Склад і структура персонального комп’ютера

Персональний комп’ютер (ПК) – це електронний прилад для автоматизації створення, збереження, обробки і передачі інформації. Персональні комп'ютери, робота яких ґрунтується на принципі програмного управління, мають схожу структуру.

Центральний мікропроцесор (процесор) – основа ПК (призначений для обробки інформації та управління роботою усіх пристроїв).

Внутрішня та зовнішня пам’ять -  призначені для збереження команд алгоритму, вхідних даних, кінцевих результатів обробки. Внутрішня пам’ять виконується на електронних мікросхемах і використовується для безпосередньої роботи з процесором, а зовнішня – для довгострокового зберігання, обміну тощо (магнітні та лазерні диски тощо).

Центральний мікропроцесор, внутрішня пам'ять і системна шина конструктивно розташовані в окремому блоці, який називають системним. Пристрої зовнішньої пам'яті звичайно також розміщують у системному блоці, хоч інколи й розміщують в окремих блоках.

Щоб ПК  міг працювати, потрібно, щоб у його оперативній пам’яті (ОП) знаходилась програма чи дані. Попадають вони туди із зовнішніх пристроїв (клавіатури, дисководів)  і результати виконання програм також виводяться на зовнішні пристрої (монітор, принтер, дисководи). Обмін інформацією між ОП і пристроями введення-виведення не проходить безпосередньо - між ОП і пристроями є дві ланки:

1 Для  кожного пристрою в ПК є електронна схема (плата), яка ним керує – контролер (або адаптер).

2 Усі контролери (адаптери) взаємодіють з процесором і ОП через системну магістраль передачі даних – шину (багатожильний кабель, число провідників у якому залежить від розрядності процесора).

Центральний мікропроцесор, внутрішню пам'ять, системну шину та контролери розміщують на одній платі, яку називають материнською. Материнська плата містить декілька роз’ємів (слотів), в які вставляють додаткові плати контролерів (якщо потрібні додаткові пристрої). При вставці в роз’єм материнської плати контролер під’єднується до шини  (шина ISA використовується для під’єднання низькошвидкісних пристроїв, а VESA,

PCI - високошвидкісних).

Системна шина виконує функцію зв'язку між мікропроцесором, внутрішньою пам'яттю, стандартними та периферійними пристроями введення-виведення. У системній шині виділяють:

• адресну шину (зв'язок мікропроцесора з пам'яттю);

• шину даних (зв'язок з пристроями введення-виведення).

Чим більше провідників (доріжок) у шинах, тим до більшої кількості комірок пам’яті процесор може під’єднатись. Комірки процесора називають регістрами. У восьмирозрядні регістри поміщаються 8 бітів (1 байт),  у 16-розрядні – 2 байти. Пару взаємозв’язаних байтів називають словом. У 32-розрядний регістр вміщується 4 байти (подвійне слово). На перших персональних комп'ютерах фірми ІВМ використовувались 8-розрядні системні шини, які працювали з частотою 4,77 МГц. Тактова частота сучасних комп'ютерів з 16- і 32-розрядними системними шинами досягла 1,13 ГГц (Pentium ІII).

Пристрої введення-виведення з точки зору порядку їх використання можна розділити на дві групи: стандартні та нестандартні (периферійні). Стандартні пристрої — це пристрої за замовчуванням, тобто ті, з яких ком-п'ютер чекає введення-виведення, якщо спеціально не обумовлені інші при-строї. Такими пристроями є дисплей та клавіатура.

Дисплей (або монітор) служить для виведення інформації в текстовому чи графічному вигляді, а  клавіатура –для введення символів і команд.

Нестандартні пристрої:

1. Накопичувачі на магнітних та оптичних дисках.

2. Принтери та плоттери ( виведення символьної та графічної інформації).

3. Миша, сканер  (пристрої введення інформації).

4. Модем  (зв'язок комп'ютера з телефонною мережею).

Поняття апаратного та програмного забезпечення ЕОМ

В комп’ютерній системі два учасника – апаратне і програмне забезпечення. Апаратне забезпечення – це обладнання, яке входить до складу комп’ютера (фізичні пристрої, за допомогою яких людина керує програмами і отримує інформацію від комп’ютера – клавіатура, миша, монітор тощо). Програмне забезпечення – це встановлені на комп’ютері програми.
Взаємодія між учасниками комп’ютерної системи називається інтерфейсом. Взаємодія між різними вузлами – це апаратний інтерфейс, між програмами – програмний інтерфейс, а між апаратурою і програмами – апаратно-програмний інтерфейс.
Інтерфейс (тобто взаємодія) забезпечиться, якщо обидва учасника притримуються загального протоколу. Протокол – це правила, яких повинні дотримуватись два комп’ютера при обміні інформацією.
Розглянемо приклад підключення телевізора до розетки. Телевізор буде працювати при умові отримання енергії з електричної мережі, а взаємодіяти з електричною мережею – при умові дотримання певного протоколу підключення:

• вилка телевізора повинна підходити до розетки;

• телевізор повинен бути розрахованим на напругу електромережі.

Телевізор – простий прилад, так як в його протоколі інтерфейсу всього два пункти і обидва відносяться до апаратного інтерфейсу, тобто до фізичного способу підключення. Але і в даному випадку можуть бути проблеми: в Японії телевізор з України працювати не буде, так як там інші розетки і напруга в мережі (тобто інший протокол підключення телевізора).
В комп’ютері апаратний інтерфейс забезпечують виробники обладнання. Вони слідкують, щоб усі вузли  мали однакові роз’єми і працювали з однаковими напругами. Але коли діло доходить до взаємодії між програмами і пристроями чи між різними програмами, то прослідкувати за дотриманням протоколів нікому. Програмісти не знають, яке обладнання стоїть на кожному комп’ютері, а виробники обладнання не знають, з якими програмами йому прийдеться працювати. Узгодженість між програмним та апаратним забезпеченням бере на себе операційна система.

Основні принципи побудови та функціонування ЕОМ

У 1945 р. до роботи над створенням ЕОМ першого покоління ENIAC був залучений знаменитий математик Джон фон Нейман, який сформулював загальні принципи функціонування комп’ютерів. Перш за все, комп’ютер повинен мати наступні пристрої:

• арифметично-логічний пристрій (АЛП: обробка інформації – виконання арифметичних та логічних операцій);

• пристрій управління (організація процесу виконання програм – впорядкованих послідовностей команд);

• запам’ятовуючий пристрій  чи пам’ять (збереження програм і даних);

• зовнішні пристрої (введення-виведення інформації).

Пам’ять комп’ютера повинна складатися з пронумерованих комірок, в кожній з яких можуть знаходитись дані для обробки або інструкції програм. Усі комірки пам’яті повинні бути однаково легко доступні для інших пристроїв комп’ютера.
В загальних рисах роботу комп’ютера можна описати наступним чином.  Спочатку за допомогою зовнішнього пристрою в пам’ять комп’ютера вводиться програма. Пристрій управління зчитує вміст комірки пам’яті, де знаходиться перша інструкція (команда) програми, і організовує її виконання. Ця програма може задавати виконання арифметичних (логічних) операцій, читання з пам’яті даних для виконання арифметичних (логічних) операцій чи запис їх результатів у пам’ять, введення даних із зовнішнього пристрою в пам’ять чи виведення з пам’яті на зовнішній пристрій.
 Як правило, після виконання однієї команди пристрій управління починає виконувати команду з наступної комірки пам’яті. Але цей порядок можна змінити за допомогою команд передачі управління (переходу). Ці команди вказують пристрою управління, що він повинен продовжувати виконання програми, починаючи з команди, яка міститься в іншій комірці пам’яті. Такий “стрибок”, чи перехід, у програмі може виконуватись не завжди, а тільки при виконанні деяких умов (наприклад, якщо деякі числа рівні, або в результаті попередньої операції отримано нуль тощо). Це дозволяє використовувати одні й ті ж послідовності команд у програмі багато разів (тобто організовувати цикли), виконувати різні послідовності команд в залежності від виконаних певних умов тощо, тобто створювати складні програми.
 Таким чином, пристрій управління виконує інструкції програми автоматично, тобто без втручання людини. Він може обмінюватись інформацією з оперативною пам’яттю і зовнішніми пристроями комп’ютера. Так як зовнішні пристрої, як правило, працюють повільніше інших частин комп’ютера, пристрій управління може призупинити виконання програми до завершення операції введення-виведення із зовнішнім пристроєм. Усі результати виконаної програми повинні бути нею виведені на зовнішні пристрої комп’ютера, після чого комп’ютер переходить до очікування сигналів зовнішніх пристроїв.
Після того, як програма буде розміщена в запам'ятовуючому пристрої, вона запускається на виконання. В пристрій управління надходять коди операції (що робити), а в арифметично-логічний пристрій — дані (з чим робити). Пристрій управління утворює сигнали, які надходять на інші пристрої. Останні забезпечують виконання даної операції. Потім із запам'ятовуючого пристрою вибирається інша команда і орга¬нізовується її виконання. Цей процес продовжується до закінчення всієї програми.
 Але схема будови сучасних комп’ютерів відрізняється від вищенаведеної. Зокрема, арифметично-логічний пристрій і пристрій управління об’єднані в один пристрій – центральний процесор. Крім цього,  процес виконання програми може перериватись для виконання невідкладних дій, зв’язаних з сигналами від зовнішніх пристроїв комп’ютера – переривань. Деякі швидкодіючі комп’ютери здійснюють паралельну обробку даних на декількох процесорах. Тим не менше, більшість сучасних комп’ютерів в основних рисах відповідають принципам, викладеним фон Нейманом.

Обробка інформації

Під обробкою інформації в інформатиці розуміють будь-яке перетворення інформації з одного виду в інший (наприклад, заміна однієї букви на іншу, заміна послідовності байтів на символи і навпаки). Під словами “обробка інформації” не розуміється сприйняття інформації чи її осмислення. ЕОМ здатна тільки технічно обробити інформацію. Така обробка визначається людьми на основі певних правил (алгоритмів).

При сучасному стані розвитку технологій в інформатиці надійність збереження електронних копій документів та іншої інформації виросла настільки, що стало доцільним відмовитись від “паперових оригіналів” і перевести їх в електронні копії, так як користуватись такою інформацією набагато зручніше.

Формат інформації, файл

Комп’ютер працює, коли тексти, звуки, рисунки, відеофільми подані у вигляді байтів із значенням від 0 до 255. Але він повинен розрізняти, де текст,  музика чи рисунки. Якби перед групою байтів стояв спеціальний заголовок, до ПК знав би, що ці байти означають. А щоб ПК знав, де закінчуються байти заголовка і починаються байти даних, заголовок і дані повинні мати строго визначений формат. Для різних видів інформації використовують свій формат (якщо це текст, то кожний байт після заголовка визначає символ, а якщо чорно-біла картинка – то яскравість точки).
Крім того, кожна послідовність байтів реєструється, отримує унікальне ім’я і називається файлом. Отже, файл  - це найменша одиниця збереження інформації з унікальним іменем. За іменем файла ПК визначає:

• де він знаходиться;

• яка інформація у ньому міститься;

• в якому форматі вона записана;

• якими програмами її можна опрацювати.

Таким чином, інформація:

•  передається бітами;

• обробляється байтами;

• зберігається файлами.

Зображення та кодування інформації (продовження)

Інформація передається у вигляді сигналів. Вухо людини вловлює звукові сигнали, а око – світлові. Щоб інформацію зберегти, її потрібно закодувати. Інформація зберігається у вигляді кодів – спеціальних символів, які називаються буквами, а система кодування – звичайна абетка. У різних країнах одні й ті ж слова записують іншими буквами – у них своя абетка (тобто інша система кодування). Можна закодувати звуки: мелодію записують за допомогою нот.
У вигляді кодів можна зберігати не тільки текстову та звукову інформацію, а й зображення. Якщо подивитись на рисунок через лупу, то видно, що він складається з точок – це так званий растр. Координати і колір точок запам’ятовуються у вигляді чисел, які зберігаються у пам’яті ПК і передаються на будь-які відстані. По них комп’ютерні програми зображають рисунок на екрані або друкують на принтері.
Отже, для текстової інформації ПК окремо працює з кожною буквою, а для графічної – з кожною її точкою. Але буква – не найменша частинка інформації. Щоб ПК розрізняв букви, їх також потрібно кодувати. В телеграфній абетці букви кодують точками і тире , а в інформатиці – нулями та одиницями. Такий код називають двійковим. По-англійськи binari digit – двійковий знак, а скорочено – bit (біт).
Біт – це найменша одиниця інформації, яка виражає логічне значення Так чи Ні і позначається двійковими числами 1 і 0.
Якщо інформація подана у цифровому вигляді, то ПК перетворює числа, якими вона закодована, в послідовність нулів та одиниць, а далі уже працює з ними. Двійкова система використовується і ПК тому, що електричними сигналами дуже просто позначати двійкові цифри: 0 – немає сигналу,  1 – є сигнал (напруга чи струм).
Будь-яке число записується у вигляді послідовності цифр, наприклад:
у десятковій системі  1986,        125;
у двійковій системі    1001(2) ,    11011(2) ,
де індекс (2) вказує, що число записане у двійковій системі.
Щоб перетворити десяткове число у двійкову форму:
- послідовно ділити  це число націло на 2 до тих пір, доки результат перевищує 1, виписуючи залишок від ділення на кожному кроці:
_89 : 2 =_44 : 2 =_22 : 2 =_11 : 2 =_5 : 2 =_2 : 2 = 1
   88          44          22           10          4           2         _
           1            0            0             1          1           0         1
Якщо зібрати залишки у зворотному порядку: 1011001, то отримаємо двійкове представлення числа 89.
 А як двійкове число записати у десятковій формі? Будь-яке число можна розкласти за степенями основи, наприклад, в десятковій системі
               1      9      8      6      або        1 х 103 = 1000
                                         х      х      х      х                    9 х 102  =  900
                                103   102   101   100                           8 х 101  =    80
                                                                                6 х 100 =   __6
                                                                                               1986
Щоб перетворити двійкове число у десяткову форму:
- подати його порозрядно (позиції нумеруються справа наліво,     починаючи з 0) і   скласти:
  1 0 1 1 0 0 1
  х х х х х х х
  26           25           24           23           22           21           20
                                                                          
                     64  +       0   +      16  +        8   +       0   +      0  +        1  =  89
Отже,   1011001 = 64 + 0 + 16 + 8 + 0 + 0  + 1 = 89
Біт – дуже мала одиниця інформації, тому при двійковому кодуванні кожному символу співставляється код з 8 нулів та одиниць, який називають байтом. Отже байт – це група з восьми бітів.
Так як існує 256 (28 = 256) різних комбінацій з 8 нулів та одиниць, то за допомогою байта можна закодувати, наприклад, весь латинський алфавіт і кирилицю (включаючи великі та малі букви), цифри, розділові знаки та деякі спеціальні символи.
Люди всього світу домовились, яким кодом (від 0 до 255) кодувати кожний символ. Загальну домовленість про однакове використання чого-небудь назвали стандартом. Стандарт встановлює таблицю кодів. У ній записано, яким кодом повинен кодуватися кожний символ. У таблиці кодів перші 128 кодів (від 0 до 127) стандартні та обов’язкові для всіх країн і всіх комп’ютерів, а у другій половині (від 128 до 255) кожна країна створює свій національний стандарт.
Першу (міжнародну) половину таблиці кодів назвали таблицею ASCII (American Standart Code Information Interchange – американський стандартний код з обміну інформацією). У ній перші 32 коди не визначені, а застосовуються для так званих керуючих кодів (віддані виробникам ПК). Перший символ стандарту ASCII – пробіл з кодом 32. Далі йдуть спеціальні символи і розділові знаки, десять цифр, математичні символи, латинські букви. Так, велика латинська буква А має код 65, В – 66 тощо:
А – 65 - 01000001
В – 66 – 01000010
С – 67 – 01000011
D – 68 – 01000100
Z – 90 – 01011010
Але в сучасних умовах, коли постійно виникає необхідність обміну інформацією у всесвітньому масштабі, одного байта недостатньо для кодування всього різноманіття символів алфавітів усіх народів, тому розроблена і готується до впровадження таблиця UNICODE, в якій кожний символ кодується двома байтами (16 біт), що дозволяє кодувати 65546 різних символів.
Хоча найменшою одиницею виміру інформації є біт, для оцінки переданого її об’єму використовують байт та похідні одиниці кілобайт, мегабайт, гігабайт:
1 Кбайт = 210 байт = 1024 байт
1 Мбайт =220 байт = 1024 Кбайт = 1 048 576 байт
1 Гбайт = 230 байт =  1024 Мбайт
Так як один символ кодується одним байтом, то кількість байтів вказує на кількість символів переданої текстової інформації. Тобто, якщо на сторінці тексту розміщується в середньому 2500 знаків (на кодування потрібно 2500 байт), то 1 Мбайт – це приблизно 400 сторінок, а 1 Гбайт – 400 тис. сторінок. Для визначення швидкості передачі інформації використовують одиницю бод = 1 біт/с.

Зображення та кодування інформації

Інформацію класифікують різними способами, і різні науки роблять це по-різному. Наприклад, у філософії розрізняють інформацію об’єктивну та суб’єктивну. Для криміналістики важливо, що інформація буває повною і неповною, істинною і хибною, достовірною і недостовірною. Юристи розглядають інформацію як факти, фізики – як сигнали.
Кожна наука, яка займається питаннями, зв’язаними з інформацією, вводить свою систему класифікації. В інформатиці розглядають аналогову інформацію і цифрову, так як людина завдяки своїм органам почуття має діло з аналоговою, а обчислювальна техніка в основному працює з цифровою інформацією. Ми не знайдемо двох однакових зелених листків на дереві і не почуємо двох абсолютно однакових звуків – це інформація аналогова. Якщо ж різним кольорам дати номери, а різним звукам – ноти, то аналогова інформація перетвориться в цифрову. Різниця між ними: аналогова інформація безперервна, а цифрова – дискретна.
Перетворення інформації з аналогової форми в цифрову називають аналого-цифровим перетворенням. Наприклад, графік безперервної функції
у=х2 виражає аналогову інформацію. Той самий графік після перетворення у цифрову форму має “грубіший” вигляд. Похибка, яка виникає при цьому перетворенні, називається похибкою оцифровки. Перетворення можна зробити точнішим, якщо стовпчики діаграми поставити частіше – тобто зменшити дискретність. Отже, чим менше дискретність, тим ближче цифрова інформація до аналогової і менша похибка оцифровки.
Якщо дискретність зробити дуже маленькою, то точність представлення безперервної аналогової інформації у вигляді послідовності чисел можна зробити дуже високою, але і стовпчиків у діаграмі буде більше. Тому чим ближче цифрова інформація наближається за якістю до аналогової, тим більше обчислень робить ПК, отже, тим більше інформації він зберігає та обробляє.