Как работает компьютер с точки зрения физики
Вы знаете, как работает компьютер? Нет, я серьёзно! Не в смысле – какую кнопку нажать, чтобы получить результат, а в более глобальном? Не думаю, что на нашей планете вообще есть хоть один человек, который полностью понимает, как устроен компьютер у него на столе. Но попробовать в этом разобраться, право же, стоит. Рискнём?
Отмазка
Прежде, чем начать рассказ, сделаю необходимое пояснение о его цели и аудитории. Статья рассчитана на обычного пользователя, знакомого с базовым курсом физики и информатики, желающего лучше понять принципы работы компьютера. Приведённое ниже описание – очень условное, отражающее лишь самые основные принципы функционирования компьютера. Дабы сделать полное технически верное описание, понадобятся совместные усилия десятков специалистов самых различных областей (физиков, инженеров, программистов…) и тысячи страниц печатного текста. Но в этом случае во-первых, неизбежны некоторые ошибки, а во-вторых, такой труд вряд ли поможет рядовому пользователю (скорее наоборот – запутает ещё больше).
Если конфигурация вашего мозга удовлетворяет приведённым требованиям, можете приступать к прочтению.
Фундамент
Начнём, пожалуй, с самого низкого уровня. Как знает любой школьник, прошедший полный курс физики, в природе существует такая штука, как p‑n‑p‑переход. Его свойства (а он, как знают студенты, изучающие физические основы электротехники, может выполнять роль «ключа», пропуская или останавливая поток электронов в зависимости от того, как приложено напряжение) легли в основу самого простого электронного компонента – транзистора. Транзистор может находится в двух состояниях – «открыто» и «закрыто». Знакомые с базовым курсом информатики уже догадались, к чему я клоню. Правильно: эти состояния – ни что иное, как «0» и «1» – два базовых элемента бинарной системы счисления, используемой компьютерами.
Схема устройства транзистора
Будучи объединёнными, несколько транзисторов могут создавать простейшую логическую схему. Если приложить напряжение ко входам этой схемы, подачей напряжения на управляющие контакты можно добиться изменения состояния на выходе. Проще говоря, замыкая и размыкая логический ключ, мы можем подавать ток на следующий элемент схемы – или не подавать его. Таким образом, с помощью нескольких транзисторов мы можем выполнять простейшие арифметические и логические операции в бинарной системе счисления.
На основе групп таких простейших логических элементов можно строить уже более сложные схемы – процессоры (к примеру, в процессоре Intel Core 2 Duo (Conroe) 291 млн транзисторов). Однако, как вы понимаете, в наше время никто не перетыкает сотни проводков, чтобы управлять компьютером (хотя раньше компьютеры программировались именно таким трудоёмким способом). Для облегчения жизни программистам, инженеры-электронщики оснастили сложные логические цепи процессора особыми управляющими точками, подача напряжения на которые приводит к выполнению целого каскада внутренних команд или же перестроению отдельного участка схемы с целью подготовить его к приёму другой команды. Такие наборы команд получили название ассемблера – базового языка процессора. Для каждого типа процессора он свой, но в основе всех разновидностей лежит один принцип. Фактически именно ассемблер является переходом от аппаратной составляющей компьютера к программной.
Разумеется, всё изложенное выше – лишь общая схема работы процессора. Однако в основе даже самых современных микросхем лежит именно она.
Цоколь
Как вы понимаете, процессор как таковой – штука малополезная. Для полноценной работы компьютера нужно ещё немало элементов. Основные из них знакомы всем – устройства временного и постоянного хранения информации, управления/ввода, а также вывода информации. Проще говоря, оперативная память, жёсткий диск, клавиатура/мышь и монитор. Все эти устройства соединены с процессором так называемой общей шиной, которая делится на шину данных, адресную шину и шину команд. По названиям уже можно догадаться, для чего предназначена каждая из них. Но соединяются все эти устройства не напрямую, а через промежуточные звенья – так называемые контроллеры («процессор-шина-контроллер-шина-устройство»). Контроллеры позволяют каждому отдельному устройству общаться с процессором, являясь как бы переводчиками. В основе их лежат опять-таки логические схемы (в зависимости от типа устройства, которым управляет контроллер, его схемы могут быть более или менее простыми).
Возьмём для примера ввод двух чисел с клавиатуры, их сложение и последующий вывод на экран. Примерная схема работы электронной части компьютера (программную составляющую мы пока пропустим, дабы было проще всё это дело осмыслить) выглядит следующим образом. Пользователь нажимает на клавиатуре клавишу (скажем, с цифрой «0»). Электронный импульс попадает в контроллер клавиатуры, который «понимает», что нажата именно клавиша «0». Эта информация по шине данных поступает в процессор. Тот – опять же, по шине данных – отправляет цифру в память, одновременно по адресной шине передавая адрес ячейки в памяти, куда информацию нужно записать. Аналогичным образом в память попадает вторая цифра (скажем, «1»). Затем мы отдаём команду на сложение чисел (нажав клавишу «+»). Уже знакомым нам путём (только вместо шины данных используется командная шина) эта информация доходит до процессора. Он, поняв, что пришли не данные, а команда, начинает выполнять более сложную операцию: отправляет по адресной шине адреса ячеек памяти, в которых лежат числа, берёт эти числа и выполняет необходимую операцию. Результат отправляется обратно в память (с указанием нового адреса, разумеется) и одновременно – на контроллер монитора. Он, в свою очередь, формирует изображение цифры «1» (т.е. результата выполнения программы) и отправляет команду на отрисовку этого изображения на экране. Казалось бы, простейшая операция, а в её выполнении задействовано немало компонентов компьютера. Конечно же, все эти действия выполняются с огромной скоростью.
Подобным образом выполняются абсолютно все команды пользователя (хотя обычно схема работы ещё сложнее – ведь данных и команд в тысячи раз больше).
Первый этаж
Описанная мной схема (повторюсь ещё раз – упрощённая!) устраивала бы всех, если бы не одно «но»: большинству пользователей компьютер нужен вовсе не для сложения ноликов и единичек в различных комбинациях. А управлять кучей умного «железа» посредством одного лишь ассемблера – дело хотя и не невозможное, но довольно хлопотное. Дабы упростить процесс, программисты (люди, как известно, очень ленивые) придумали расширенные наборы команд. Самые известные из них – MMX, 3D Now! и SSE (трёх версий). По сути, они являются своеобразной прослойкой (очередной) между ассемблером и программами более высокого уровня (о них – далее). Одна команда такого набора запускает на выполнение целую последовательность (иногда – очень и очень большую) ассемблерных команд.
Но даже при помощи таких команд создание сложных программ было бы утомительным процессом, так что самые ленивые (но самые умные) программисты придумали себе так называемые «языки высокого уровня». Названия всех их перечислять не буду – тут и всего номера может не хватить. Самые распространённые из них на слуху у всех: Pascal, Basic, C++. Каким бы ни был язык программирования (не буду сейчас рассуждать о преимуществах и недостатках каждого из названных), в конечном итоге, написанный на нём код преобразуется в набор ассемблерных команд (процессор-то, как вы помните, ничего другого не понимает).
Второй этаж
И всё бы ничего, но программа сама по себе (даже самая простая) выполняться не начнёт. Конечно, можно добавлять к каждой программе набор команд, выполнение которых заставит процессор считать все необходимые данные и подготовить к работе все прочие устройства в составе компьютера. Но делать такое для каждой программы – занятие нудное. А программисты… Ну, вы уже в курсе.
Схема передачи данных между компонентами компьютера
И вот на свет появляются особые программы – операционные системы. Они берут на себя всю нудную, но нужную работу: загружают программы, отдают процессору базовые команду на их выполнение… Конечно, работа современных ОС этим далеко не ограничивается, но описанные функции обязательны для любой операционки.
Третий этаж
Для конечных пользователей, как вы понимаете, работа с компьютером сводится обычно к простому вводу текста с клавиатуры, тыканию по красивым окошкам на экране и просмотру не менее красивых картинок. Развитие операционных систем привело к тому, что человеку просто не нужно знать всё, про что я сегодня рассказал. А ведь если задуматься – какие интересные процессы происходят внутри серого ящика, стоящего на нашем столе! Более интересные, пожалуй, происходят лишь в одном устройстве…
Крыша
И устройство это – человеческий мозг. Его невозможно разложить на составляющие, как процессор компьютера. Его логику невозможно проследить. Практически невозможно полностью проследить путь отдельных электронных импульсов, бегущих по дендритам и аксонам. Хотя, если задуматься, наш мозг очень похож на компьютер – только очень сложный. И кто знает, что будет, когда такой же сложности достигнут машины?
Хотите улучшить этот вопрос? Переформулируйте вопрос так, чтобы он был сосредоточен только на одной проблеме.
Закрыт 3 года назад .
Изучая C++ у меня возник вопрос, как устроен ПК и как так происходит, что он «понимает» данные ему команды? То есть как он понимает, что 2+2=4, он же не человек?
Если хотите узнать подробно, то советую почитать классический труд Тоненбаума - "Архитектура компьютера", где рассматриваются большинство уровней функционирования компьютера, начиная с самого низкого. Большинство схем ниже взяты оттуда.
В современных компьютерах есть такой электрический элемент, как транзистор. Он представляет из себя элемент с тремя ножками: коллектор, базу, эммитер. Но суть в том, что он умеет в зависимости от сигнала на базу, выпускать ток или нет.
Сигнал на базу поступает из различных внешних источников - намагниченная дорожка жесткого диска, проходящий луч лазера через CD-R или же замкнутый нажатой кнопкой на клавиатуре контакт. Не важно, главное, что у нас теперь есть два состояния - есть сигнал и нет сигнала.
А теперь самое интересное, мы может комбинировать эти транзисторы и получить различные результаты на основе входящих на их базы сигналов.
На самом деле вы же уже знакомы с булевой алгеброй, когда на вход подаются различные сигналы и получается в итоге другой? Ну так вот это оно и есть, это называется вентили.
А это значит, что теперь у нас есть целый конструктор! И на этом конструкторе мы может создавать различные схемы, которые будут давать разный результат. Подали на базы различные сигналы и получили на выходе результат.
Вот так выглядит схема сдвига и схема полусумматора. Объединив несколько полусумматоров, мы как раз получим побайтовое сложение чисел, о чем вы и спрашиваете в вопросе.
Есть даже схемы, которые умеют хранить значение, так называемые защелки выполняющие роль памяти (RS-триггер).
Как видите никакой магии, ну почти - на одном процессоре таких транзисторов умещается миллиарды. нет, не так - МИЛЛИАРДЫ! Это огромнейшее количество различных схем различной сложности и различного направления на паре квадратных сантиметров. Расчетом их упаковки на процессор как правило занимаются специальные программы, человеку это не под силу и создаются они с помощью высокоточной электроники. Сложно представимый научный прогресс в маленькой коробочке рядом с вами. В общем как-то так.
Описание слайда:
Физика современного компьютера
Презентацию подготовил
ученик 11 класса «А»
МОУ Аннинский лицей
Рыжиков Дмитрий
Описание слайда:
КОМПЬЮТЕР - устройство, выполняющее математические и логические операции над символами и другими формами информации и выдающее результаты в форме, воспринимаемой человеком или машиной. Первые компьютеры использовались главным образом для расчетов, т.е. сложения, вычитания, умножения, деления и т.д. Сегодня компьютеры применяются для решения многочисленных и разнообразных других задач, таких, как обработка текста, графика и переработка больших массивов информации.
Описание слайда:
Сведения из истории
Первые компьютеры появились в начале 20 века. Это были огромные машины, весом в несколько тонн и общими размерами с футбольное поле. С развитием компьютерной техники размеры машин становились все меньше, а их «способности» — всё больше.
Описание слайда:
Переломным моментом в истории развития компьютера стало развитие микроэлектроники и изобретение микросхем, создание на их основе супербыстрого и очень маленького «мозга» компьютера — процессора.
Интегральные схемы на материнской плате компьютера
Описание слайда:
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА (интегральная электроника) - область электроники, связанная с созданием и применением в радиоэлектронной аппаратуре узлов и блоков, выполненных на интегральных схемах и микроминиатюрных конструктивно-вспомогательных изделиях (разъемах, переключателях и т. д.), часто с использованием различных функциональных приборов (опто-, акусто-, криоэлектронных, ионных, тепловых и др.), широко используется в компьютерной технике. Сформировалась в начале 60-х гг. 20 в. Развивается в направлении уменьшения размеров элементов, размещаемых на поверхности или в объеме кристалла (чипа) отдельных интегральных схемах (на 1990 для наиболее распространенных ИС — кремниевых — эти размеры доведены до 0,2-1 мкм), повышения степени их интеграции (до 107 элементов на кристалл), увеличения максимальных размеров кристалла (до 80-100 на квадратном миллиметре).
Описание слайда:
Современный персональный компьютер
Современный настольный компьютер обычно состоит из нескольких устройств. Основной частью любого ПК является системный блок. Для отображения компьютерной информации используется монитор, а для ввода информации и управления компьютером — клавиатура и мышь. Кроме этого, к компьютеру можно подключать множество дополнительных устройств: принтер, сканер, джойстик, колонки и т.д.
Описание слайда:
Описание слайда:
Описание слайда:
Принципы работы компьютера
При создании первых вычислительных машин в 1945 математик Джон фон Нейман описал основы конструкции компьютера. Согласно принципам фон Неймана, компьютер должен иметь следующие устройства:
Арифметическо-логическое устройство — для непосредственного осуществления вычислений и логических операций.
Устройство управления — для организации процесса управления программ.
Запоминающее устройство (память) — для хранения программ и информации.
Внешние устройства — для ввода и вывода информации.
Подавляющее большинство компьютеров в своих основных чертах соответствует принципам фон Неймана, но схема устройства современных компьютеров несколько отличается от классической схемы. В частности, арифметическо-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в центральный процессор. Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах.
Описание слайда:
Описание слайда:
Физика современного компьютера
Принцип работы мониторов
Принцип работы магнитных носителей информации
Динамики
Клавиатура компьютера
Заключение
Примеры использования компьютеров
Описание слайда:
Принцип работы ЖК монитора
Принцип работы ЭЛ монитора
Наглядное сравнение мониторов
К оглавлению
Принцип работы мониторов
Описание слайда:
Принцип работы ЖК монитора
Работа ЖКД основана на явлении поляризации светового потока. Известно, что так называемые кристаллы поляроиды способны пропускать только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляроида. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Таким образом поляроид как бы "просеивает" свет, данный эффект называется поляризацией света. Когда были изучены жидкие вещества, длинные молекулы которых чувствительны к электростатическому и электромагнитному полю и способны поляризовать свет, появилась возможность управлять поляризацией. Эти аморфные вещества за их схожесть с кристаллическими веществами по электрооптическим свойствам, а также за способность принимать форму сосуда, назвали жидкими кристаллами.
Дальше
Описание слайда:
Основываясь на этом открытии и в результате дальнейших исследований, стало возможным обнаружить связь между повышением электрического напряжения и изменением ориентации молекул кристаллов для обеспечения создания изображения. Первое свое применение жидкие кристаллы нашли в дисплеях для калькуляторов и в электронных часах, а затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров. Сегодня, в результате прогресса в этой области, начинают получать все большее распространение LCD-дисплеи для настольных компьютеров.
К оглавлению
Описание слайда:
Монитор состоит из электронно-лучевой трубки, блока питания и электронного блока управления лучом. Принцип действия монитора на базе электронно-лучевой трубки заключается в том, что испускаемый электродом (электронной пушкой) пучок электронов, попадая на экран, покрытый специальным составом - люминофором, - вызывает его свечение. Направление пучка электронов задают также дополнительные электроды: отклоняющая система, позволяющая изменять направление пучка, и модулятор, регулирующий яркость получаемого изображения. Электронный луч периодически сканирует экран, образуя на нем строки развертки. По мере движения луча по строкам видеосигнал, подаваемый на модулятор, изменяет яркость определенных пикселей, образуя некоторое видимое изображение.
Принцип работы ЭЛ монитора
Дальше
Описание слайда:
Разрешающая способность монитора определяется числом пикселей, из которых и формируется изображение на экране. В случае цветного монитора имеются не одна, а три электронных пушки с отдельными схемами управления, а на поверхность экрана нанесен люминофор трех основных цветов: красного (R), зеленого (G), синего (B) - (Red, Blue, Green - аббревиатура "RGB"). Таким образом, каждая пушка "стреляет" по своей цели. Для этого в каждом мониторе имеется либо теневая маска, либо так называемая апертурная решетка . Теневая маска имеет систему отверстий, а апертурная решетка - систему щелей. В основном применяются кинескопы двух типов: плоско-прямоугольные (наиболее распространены) и вертикально-плоские. В плоско-прямоугольных кинескопах экраны на самом деле не плоские и не прямоугольные, выглядят такими по сравнению с обычными кинескопами за счет большого радиуса кривизны. В вертикально-плоских кинескопах экран действительно плоский по вертикали, по горизонтали имеет кривизну (как вырезанные из цилиндра). Шаг триад - это расстояние (в мм) между двумя ближайшими точками люминофора одного цвета свечения. Чем меньше шаг триад, тем выше потенциальная четкость изображения. Типичные значения для шага триад составляют 0,28 мм; 0,26 мм; 0,24 мм.
К оглавлению
Описание слайда:
Описание слайда:
Hard drive
Laser drive
Магнитные носители информации
К оглавлению
Описание слайда:
Принцип работы магнитных носителей информации.
Основные принципы работы жесткого диска мало изменились со дня его
создания. Устройство винчестера очень похоже на обыкновенный проигрыватель
грампластинок. Только под корпусом может быть несколько пластин, насаженных
на общую ось, и головки могут считывать информацию сразу с обеих сторон
каждой пластины. Скорость вращения пластин (у некоторых моделей она доходия
до 15000 оборотов в минуту) постоянна и является одной из основных
характеристик. Головка перемещается вдоль пластины на некотором
фиксированном расстоянии от поверхности. Чем меньше это расстояние, тем
больше точность считывания информации, и тем больше может быть плотность
записи информации. Взглянув на накопитель на жестком диске, вы увидите
только прочный металлический корпус. Он полностью герметичен и защищает
дисковод от частичек пыли, которые при попадании в узкий зазор
между головкой и поверхностью диска могут повредить чувствительный магнитный слой и вывести диск из строя. Кроме того, корпус экранирует накопитель от электромагнитных помех .
Дальше
Описание слайда:
Магнитные головки считывают и записывают информацию на диски. Принцип записи в общем схож с тем, который используется в обычном магнитофоне. Цифровая информация преобразуется в переменный электрический ток, поступающий на магнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в виде магнитного поля, которое диск может воспринять и "запомнить". Магнитное покрытие диска представляет собой множество мельчайших областей самопроизвольной (спонтанной) намагниченности. Для наглядности представьте себе, что диск покрыт слоем очень маленьких стрелок от компаса, направленных в разные стороны. Такие частицы-стрелки называются доменами. Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с его направлением. После прекращения действия внешнего поля на поверхности диска образуются зоны остаточной намагниченности. Таким образом сохраняется записанная на диск информация. Участки остаточной намагниченности, оказавшись при вращении диска напротив зазора магнитной головки, наводят в ней электродвижущую силу, изменяющуюся в зависимости от величины намагниченности. Пакет дисков, смонтированный на оси-шпинделе, приводится в движение специальным двигателем, компактно расположенным под ним.
Дальше
Описание слайда:
Скорость вращения дисков, как правило, составляет 7200 об./мин. Для того, чтобы сократить время выхода накопителя в рабочее состояние, двигатель при включении некоторое время работает в форсированном режиме. Поэтому источник питания компьютера должен иметь запас по пиковой мощности. Теперь о работе головок. Они перемещаются с помощью прецизионного шагового двигателя и как бы "плывут" на расстоянии в доли микрона от поверхности диска, не касаясь его. На поверхности дисков в результате записи информации образуются намагниченные участки, в форме концентрических окружностей. Они называются магнитными дорожками. Перемещаясь, головки останавливаются над каждой следующей дорожкой. Совокупность дорожек, расположенных друг под другом на всех поверхностях, называют цилиндром. Все головки накопителя перемещаются одновременно, осуществляя доступ к одноименным цилиндрам с одинаковыми номерами.
К оглавлению
Описание слайда:
Компьютерный компакт-диск
В проигрывателях лазерных дисков и в компьютерах используются полупроводниковые лазеры . Малая расходимость лазерного пучка позволяет получать с помощью оптических систем очень узкие световые пучки, необходимые для записи и считывания информации с очень высокой пространственной плотностью.
К оглавлению
Описание слайда:
Динамики
Принцип работы динамиков
К оглавлению
Описание слайда:
Клавиатура компьютера
КЛАВИАТУРА - основное устройство ввода информации в компьютер, представляющее собой совокупность механических датчиков, при давлении на клавиши замыкающих определенную электрическую цепь. Наиболее распространены два типа клавиатур: с механическими и мембранными переключателями. Внутри корпуса любой клавиатуры, помимо датчиков клавиш, расположены электронные схемы дешифрации и микроконтроллер клавиатуры.
Клавиатура компьютера очень похожа на клавиатуру обычной пишущей машинки. На ней имеются кнопки для всех букв алфавита (очень часто — нескольких алфавитов), отдельная цифровая клавиатура, а также специальные клавиши для управления компьютером. Некоторые клавиши и комбинации клавиш напрямую управляют работой компьютера. С ними нужно обходиться особенно осторожно.
С помощью кабеля клавиатура соединяется с системным блоком. Бывают и беспроводные клавиатуры, которые связываются с компьютером посредством световых или радио-сигналов.
Дальше
Описание слайда:
Дальше
Конденсаторы в клавиатуре компьютера
Описание слайда:
Основной тенденцией развития клавиатур персональных компьютеров является повышение их эргономических качеств. После выявления у интенсивно работающих на клавиатуре пользователей профессиональных заболеваний кистей рук («туннельный» синдром лучезапястного сустава) появилась эргономичная клавиатура, которая имеет своеобразную изогнутую форму, позволяющую поддерживать локти в разведенном положении. Некоторые клавиатуры можно разделить на две половинки и разместить их на удобном расстоянии друг от друга.
Описание слайда:
Без компьютеров было бы невозможно быстро обрабатывать рентгеноструктурные и ЯМР-данные, создавать сложные модели, отвечающие всему комплексу экспериментальных данных. Для построения адекватных моделей часто приходится анализировать свойства больших ансамблей молекул и частиц или поведение неравновесных систем. Строятся модели таких сложных феноменов и процессов организменного уровня, как научение и память, восприятие света и звука, кровообращение, мышечное сокращение, распределение в организме продуктов метаболизма. Разрабатываются методы предсказания трехмерной структуры макромолекул и моделирования флуктуаций, происходящих в этих структурах за времена порядка пикосекунд (триллионных долей секунды). Биофизики участвуют также в анализе нуклеотидных последовательностей ДНК, проводящемся в рамках международной программы «Геном человека».
Заключение
Дальше
Описание слайда:
Компьютер и электронные средства связи составляют ядро современных систем накопления и поиска информации. Например, через настольный компьютер или другой терминал можно получить по телефону доступ к файлам местного или удаленного информационного центра и автоматически найти нужную информацию. Виды деятельности, требующие использования бумаги, такие, как чтение газет, написание писем и банковское дело, со временем будут заменены их электронными эквивалентами. Библиотека будущего будет содержать меньше бумаги – книг, каталожных карточек, журналов – и больше информации, просматриваемой электронным способом.
К оглавлению
Описание слайда:
Локальная вычислительная сеть
Дальше
Физика современного компьютераПрезентацию подготовил ученик 11 класса «А» МОУ Аннинский лицей Рыжиков Дмитрий
КОМПЬЮТЕР - устройство, выполняющее математические и логические операции над символами и другими формами информации и выдающее результаты в форме, воспринимаемой человеком или машиной. Первые компьютеры использовались главным образом для расчетов, т.е. сложения, вычитания, умножения, деления и т.д. Сегодня компьютеры применяются для решения многочисленных и разнообразных других задач, таких, как обработка текста, графика и переработка больших массивов информации.
Первые компьютеры появились в начале 20 века. Это были огромные машины, весом в несколько тонн и общими размерами с футбольное поле. С развитием компьютерной техники размеры машин становились все меньше, а их «способности» — всё больше.
Переломным моментом в истории развития компьютера стало развитие микроэлектроники и изобретение микросхем, создание на их основе супербыстрого и очень маленького «мозга» компьютера — процессора. Интегральные схемы на материнской плате компьютера
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА (интегральная электроника) - область электроники, связанная с созданием и применением в радиоэлектронной аппаратуре узлов и блоков, выполненных на интегральных схемах и микроминиатюрных конструктивно-вспомогательных изделиях (разъемах, переключателях и т. д.), часто с использованием различных функциональных приборов (опто-, акусто-, криоэлектронных, ионных, тепловых и др.), широко используется в компьютерной технике. Сформировалась в начале 60-х гг. 20 в. Развивается в направлении уменьшения размеров элементов, размещаемых на поверхности или в объеме кристалла (чипа) отдельных интегральных схемах (на 1990 для наиболее распространенных ИС — кремниевых — эти размеры доведены до 0,2-1 мкм), повышения степени их интеграции (до 107 элементов на кристалл), увеличения максимальных размеров кристалла (до 80-100 на квадратном миллиметре).
Современный персональный компьютер Современный настольный компьютер обычно состоит из нескольких устройств. Основной частью любого ПК является системный блок. Для отображения компьютерной информации используется монитор, а для ввода информации и управления компьютером — клавиатура и мышь. Кроме этого, к компьютеру можно подключать множество дополнительных устройств: принтер, сканер, джойстик, колонки и т.д.
Принципы работы компьютера При создании первых вычислительных машин в 1945 математик Джон фон Нейман описал основы конструкции компьютера. Согласно принципам фон Неймана, компьютер должен иметь следующие устройства:Арифметическо-логическое устройство — для непосредственного осуществления вычислений и логических операций.Устройство управления — для организации процесса управления программ.Запоминающее устройство (память) — для хранения программ и информации.Внешние устройства — для ввода и вывода информации.Подавляющее большинство компьютеров в своих основных чертах соответствует принципам фон Неймана, но схема устройства современных компьютеров несколько отличается от классической схемы. В частности, арифметическо-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в центральный процессор. Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах.
Физика современного компьютера Принцип работы мониторовПринцип работы магнитных носителей информацииДинамикиКлавиатура компьютера ЗаключениеПримеры использования компьютеров
Принцип работы мониторов Принцип работы ЖК монитораПринцип работы ЭЛ монитораНаглядное сравнение мониторов
Работа ЖКД основана на явлении поляризации светового потока. Известно, что так называемые кристаллы поляроиды способны пропускать только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляроида. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Таким образом поляроид как бы "просеивает" свет, данный эффект называется поляризацией света. Когда были изучены жидкие вещества, длинные молекулы которых чувствительны к электростатическому и электромагнитному полю и способны поляризовать свет, появилась возможность управлять поляризацией. Эти аморфные вещества за их схожесть с кристаллическими веществами по электрооптическим свойствам, а также за способность принимать форму сосуда, назвали жидкими кристаллами.
Основываясь на этом открытии и в результате дальнейших исследований, стало возможным обнаружить связь между повышением электрического напряжения и изменением ориентации молекул кристаллов для обеспечения создания изображения. Первое свое применение жидкие кристаллы нашли в дисплеях для калькуляторов и в электронных часах, а затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров. Сегодня, в результате прогресса в этой области, начинают получать все большее распространение LCD-дисплеи для настольных компьютеров.
Принцип работы ЭЛ монитора Монитор состоит из электронно-лучевой трубки, блока питания и электронного блока управления лучом. Принцип действия монитора на базе электронно-лучевой трубки заключается в том, что испускаемый электродом (электронной пушкой) пучок электронов, попадая на экран, покрытый специальным составом - люминофором, - вызывает его свечение. Направление пучка электронов задают также дополнительные электроды: отклоняющая система, позволяющая изменять направление пучка, и модулятор, регулирующий яркость получаемого изображения. Электронный луч периодически сканирует экран, образуя на нем строки развертки. По мере движения луча по строкам видеосигнал, подаваемый на модулятор, изменяет яркость определенных пикселей, образуя некоторое видимое изображение.
Разрешающая способность монитора определяется числом пикселей, из которых и формируется изображение на экране. В случае цветного монитора имеются не одна, а три электронных пушки с отдельными схемами управления, а на поверхность экрана нанесен люминофор трех основных цветов: красного (R), зеленого (G), синего (B) - (Red, Blue, Green - аббревиатура "RGB"). Таким образом, каждая пушка "стреляет" по своей цели. Для этого в каждом мониторе имеется либо теневая маска, либо так называемая апертурная решетка . Теневая маска имеет систему отверстий, а апертурная решетка - систему щелей. В основном применяются кинескопы двух типов: плоско-прямоугольные (наиболее распространены) и вертикально-плоские. В плоско-прямоугольных кинескопах экраны на самом деле не плоские и не прямоугольные, выглядят такими по сравнению с обычными кинескопами за счет большого радиуса кривизны. В вертикально-плоских кинескопах экран действительно плоский по вертикали, по горизонтали имеет кривизну (как вырезанные из цилиндра). Шаг триад - это расстояние (в мм) между двумя ближайшими точками люминофора одного цвета свечения. Чем меньше шаг триад, тем выше потенциальная четкость изображения. Типичные значения для шага триад составляют 0,28 мм; 0,26 мм; 0,24 мм.
Размеры монитора на основе ЭЛТ и жидких кристаллов
Магнитные носители информацииHard driveLaser drive
Принцип работы магнитных носителей информации. Основные принципы работы жесткого диска мало изменились со дня егосоздания. Устройство винчестера очень похоже на обыкновенный проигрывательгрампластинок. Только под корпусом может быть несколько пластин, насаженныхна общую ось, и головки могут считывать информацию сразу с обеих сторонкаждой пластины. Скорость вращения пластин (у некоторых моделей она доходиядо 15000 оборотов в минуту) постоянна и является одной из основныххарактеристик. Головка перемещается вдоль пластины на некоторомфиксированном расстоянии от поверхности. Чем меньше это расстояние, тембольше точность считывания информации, и тем больше может быть плотностьзаписи информации. Взглянув на накопитель на жестком диске, вы увидитетолько прочный металлический корпус. Он полностью герметичен и защищаетдисковод от частичек пыли, которые при попадании в узкий зазормежду головкой и поверхностью диска могут повредить чувствительный магнитный слой и вывести диск из строя. Кроме того, корпус экранирует накопитель от электромагнитных помех .
Магнитные головки считывают и записывают информацию на диски. Принцип записи в общем схож с тем, который используется в обычном магнитофоне. Цифровая информация преобразуется в переменный электрический ток, поступающий на магнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в виде магнитного поля, которое диск может воспринять и "запомнить". Магнитное покрытие диска представляет собой множество мельчайших областей самопроизвольной (спонтанной) намагниченности. Для наглядности представьте себе, что диск покрыт слоем очень маленьких стрелок от компаса, направленных в разные стороны. Такие частицы-стрелки называются доменами. Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с его направлением. После прекращения действия внешнего поля на поверхности диска образуются зоны остаточной намагниченности. Таким образом сохраняется записанная на диск информация. Участки остаточной намагниченности, оказавшись при вращении диска напротив зазора магнитной головки, наводят в ней электродвижущую силу, изменяющуюся в зависимости от величины намагниченности. Пакет дисков, смонтированный на оси-шпинделе, приводится в движение специальным двигателем, компактно расположенным под ним.
Скорость вращения дисков, как правило, составляет 7200 об./мин. Для того, чтобы сократить время выхода накопителя в рабочее состояние, двигатель при включении некоторое время работает в форсированном режиме. Поэтому источник питания компьютера должен иметь запас по пиковой мощности. Теперь о работе головок. Они перемещаются с помощью прецизионного шагового двигателя и как бы "плывут" на расстоянии в доли микрона от поверхности диска, не касаясь его. На поверхности дисков в результате записи информации образуются намагниченные участки, в форме концентрических окружностей. Они называются магнитными дорожками. Перемещаясь, головки останавливаются над каждой следующей дорожкой. Совокупность дорожек, расположенных друг под другом на всех поверхностях, называют цилиндром. Все головки накопителя перемещаются одновременно, осуществляя доступ к одноименным цилиндрам с одинаковыми номерами.
Компьютерный компакт-диск В проигрывателях лазерных дисков и в компьютерах используются полупроводниковые лазеры . Малая расходимость лазерного пучка позволяет получать с помощью оптических систем очень узкие световые пучки, необходимые для записи и считывания информации с очень высокой пространственной плотностью.
КЛАВИАТУРА - основное устройство ввода информации в компьютер, представляющее собой совокупность механических датчиков, при давлении на клавиши замыкающих определенную электрическую цепь. Наиболее распространены два типа клавиатур: с механическими и мембранными переключателями. Внутри корпуса любой клавиатуры, помимо датчиков клавиш, расположены электронные схемы дешифрации и микроконтроллер клавиатуры.Клавиатура компьютера очень похожа на клавиатуру обычной пишущей машинки. На ней имеются кнопки для всех букв алфавита (очень часто — нескольких алфавитов), отдельная цифровая клавиатура, а также специальные клавиши для управления компьютером. Некоторые клавиши и комбинации клавиш напрямую управляют работой компьютера. С ними нужно обходиться особенно осторожно.С помощью кабеля клавиатура соединяется с системным блоком. Бывают и беспроводные клавиатуры, которые связываются с компьютером посредством световых или радио-сигналов.
Конденсаторы в клавиатуре компьютера
Основной тенденцией развития клавиатур персональных компьютеров является повышение их эргономических качеств. После выявления у интенсивно работающих на клавиатуре пользователей профессиональных заболеваний кистей рук («туннельный» синдром лучезапястного сустава) появилась эргономичная клавиатура, которая имеет своеобразную изогнутую форму, позволяющую поддерживать локти в разведенном положении. Некоторые клавиатуры можно разделить на две половинки и разместить их на удобном расстоянии друг от друга.
Без компьютеров было бы невозможно быстро обрабатывать рентгеноструктурные и ЯМР-данные, создавать сложные модели, отвечающие всему комплексу экспериментальных данных. Для построения адекватных моделей часто приходится анализировать свойства больших ансамблей молекул и частиц или поведение неравновесных систем. Строятся модели таких сложных феноменов и процессов организменного уровня, как научение и память, восприятие света и звука, кровообращение, мышечное сокращение, распределение в организме продуктов метаболизма. Разрабатываются методы предсказания трехмерной структуры макромолекул и моделирования флуктуаций, происходящих в этих структурах за времена порядка пикосекунд (триллионных долей секунды). Биофизики участвуют также в анализе нуклеотидных последовательностей ДНК, проводящемся в рамках международной программы «Геном человека».
Компьютер и электронные средства связи составляют ядро современных систем накопления и поиска информации. Например, через настольный компьютер или другой терминал можно получить по телефону доступ к файлам местного или удаленного информационного центра и автоматически найти нужную информацию. Виды деятельности, требующие использования бумаги, такие, как чтение газет, написание писем и банковское дело, со временем будут заменены их электронными эквивалентами. Библиотека будущего будет содержать меньше бумаги – книг, каталожных карточек, журналов – и больше информации, просматриваемой электронным способом.
Читайте также: