Устройство персонального компьютера (Устройство персонального компьютера)

Содержание:

Введение

Персональный компьютер (ПК), цифровой компьютер, предназначенный для использования только одним человеком одновременно. Типичная сборка персонального компьютера состоит из центрального процессора (CPU), который содержит компьютерную арифметическую, логическую и управляющую схемы на интегральной схеме ; два типа компьютерной памяти , основная память, такая как цифровая оперативная память (RAM), и вспомогательная память, такая как магнитные жесткие диски и специальные оптические компакт-диски , или диски только для чтения (ROM) (CD-ROM и DVD-ROM); и различные устройства ввода / вывода , включая экран дисплея, клавиатуру и мышь, модем и принтер.

Компьютеры, которые были небольшими и достаточно дешевыми, чтобы их могли купить отдельные люди для использования в своих домах, впервые стали возможными в 1970-х годах, когда широкомасштабная интеграция позволила построить достаточно мощный микропроцессор на одном полупроводниковом чипе. Небольшая фирма под названием MITS сделала первый персональный компьютер Альтаир . Это компьютер, которым пользовались Микропроцессор Intel 8080 был разработан в 1974 году. Хотя Altair был популярен среди компьютерных любителей, его коммерческая привлекательность была ограничена.

Индустрия персональных компьютеров действительно началась в 1977 году, когда были представлены три предварительно собранных персональных компьютера массового производства: Apple Computer, Inc. (сейчас Apple Inc. )Яблоко II , ТэндиRadio Shack TRS-80, а также Commodore Business Machines Персональные электронные транзакции (ПЭТ). На этих машинах использовались восьмибитные микропроцессоры (которые обрабатывают информацию группами по восемь бит или двоичными цифрами за раз) и обладали довольно ограниченной емкостью памяти, т. Е. Способностью обрабатывать определенное количество данных, хранящихся в памяти. Но поскольку персональные компьютеры были намного дешевле, чем мэйнфреймовые компьютеры (более крупные компьютеры, как правило, развертываемые крупными коммерческими, промышленными и государственными организациями), их можно было купить отдельным лицам, предприятиям малого и среднего бизнеса, а также начальным и средним школам.

Также актуальность выбранной темы можно связать и с тем, что каждый год появляются новые процессоры, платы, накопители и прочие периферийные устройства. Рост потенциальных возможностей персональных компьютеров и появление более новых производительных компонентов неизбежно вызывает желание модернизировать свой компьютер. Современный рынок компьютерной техники столь разнообразен, что довольно непросто определить конфигурацию персонального компьютера с требуемыми характеристиками. Не зная общего устройства и основных принципов работы компьютера, невозможно провести его подключение и модернизацию. Без специальных знаний здесь практически не обойтись.

Целью данной работы является исследование структуры современных персональных компьютеров.

Поставленная цель решается посредством следующих задач:

- рассмотреть термины, входящие в понятие структуры компьютера.

- проанализировать сущность принципов построения компьютера (модульность, магистральность, микропрограммируемость)

- перечислить и охарактеризовать устройства центральной и периферийной части компьютера.

- проанализировать сущность логического устройства компьютеров

Объект исследования – структура персонального компьютера.

Предмет исследования –  персональный компьютер с входящими в него устройствами.
Теоретическую базу составляют материалы учебных пособий и справочников, различных инетернет-ресурсов, содержащих информацию по предметам информатики, компьютерных и информационных технологий, а также страниц преподавателей, учебных заведений, содержащих лекции и учебные пособия в электронном виде.

Глава 1. Понятие и сущность персонального компьютера

1.1 Формы и виды компьютеров

Компьютер (от англ. computer – «вычислитель») – программируемое электронное устройство, предназначенное для обработки и хранения (накопления) информации. По размеру, быстродействия, объему памяти современные компьютеры принято делить на следующие классы[1]:

1) суперкомпьютеры;

2) большие компьютеры;

3) миникомпьютеры (персональные);

4) микрокомпьютеры.

Персональный компьютер (стандартная аббревиатура – «ПК») — компьютер, предназначенный для эксплуатации одним пользователем, то есть для личного использования. К ПК можно отнести также и любой другой компьютер, используемый конкретным человеком в качестве своего личного компьютера. Также персональный компьютер - это настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения. Подавляющее большинство людей используют в качестве ПК настольные и различные переносные компьютеры.

ПК имеют различные формы:

• стационарные ПК, не предназначенные для переноски (настольные, «desktop»; «башенные», «tower»; моноблоки);
• нестандартные конструкции («barebone», промышленнй ПК, тихий ПК, компактный ПК, хакинтош).
• мобильные (переносимые) ПК (ноутбук, планшетный ПК, карманный ПК);

Конфигурацию ПК можно изменять по мере необходимости. Но, существует понятие базовой конфигурации, которую можно считать типичной:

• системный блок;
• монитор;
• клавиатура;
• мышка.

В случае, если ПК выполнен в портативном варианте, системный блок, монитор и клавиатура размещены в одном корпусе: системный блок находится под клавиатурой, а монитор встроен в крышку.

1.2 Состав компьютера

Системный блок - основная составляющая ПК, в которой находятся важнейшие компоненты (внутренние, находящиеся в середине системного блока и внешние или периферийные, подсоединенные извне), которые будут описаны ниже.

По внешнему виду, системные блоки отличаются формой корпуса, который может быть горизонтального (desktop) или вертикального (tower) выполнение. Корпусы вертикального выполнения могут иметь разные размеры: полноразмерный (BigTower), среднеразмерный (MidiTower), малоразмерный (MiniTower). Корпусы горизонтального выполнения бывают двух форматов: узкий (Full-AT) и очень узкий (Baby-AT). Корпусы персональных компьютеров имеют разные конструкторские особенности и дополнительные элементы (элементы блокировки несанкционированного доступа, средства контроля внутренней температуры, шторки от пыли).

Корпусы поставляются вместе с блоком питания, мощность которого является одним из параметров корпуса.

Основные узлы системного блока:

• системная плата;
• блок питания;
• накопитель на жестком магнитном диске;
• накопитель на гибком магнитном диске;
• накопитель на оптическом диске;
• разъемы для дополнительных устройств.

Основной платой ПК является материнская плата (MotherBoard). На ней расположены[2]:

• процессор - основная микросхема, выполняющая математические и логические операции;
• чипсет (микропроцессорный комплект) - набор микросхем, которые руководят работой внутренних устройств ПК и определяют основные функциональные возможности материнской платы;
• шины - набор проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;
• оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) - набор микросхем, предназначенных для временного сохранения данных, пока включен компьютер;
• постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) - микросхема, предназначенная для долговременного хранения данных, даже при отключенном компьютере;
• разъемы для подсоединения дополнительных устройств (слоты).

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

Основу любого компьютера составляют процессор, память, устройства ввода-вывода.

Рассмотрим наиболее распространенную структурную схему, которая лежит в основе наиболее часто встречающихся моделей компьютеров, в частности персональных. Модульность, магистральность, микропрограммируемость, используется при разработке практически любой модели компьютера.

Модульность - это построение компьютера на основе набора модулей. Модуль представляет собой конструктивно и функционально законченный электронный блок в стандартном исполнении. Это означает, что с помощью модуля может быть реализована какая-то функция либо самостоятельно, либо совместно с другими модулями. Также под модулем в общем случае понимают функционально законченный элемент системы, который предполагает возможность без труда заменить его на другой при наличии заданных интерфейсов. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами[4].

Принцип модульности (агрегатирования) состоит в рациональном разделении системы, устройства на совокупность более простых функционально и конструктивно законченных блоков (модулей) с целью совершенствования им технических характеристик, а также обеспечения воспроизводительных способов производства и обслуживания.

Магистральность - это способ связи между различными модулями компьютеров, т.е. все входные и выходные устройства подсоединены одними и теми же проводами, называемыми шинами. Магистраль компьютера состоит из нескольких групп шин, объединенных по функциональному признаку.

Отличительная черта структуры персонального компьютера состоит в наличии системной шины, посредством которой взаимодействуют и обмениваются информацией все его устройства. Именно возможность соединения устройств и плат, непосредственно участвующих в обработке информации (процессор, оперативная память) с остальными устройствами единой магистралью – шиной – реализует принцип, как правило, используемый в современных персональных компьютерах - принцип «открытой архитектуры». Суть этого принципа в возможности постоянного усовершенствования компьютера в целом и его отдельных частей с использованием новых устройств, которые полностью совместимы друг с другом независимо от фирмы-производителя.

Шина – это канал пересылки данных, используемый совместно различными блоками системы. Тип шины является важной характеристикой компьютера, которая наряду с типом основного микропроцессора определяет возможности и диапазон применимости компьютера. Шина входит в состав материнской платы.

Упрощенно системную шину можно представить как совокупность сигнальных линий, объединенных но назначению (данные, адреса, управление). Шинами данных служат провода, по которым передается только информация, шинами адреса-провода, по которым передаются адреса ячеек и участков памяти, шинами управления-провода, по которым передаются управляющие сигналы. Максимальное количество одновременно передаваемой информации называется разрядностью шины. Чем больше разрядность шины, тем больше информации она может передать в единицу времени.

Подключение отдельных модулей компьютера к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, адаптеров, а на программном – обеспечивается драйверами.

Создание современных средств вычислительной техники связано с задачей объединения в единый комплекс различных блоков компьютера, устройств хранения и отображения информации, аппаратуры передачи данных. Эта задача возлагается на интерфейсы.

Термин «интерфейс» обычно трактуется как синоним слова «сопряжения» и понимается как совокупность схемотехнических средств, обеспечивающих непосредственное взаимодействие составных элементов устройства, системы. Нередко это определение используется для обозначения составных компонентов интерфейса. В одних случаях под интерфейсом понимают программные средства, обеспечивающие взаимодействие программ операционной системы, в других – устройства сопряжения, обеспечивающие взаимосвязь между составными функциональными блоками или устройствами системы. В основе построения интерфейсов лежат унификация и стандартизация (использование единых способов кодирования данных, форматов данных, стандартизация соединительных элементов – разъемов и т.д.). Именно совокупность интерфейсов, реализованных в компьютере, образует архитектуру компьютера

Интерфейс – это совокупность аппаратуры сопряжения и программных средств для организации связи устройств компьютера и самих компьютеров. Аппаратуру сопряжения составляют электронные модули и шины предназначенные для выполнения различных функций. Организует работу аппаратуры сопряжения по передаче информации комплекс специальных программ.

Для реализации принципа микропрограммируемости необходимо наличие в компьютере так называемой постоянной памяти, в ячейках которой будут постоянно храниться коды, соответствующие различным комбинациям управляющих сигналов. Каждая такая комбинация позволяет выполнить элементарную операцию, т.е. подключить определенные электрические цепи и схемы[6].

Для того чтобы выполнить элементарную операцию, необходимо задать управляющий сигнал. Как уже было сказано, он хранится в ячейке постоянной памяти, имеющей совершенно определенный, конкретный адрес. Значит, достаточно задать определенную последовательность адресов, чтобы был сформирован набор управляющих сигналов для выполнения элементарных операций. Задает эту последовательность адресов микропрограмма, также хранящаяся в постоянной памяти.

Современный компьютер можно представить в большинстве случаев упрощенной структурной схемой, где выделены центральная и периферийная части. К центральной части относятся процессор и внутренняя память, к периферийной части - устройства ввода-вывода и внешняя память. В основу упрощенной структурной схемы заложены принципы магистральности, модульности, микропрограммирумости.

Начнем с рассмотрения центральной части.

Микропроцессор (МП) (центральный микропроцессор) – это «сердце» компьютера. Это центральный блок ПК, предназначенный для управление работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операции над информацией. Микропроцессор – важнейший элемент компьютера, так как им определяется скорость выполнения машиной программ пользователя. Со времени появления персональных компьютеров (ПК) сменилось несколько поколений процессоров.

Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему – тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных сантиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Микропроцессор установлен на материнской плате и связан с ней интерфейсом процессорного разъема. Процессор имеет специальные ячейки, которые называются регистрами. Именно в регистрах помещаются команды, которые выполняются процессором, а также данные, которыми оперируют команды. Работа процессора состоит в выборе из памяти в определенной последовательности команд и данных и их выполнении. На этом и базируется выполнение программ.

Основными параметрами процессоров являются:

• тактовая частота,
• разрядность,
• рабочее напряжение,
• коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты,
• размер кэш-памяти.

Тактовая частота определяет количество элементарных операций (тактов), выполняемых процессором за единицу времени. Тактовая частота современных процессоров измеряется в МГц (1 Гц соответствует выполнению одной операции за одну секунду, 1 МГц=106 Гц). Чем больше тактовая частота, тем больше команд может выполнить процессор, и тем больше его производительность.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один такт. Разрядность процессора определяется разрядностью командной шины, то есть количеством проводников в шине, по которой передаются команды.

Рабочее напряжение процессора обеспечивается материнской платой, поэтому разным маркам процессоров отвечают разные материнские платы. Снижение рабочего напряжения разрешает уменьшить размеры процессоров, а также уменьшить тепловыделение в процессоре, что разрешает увеличить его производительность без угрозы перегрева.

Коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты - это коэффициент, на который следует умножить тактовую частоту материнской платы, для достижения частоты процессора. Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая из чисто физических причин не может работать на таких высоких частотах, как процессор.

Кэш-память. Обмен данными внутри процессора происходит намного быстрее, чем обмен данными между процессором и оперативной памятью. Поэтому, для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают так называемую сверхоперативную или кэш-память. Когда процессору нужны данные, он сначала обращается к кэш-памяти, и только тогда, когда там отсутствуют нужные данные, происходит обращение к оперативной памяти. Чем больше размер кэш-памяти, тем большая вероятность, что необходимые данные находятся там. Поэтому высокопроизводительные процессоры имеют повышенные объемы кэш-памяти.

В процессе работы процессор обрабатывает данные, находящиеся в его регистрах, оперативной памяти и внешних портах процессора. Часть данных интерпретируется как собственно данные, часть данных - как адресные данные, а часть - как команды. Совокупность разнообразных команд, которые может выполнить процессор над данными, образовывает систему команд процессора. Чем больше набор команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее запись команд в байтах и тем дольше средняя продолжительность выполнения команд.

Глава 2. Устройство персонального компьютера

К 1990 году некоторые персональные компьютеры стали достаточно маленькими, чтобы быть полностью портативными. Они включали в себя портативные компьютеры, также известные как ноутбуки, которые были размером с ноутбук, и менее мощные карманные компьютеры, известные как персональные цифровые помощники (КПК). На верхнем уровне рынка ПК мультимедийные персональные компьютеры оснащены DVD Проигрыватели и цифровые звуковые системы позволяли пользователям обрабатывать анимированные изображения и звук (в дополнение к тексту и неподвижным изображениям), которые хранились на DVD-дисках большой емкости. Персональные компьютеры все больше взаимосвязаны друг с другом и с более крупными компьютерами в сетях с целью сбора, отправки и обмена информацией в электронном виде. Использование персональных компьютеров продолжало увеличиваться по мере того, как машины становились все более мощными, а их прикладное программное обеспечение распространялось.

К 2000 году более 50 процентов всех домашних хозяйств в Соединенных Штатах имели персональный компьютер, и это проникновение резко увеличилось в течение следующих нескольких лет, когда люди в Соединенных Штатах (и во всем мире) приобрели ПК для доступа к миру информации, доступной через Интернет .

В течение 2000-х годов различия между вычислениями и отображением видео между мэйнфреймами и ПК продолжали размываться: ПК с несколькими микропроцессорами стали более распространенными; микропроцессоры, которые содержат более одного «ядра» (CPU), вытеснили одноядерные микрочипы на рынке ПК; и высококачественные карты обработки графических, незаменимые для игры в последние электронные игры , стали стандартными на всех , кроме самых дешевых ПК. Аналогичным образом, скорость процессора, объем и скорость памяти, а также емкость ПК для хранения данных достигли или превысили уровни более ранних суперкомпьютеров .

2.1 Состав микропроцессора

В состав микропроцессора входят:

- устройство управления (УУ): непосредственно выполняет синхронизацию и управление, т.е. подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; опорную последовательность синхронизирующих импульсов устройство управления получает от задающего генератора тактовых импульсов, частота следования которых в основном и определяет быстродействие ПЭВМ.

- арифметико-логическое устройство (АЛУ): предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.

Обычно эти два устройства (АЛУ и УУ) выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.

- микропроцессорная память (МПП): предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно в ближайшие такты работы машины участвующей в вычислениях. МПП используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (оперативное и постоянное запоминающие устройства) не всегда обеспечивают скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для обработки ее в процессоре с высоким быстродействием.

- интерфейсная система микропроцессора включает в себя регистры буфера команд для хранения очередных команд выполняемой программы, аппаратуру для подключения к микропроцессору портов ввода-вывода (ПВВ) внешних устройств и схемы управления шиной - внутримашинным системным интерфейсом.

Через интерфейсную систему, основу которой составляет системная шина персонального компьютера, микропроцессор соединяется с:

а) Основной памятью компьютера:

- оперативное запоминающее устройство (RAM) хранит работающую программу и данные;

Память RAM - это массив кристаллических ячеек, способных сохранять данные. Она используется для оперативного обмена информацией (командами и данными) между процессором, внешней памятью и периферийными системами. Из нее процессор берет программы и данные для обработки, в нее записываются полученные результаты. Название "оперативная" происходит от того, что она работает очень быстро и процессору не нужно ждать при считывании данных из памяти или записи. Однако, данные сохраняются лишь временно при включенном компьютере, иначе они исчезают. По физическому принципу действия различают динамическую память DRAM и статическую память SRAM. Оперативная память в компьютере размещена на стандартных панельках, которые называются модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате.

- постоянное запоминающее устройство (ROM) - хранит информацию, которая необходима для постоянной работы. В момент включения компьютера в его оперативной памяти отсутствуют любые данные, поскольку оперативная память не может сохранять данные при отключенном компьютере. Но процессору необходимы команды, в том числе и сразу после включения. Поэтому процессор обращается по специальному стартовому адресу, который ему всегда известен, за своей первой командой. Этот адрес указывает на память, которую принято называть постоянной памятью ROM или постоянным запоминающим устройством (ПЗУ). Микросхема ПЗУ способна продолжительное время сохранять информацию, даже при отключенном компьютере. Говорят, что программы, которые находятся в ПЗУ, "зашиты" в ней - они записываются туда на этапе изготовления микросхемы. Комплект программ, находящийся в ПЗУ образовывает базовую систему ввода/вывода BIOS (Basic Input Output System).

Основное назначение этих программ состоит в том, чтобы проверить состав и трудоспособность системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жесткими и гибкими дисками.

RAM и ROM разбиты на ячейки, каждой из которых присвоен порядковый номер (адрес).

б) Внешней памятью;

в) С монитором через видеоадаптер.

г) С принтером через адаптер принтера.

д) С источником питания.

ж) С каналом связи через сетевой адаптер.

Сетевой адаптер дает возможность подключить компьютер в локальную сеть. При этом пользователь может получать доступ к данным, находящимся на других компьютерах.

з) С таймером (таймер – внутренние электронные часы, которые подключены к автономному источнику питания (аккумулятору), продолжающий работать даже после отключения машины от питающей сети).

и) Микропроцессор через интерфейс связан с клавиатурой, а также имеет генератор тактовых импульсов, который генерирует последовательность электрических импульсов, а частота этих импульсов определяет тактовую частоту машины (ее быстродействие).

2.2 Периферийная часть

Периферийную часть компьютера образует совокупность внешних запоминающих устройств (ВЗУ) и устройств ввода-вывода информации. Так как существует достаточно много разнообразных периферийных устройств, каждый ПК может быть укомплектован по-разному и иметь в своем составе те или иные периферийные устройства. Поэтому принято говорить о конфигурации компьютера, понимая под этим термином конкретный состав его устройств с учетом их характеристик.

Периферийное устройство (ПУ) – любое устройство, конструктивно отделенное от центральной части компьютера, имеющее собственное управление и выполняющее запросы микропроцессора без его непосредственного вмешательства.

Различные типы периферийных устройств, подключаемых к компьютерной системе, играют важную роль в ее работе. Производительность и эффективность использования ПК определяются не только возможностями его процессора и характеристиками ОП, но в большей степени составом его периферийных устройств, их техническими данными, а также способом организации их совместной работы с центральной частью ПК. Широкий ассортимент выпускаемых периферийных устройств позволяет выбирать те из них, с которыми профессиональные компьютеры используются наиболее эффективно в различных областях деятельности.

Внешние устройства (ВУ). Это важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса. Достаточно сказать, что по стоимости ВУ иногда составляют 50 - 80% всего ПК. От состава и характеристик ВУ во многом зависят возможность и эффективность применения ПК в системах управления и в народном хозяйстве в целом.

ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с пользователями, объектами управления и другими ЭВМ. ВУ весьма разнообразны и могут быть классифицированы по ряду признаков. Так, по назначению можно выделить следующие виды ВУ:

• внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК;
• диалоговые средства пользователя;
• устройства ввода информации;
• устройства вывода информации;
• средства связи и телекоммуникации.

Для хранения больших объемов информации, которые не используются в данный момент времени процессором, предназначаются накопители/внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

К ним относятся: винчестеры (жесткие магнитные диски), оптические диски, магнитно-оптические диски, флоппи диски, Zip and Jaz Iomega discs (относительно новые носители информации, которые призваны заменить гибкие магнитные диски. Они быстрые и большие по емкости (100 мегабайт - Zip, 1 гигабайт - Jaz)), магнитные ленты. Для подключения к системной шине различных внешних устройств существуют устройства – порты. Различают несколько типов портов: внутренний (таймерный), клавиатурный, коммуникационный, игровой (джойстик).

Коммуникационные порты обеспечивают подключение таких внешних устройств, как мышь, принтер, сканер, внешний модем и др. Эти порты подразделяются на последовательные (COM1, COM2, СОМ3, СОМ4) и параллельные (LPT1, LPT2, LPT3). Последовательные порты обеспечивают двусторонний побайтовый обмен последовательными кодами, они обычно используются для подключения мыши и модема.

Параллельные порты могут реализовать либо однонаправленную побайтовую передачу параллельных кодов, либо двунаправленную. Параллельный порт имеет более высокую скорость передачи информации, чем последовательные порты, и используется для подключения принтера.

Широкое распространение получил порт USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина). Он обеспечивает высокоскоростное подключение к компьютеру сразу нескольких периферийных устройств (сканера, цифровых камер и т.п.).

Диалоговые средства пользователя включают в свой состав видеомониторы (дисплеи), реже пультовые пишущие машинки (принтеры с клавиатурой) и устройства речевого ввода-вывода информации.

Видеомонитор (дисплей или просто монитор) - устройство отображения текстовой и графической информации. По типу экрана мониторы разделяются на: ЭЛТ — на основе электронно-лучевой трубки (устаревший вариант) и ЖК — жидкокристаллические мониторы. Также с ПК могут использоваться плазменные мониторы на основе плазменной панели.

Устройства речевого ввода-вывода относятся к быстроразвивающимся средствам мультимедиа. Устройства речевого ввода - это различные микрофонные акустические системы, "звуковые мыши", например, со сложным программным обеспечением, позволяющим распознавать произносимые человеком буквы и слова, идентифицировать их и закодировать.

Устройства речевого вывода - это различные синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через громкоговорители (динамики) или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру.

К устройствам ввода информации относятся:

• Клавиатура - устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК; Клавиатура – один из важнейших элементов связи человека с компьютером. Клавиатура является основным устройством ввода информации в персональный компьютер. Кроме того, через нее производится управление работой компьютера во время выполнения программы.
• Графические планшеты - для ручного ввода графической информации, контурных изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняются считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК.
• Сканеры (читающие автоматы) - для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей. Сканеры бывают настольные (они обрабатывают весь лист бумаги целиком) и ручные (ими надо проводить над нужными картинками или текстом), черно-белые и цветные (воспринимающие цвета).
• Манипуляторы (устройства указания): джойстик - рычаг, мышь, трекбол - шар в оправе, световое перо и др. - для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК. Трекбол – манипулятор в форме шара на подставке. используется для замены мыши, особенно часто в портативных компьютерах.

Самый популярный манипулятор, один из основных устройств управления – мышь – манипулятор, для работы в графической среде операционной системы. Подразделяют на шариковые, оптические и лазерные. Существуют два основных варианта конструкции мыши: механический и оптический. Механическое устройство использует свободно вращающийся шарик, который располагается на "дне" мыши. Оптическую мышь двигают по специальной отражающей панели. Луч света, испускаемой мышью, отражается от равномерно нанесенных на панель штрихов. При этом сенсор, расположенный внутри мыши определяет пройденное расстояние и направление перемещения и посылает эту информацию компьютеру.

• Сенсорные экраны - для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК.

К устройствам вывода информации относятся:

• Принтеры - печатающие устройства для регистрации информации на бумажный носитель. Как правило, применяются принтеры следующих типов: матричные, струйные и лазерные, однако встречаются и другие (светодиодные, термопринтеры и так далее).
• Графопостроители (плоттеры) - для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель (на бумаге размером до А0 или кальке). Для обслуживания плоттеров используется специальное программное обеспечение.

Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи и т.п.) и для подключения ПК к каналам связи, к другим ЭВМ и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы, "стыки", мультиплексоры передачи данных, модемы).

Сетевой адаптер является внешним интерфейсом ПК и служит для подключения его к каналу связи для обмена информацией с другими ЭВМ, для работы в составе вычислительной сети. В глобальных сетях функции сетевого адаптера выполняет модулятор-демодулятор (модем).

Модем – устройство для обмена информацией с другими компьютерами через телефонную сеть. По конструктивному исполнению модемы бывают встроенными (вставляемыми в системный блок ПК) или внешними (подключаемыми через коммуникационный порт). Модемы отличаются друг от друга максимальной скоростью передачи данных (1200, 2400, 9600 бод и так далее, 1 бод = бит в секунду), а также тем, поддерживают ли они средства исправления ошибок. Для устойчивой работы на отечественных телефонных линиях импортные модемы должны быть соответствующим образом адаптированы.

Многие из названных выше устройств относятся к условно выделенной группе - средствам мультимедиа. Средства мультимедиа (multimedia - многосредовость) - это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и др.

2.3 Логическое устройство компьютеров

Основу компьютеров образует аппаратура (HardWare), построенная, в основном, с использованием электронных и электромеханических элементов и устройств. Принцип действия компьютеров состоит в выполнении программ (SoftWare) — заранее заданных, четко определённых последовательностей арифметических, логических и других операций.

Любая компьютерная программа представляет собой последовательность отдельных команд.

Команда — это описание операции, которую должен выполнить компьютер. Как правило, у команды есть свой код (условное обозначение), исходные данные (операнды) и результат.

Результат команды вырабатывается по точно определенным для данной команды правилам, заложенным в конструкцию компьютера. Совокупность команд, выполняемых данным компьютером, называется системой команд этого компьютера.

Разнообразие современных компьютеров очень велико. Но их структуры основаны на общих логических принципах, позволяющих выделить в любом компьютере главные устройства (память, процессор, устройства ввода-вывода), описанные выше. Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация.

В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами. Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, "вырезать" отдельные части команды для последующего их использования или выполнять определенные арифметические операции над числами. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд). Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления. Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:

сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции;

счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;

регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов.

Логический элемент компьютера — это часть электронной логичеcкой схемы, которая реализует элементарную логическую функцию.

Логическими элементами компьютеров являются электронные схемы И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и другие, а также триггер.

С помощью этих схем можно реализовать любую логическую функцию, описывающую работу устройств компьютера.

В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом. Классическую обобщенную структурную схему компьютера составляют следующие принципы:

1. Принцип программного управления (программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определённой последовательности).

2. Принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными).

3. Принцип адресности (основная память структурно состоит из нумерованных ячеек).

2.4 Эксфильтрация данных по сети питания

Съём данных с изолированной электронной вычислительной машины, которая не имеет подключения к локальной или глобальной сети (air-gapped), представляет трудную, но вполне решаемую задачу. За последние десять лет разработано большое количество способов такой эксфильтрации данных:

• запись электромагнитного излучения видеокарты и различных элементов на материнской плате [4], [5], [10], [1];
• диагностирование нажатий клавиш по звуку;
• съём данных по оптическому [6] и термальному [2] каналам;
• передача аудиосигнала через динамики в слышимом и неслышимом диапазонах частот [11], [3], [7];
• радиопередача с монитора на AM-радиоприёмник [9];

и другие, которые называют SCA (side-channel attacks) — атаки по сторонним (или побочным) каналам.

Вариантом такой атаки является способ скрытой передачи данных по линиям электропитания под названием «Силовой Молот» (Power Hammer), который был разработан в 2018 году группой исследователей из израильского Университета Бен-Гуриона [8].

В этой связи актуальным становится вопрос практического исследования метода скрытой передачи информации по цепям питания.

Метод Power Hammer

Метод Power Hammer заключается в следующем. Атакуемый компьютер находится в защищенной зоне и не имеет сетевых подключений. Поэтому заражение вредоносной программой производится методами социальной инженерии, например, через съемный носитель. Программа сканирует накопители в поисках нужной информации и передает ее по цепи питания, которая выходит за пределы защищенной зоны и доступна злоумышленнику.

Рисунок 1. Схема атаки по методу Power Hammer

Передача производится путем изменения потребления энергии компьютером. В фоновом режиме загрузка процессора составляет единицы процентов, а программа загружает процессор на 100%, что приводит к увеличению энергопотребления.

При питании от сети напряжением 220В, повышение потребления на 1 Вт изменяет ток в сети на 4,5 мА, что легко фиксируется современными приборами.

Описание эксперимента

Экспериментальная проверка проводилась для достижения следующих целей:

• исследование возможности технической реализации эксфильтрации данных по цепям питания;
• исследование характеристик создаваемого канала связи.

Для достижения поставленных целей в соответствии с Рис.1 была собрана экспериментальная установка (Рис.2), состоящая из бесконтактного датчика тока, предварительного усилителя и компьютера «злоумышленника», на котором запускалась программа обработки сигнала и ведения статистики ошибок.

Для атакуемого компьютера была написана программа управления загрузкой процессора.

Съем информационного сигнала производился бесконтактно (Рис.3), с использованием трансформатора тока (а) с расщепленным сердечником (б)

Выходная обмотка трансформатора подключалась к предварительному усилителю и далее к аудиовходу компьютера (DellLatitude E7450, Windows 10 64-bit). Обработка сигнала и анализ результатов проводились с использованием программного пакета MathWorks MATLAB.

Рисунок 2. Экспериментальная установка (бесконтактный датчик тока, предварительный усилитель и компьютер «злоумышленника»)

Рисунок 3. Бесконтактный датчик на основе трансформатора тока

Результаты эксперимента

В ходе эксперимента проводилась передача контрольного файла и последующее определение количества ошибок при передаче. В качестве атакуемого компьютера использовалась вычислительная техника с процессорами разной производительности и различным качеством исполнения блока питания. Программная часть позволяла изменять скорость передачи данных.

Результаты эксперимента представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Результаты эксперимента

Устройство	Тип процессора	Блок питания	Скорость передачи
Персональный компьютер	Intel Corei7-4770 CPU@ 3.4GHz 4 cores (8 threads)	FSP300-50HMN 300W	333 бит / с (0% ошибок) 500 бит / с (0% ошибок) 1000 бит / с (0% ошибок)
Сервер	Intel Xeon CPUE5-2620 12 cores (24 threads)	DPS-750AB1A 750Wx2	100 бит / с (0% ошибок) 200 бит / с (0,9% ошибок) 333 бит / с (4,8% ошибок) 500 бит / с (26% ошибок)
Устройство с низким энергопотреблением (IoT)	BCM2837 64-bit ARMv8, processorCortexA53	Stontronics DSA-13PFC-05, 5V 2.5A	5 бит / с (1,9% ошибок) 10 бит / с (4,8% ошибок) 20 бит / с (18% ошибок)

Полученные результаты эксперимента показывают, что с использованием Power Hammer c настольных компьютеров и серверов за приемлемое время можно передать значительный объем информации, такой как сертификаты, данные кейлогинга, ключи шифрования, изображения, документы; с IoT устройства можно слить небольшие объемы данных, таких как пароли, токены учетных данных, ключи шифрования и так далее.

Выводы

1. Эксфильтрация данных по цепям питания имеет сравнительно простую как программную, так и аппаратную реализацию.

2. Скорость передачи информации зависит от максимально потребляемой процессором мощности и уровня его средней загрузки.

3. Низкая скорость передачи не позволяет снимать большие объемы информации, однако полученные данные, могут быть критическими – ключи шифрования, пароли, номера счетов и т.д.

4. Возможность эксфильтрации данных даже с изолированных компьютеров должна учитываться службой безопасности при разработке мероприятий по защите информационной системы.

Заключение

В данной работе была раскрыта структурная схема персонального компьютера. Структура компьютера – это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Структура ПК является одним из определяющих факторов его характеристики.

В работе перечислены и охарактеризованы устройства центральной и периферийной части компьютера, проанализировано его логическое устройство: центральной частью компьютера является системный блок, с присоединенными к нему клавиатурой, монитором и мышью. Описаны основные компоненты ЭВМ: микропроцессор, внешняя и внутренняя память, контроллеры, системная шина, устройства ввода и вывода информации и другие. А также описаны состав центрального процессора и его основные характеристики, такие как быстродействие, тактовая частота и разрядность. Микропроцессор (МП) - это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины для выполнения арифметических и логических операций над информацией. Разобраны основные виды памяти и их основные характеристики.

Проанализированы принципы построения компьютера, такие как модульность, магистральность, микропрограммируемость. В результате этого можно сделать вывод, что архитектура современных персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе. Информационная связь между устройствами компьютера осуществляется через системную шину (системную магистраль). В современных ЭВМ реализован принцип открытой архитектуры, позволяющий пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости её модернизацию. Конфигурацией называют фактический набор компонентов компьютера, которые входят в его состав. Принцип открытой архитектуры позволяет менять состав устройств ПК. К информационной магистрали могут подключаться дополнительные периферийные устройства, одни модели устройств могут заменяться на другие.

Современный ПК одновременно и прост, и сложен. Он стал проще, так как за минувшие годы многие компоненты, используемые для сборки системы, были интегрированы с другими компонентами и поэтому общее количество элементов уменьшилось. Он стал сложнее, так как каждая часть современной системы выполнят намного больше функций, чем в более старых компьютерах.

Список литературы

1. Аглицкий, Д.С. Персональный компьютер и Windows для всех / Д.С. Аглицкий, С.А. Любченко. - М.: Машиностроение, 1995. - 240 c.

2. Боув, Т. Настольная издательская система PAGEMAKER для персонального компьютера / Т. Боув, Ч. Родс. - М.: ИЛ, 1991. - 192 c.

3. Брезгунова, И. В. Аппаратные и программные средства персонального компьютера. Операционная система Microsoft Windows XP / И.В. Брезгунова, Е.В. Шакель. - М.: РИВШ, 2011. - 164 c.

4. Васильева, В. Персональный компьютер. Быстрый старт / В. Васильева. - М.: BHV - Санкт - Петербург, 2001. - 480 c.

5. Гелль Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс / Гелль, Патрик. - М.: Гостехиздат, 2001. - 144 c.

6. Глушаков, С.В. Персональный компьютер / С.В. Глушаков, А.С. Сурядный. - М.: Харьков: Фолио; Издание 5-е, перераб. и доп., 2004. - 500 c.

7. Грайс, Д. Графические средства персонального компьютера / Д. Грайс. - М.: Наука, 1989. - 376 c.

8. Гроувер, Д. Защита программного обеспечения / Д. Гроувер, Р. Сатер, и др.. - М.: СИНТЕГ, 1992. - 283 c.

9. Гукин, Д. IBM-совместимый персональный компьютер: Устройство и модернизация / Д. Гукин. - М.: Высшая школа, 1993. - 336 c.

10. Дюваль Непрерывная интеграция. Улучшение качества программного обеспечения и снижение риска / Дюваль, М. Поль. - М.: Мир, 2008. - 240 c.

11. Кувшинов, Н.С. Выполнение сборочных чертежей электротехнических изделий на персональном компьютере: Учебное пособие / Н.С. Кувшинов, Е.П. Зуева. - М.: Челябинск: ЮУрГУ, 2004. - 117 c.

12. Левенталь, Л. Введение в микропроцессоры: Программное обеспечение, аппаратные средства, программирование / Л. Левенталь. - Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 464 c.

13. Леонтьев Новейшая энциклопедия персонального компьютера 2002 / Леонтьев, П. Виталий. - М.: Наука, 2002. - 920 c.

14. Леонтьев, Б.К. Как научиться работать с карманным персональным компьютером / Б.К. Леонтьев. - М.: Высшая школа, 2006. - 160 c.

15. М.Е., и др. Нормы времени и выработки на набор, правку и верстку газет на персональном компьютере / ред. Исакова, М.Е. и. - М.: Наука, 2000. - 902 c.

16. Марголис, А. Поиск и устранение неисправностей в персональных компьютерах / А. Марголис. - М.: Киев: Диалектика, 1994. - 368 c.

17. Нортон Внутренний мир персональных компьютеров / Нортон, Гудмен Питер; , Джон. - М.: Огни, 1999. - 584 c.

18. Нортон Персональный компьютер изнутри / Нортон, Питер и др.. - М.: Гостехиздат, 1995. - 443 c.

19. Нортон, П. Персональный компьютер фирмы IBM и операционная система MS-DOS / П. Нортон. - М.: РГГУ, 1991. - 416 c.

20. Персональные компьютеры. Информатика для всех. - М.: РГГУ, 1987. - 149 c.

21. Резников, Ф.Н. Видеомонтаж на персональном компьютере: Adobe Premiere 6.х и Аdobe After Effects 5.х / Ф.Н. Резников, В.Б. Комягин. - М.: Мир, 2003. - 528 c.

22. Рыбаков, М.А. Анатомия персонального компьютера / М.А. Рыбаков. - М.: Интермеханика, 1990. - 224 c.

23. Семакин, И. Г. Информатика. 7 класс. Рабочая тетрадь. В 5 частях. Часть 2. Компьютер. Устройство и программное обеспечение / И.Г. Семакин, Т.В. Ромашкина. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2014. - 537 c.

24. Таейр, Т. Надежность программного обеспечения / Т. Таейр, М. Липов, Э. Нельсое. - М.: Огни, 1981. - 323 c.

25. Трейстер, Р. Персональный компьютер фирмы ИБМ / Р. Трейстер. - М.: Гостехиздат, 1986. - 208 c.

26. Фрейбергер Пожар в долине. История создания персональных компьютеров / Фрейбергер, Свейн Пол; , Майкл. - М.: Группа Дарнэл, 2000. - 434 c.

27. Фултон, Дж. Модернизация и ремонт персональных компьютеров / Дж. Фултон. - М.: Машиностроение, 2004. - 507 c.

28. Чоговадзе, Г.Г. Персональные компьютеры / Г.Г. Чоговадзе. - М.: Наука, 1989. - 208 c.

29. Шиб Windows 95. Программы для персональных компьютеров / Шиб, Йорг. - М.: РГГУ, 1996. - 174 c.

30. Эйкхофф, Й. Бортовые компьютеры, программное обеспечение и полетные операции. Введение / Й. Эйкхофф. - М.: Техносфера, 2014. - 344 c.

Приложение 1

Рекомендации по конфигурации компьютера

Минимальная стандартная конфигурация

• Intel i5 или аналогичный процессор AMD
• Минимум 8 ГБ ОЗУ
• Не менее 256 ГБ твердотельного (SSD) жесткого диска
• веб-камера
• Сеть: 10/100/1000 BASE-T Ethernet
• Беспроводная связь: 802.11 г / н, двухдиапазонный (2,4 / 5,0 ГГц)
• Блокировка кабеля ноутбука (настоятельно рекомендуется для студентов-резидентов)
• Windows 10 Professional / MacOS

Рекомендуемая конфигурация

• Intel i5, эквивалент AMD или более мощный процессор
• 16 ГБ ОЗУ
• Жесткий диск на 500 ГБ (SSD) или больше
• веб-камера
• Сеть: 10/100/1000 BASE-T Ethernet
• Беспроводная связь: 802.11 a / b / g / n, двухдиапазонный (2,4 / 5,0 ГГц)
• Блокировка кабеля ноутбука (настоятельно рекомендуется для студентов-резидентов)
• Windows 10 Professional / MacOS