дисководе ПК эта дорожка читается лазерным лучом меньшей мощности. Ввиду чрезвычайно плотной записи CD-ROM имеют емкость до 1,5 Гб, время доступа от 30 до 300 мс, скорость считывания данных от 150 до 1500 Кб/сек;
перезаписываемые CD-диски имеют возможность записывать информацию прямо с ПК, но для этого необходимо специальное устройство.

(Слайд 9) Магнитооптические диски (ZIP) — запись на такой диск производится под высокой температурой намагничиванием активного слоя, а считывание — лучом лазера. Эти диски удобны для хранения информации, но оборудование стоит дорого. Емкость такого диска до 20,8 Мб, время доступа от 15 до 150 мс, скорость считывания информации до 2000 Кб/сек.

(Слайд 10,11) Порты бывают входными и выходными, универсальными (ввод — вывод), они служат для обеспечения обмена информацией ПК с внешними, не очень быстрыми устройствами. Информация, поступающая через порт, направляется в МП, а потом в ОП. Выделяют виды портов:
последовательный — обеспечивает побитный обмен информацией, обычно к такому порту подключают модем;
параллельный — обеспечивает побайтный обмен информацией, к такому порту подключают принтер. Современные ПК обычно оборудованы 1 параллельным и 2 последовательными портами.

(Слайд 12) Видеомониторы — устройства, предназначенные для вывода информации от ПК пользователю. Мониторы бывают монохромные (зеленое или янтарное изображение, большая разрешающая способность) и цветные. Самые качественные RGB-мониторы, обладают высокой разрешающей способностью для графики и цвета. Используется тот же принцип электронной лучевой трубки как у телевизора. В портативных ПК используют электролюминесцентные или жидкокристаллические панели. Мониторы могут работать в текстовом и графическом режимах. В текстовом режиме изображение состоит из знакомест — специальных знаков, хранимых в видеопамяти дисплея, а в графическом изображение состоит из точек определенной яркости и цвета. Основные характеристики видеомониторов — разрешающая способность, число цветов (для цветных).

(Слайд 13) Принтеры — это устройства вывода данных из ЭВМ, преобразовывающие информационные ASCII-коды в соответствующие им графические символы и фиксирующие эти символы на бумаге. Принтеры — наиболее развитая группа внешних устройств, насчитывается более 1000 модификаций.

Принтеры бывают черно-белые или цветные по способу печати они делятся на:

матричные — в этих принтерах изображение формируется из точек ударным способом, игольчатая печатающая головка перемещается в горизонтальном направлении, каждая иголочка управляется электромагнитом и ударяет бумагу через красящую ленту. Количество игл определяет качество печати (от 9 до 24), скорость печати 100-300 символов/сек, разрешающая способность 5 точек на мм;

струйные — в печатающей головке имеются вместо иголок тонкие трубочки — сопла, через которые на бумагу выбрасываются мельчайшие капельки чернил, скорость печати до 500 символов/сек, разрешающая способность — 20 точек на мм;

термографические — матричные принтеры, оснащенные вместо игольчатой печатающей головки головкой с термоматрицей, при печати используется специальная термобумага;

лазерные — используется электрографический способ формирования изображений, лазер служит для создания сверхтонкого светового луча, вычерчивающего на поверхности светочувствительного барабана контуры невидимого точечного электронного изображения. После проявления изображения порошком красителя (тонера), налипающего на разряженные участки, выполняется печать — перенос тонера на бумагу и закрепление изображения на бумаге при помощи высокой температуры. Разрешение у таких принтеров до 50 точек/мм, скорость печати — 1000 символов/сек.

(Слайд 14) Сканеры — устройства ввода в ЭВМ информации непосредственно с бумажного документа. Можно вводить тексты, схемы, рисунки, графики, фотографии и другую информацию. Файл, создаваемый сканером в памяти ЭВМ называется битовой картой. Существует два формата представления графической информации в ЭВМ:
растровый — изображение запоминается в виде мозаичного набора множества точек на экране монитора, редактировать такие изображения с помощью текстовых редакторов нельзя, эти изображения редактируют в Corel Draw, Adobe PhotoShop;
текстовый — информация идентифицируется характеристиками шрифтов, кодами символов, абзацев, стандартные текстовые процессоры предназначены для работы именно с таким представлением информации.

Сканер подключается к параллельному порту. Сканеры бывают:

черно-белые и цветные (число передаваемых цветов от 256 до 65 536);
ручные перемещаются по изображению вручную, за один проход вводится небольшое количество информации (до 105 мм), скорость считывания — 5-50 мм/сек;
планшетные — сканирующая головка перемещается относительно оригинала автоматически, скорость сканирования -2-10 сек на страницу;
роликовые — оригинал автоматически перемещается относительно сканирующей головки;
проекционные — напоминают фотоувеличитель, внизу -сканируемый документ, сверху — сканирующая головка;
штрих-сканеры — устройства для считывания штрих-кодов на товарах в магазинах.

(Слайд 15) Манипуляторы — компьютерные устройства, управляемые руками оператора:
мышь — устройство для определения относительных координат (смещения относительно предыдущего положения или направления) движения руки оператора. Относительные координаты передаются в компьютер и при помощи специальной программы могут вызывать перемещения курсора на экране. Для отслеживания перемещения мыши используются различные виды датчиков. Самый распространенный — механический (шарик, к которому прикасаются несколько валиков), существует еще оптический датчик, обеспечивающий более высокую точность считывания координат;
джойстик — рычажный указатель — устройство для ввода направления движения руки оператора, их чаще используют для игр на компьютере.

(Слайд 16) Клавиатура — устройство для ввода информации в память компьютера. Внутри расположена микросхема, клавиатура связана с системной платой, нажатие любой клавиши продуцирует сигнал (код символа в системе ASCII -16-ричный порядковый номер символа в таблице), в памяти ЭВМ специальная программа по коду восстанавливает внешний вид нажатого символа и передает его изображение на монитор.

Конкретный набор компонент, входящих в данный компьютер, называется его конфигурацией.

Минимальная конфигурация ПК необходимая для его работы включает в себя системный блок (там находятся МП, ОП, ПЗУ, НЖМД, НГМД), клавиатуру (как устройство ввода информации) и монитор (как устройство вывода информации).

Вопросы учеников.
Ответы на вопросы учащихся.
Домашнее задание: подготовить доклады на 2-3 минуты о каждом устройстве компьютера (учащиеся разбиваются на группы).
Итог урока.
Подведение итога урока. Выставление оценок.
На уроке мы узнали, что такое архитектура ЭВМ, выделили основные периферийные устройства.

Презентация к уроку

Архитектура персонального компьютера

предыдущие: