АлматинскийТехнологический Университет
УСТРОЙСТВОПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА
Выполнила:
Студентка1ого курса
Технологическогофакультета
ТПШИ 03-01
КутумбетоваСалтанат
Проверила:
Егинбаева Б.Е.
Алматы, 2003 г.
Введение.
Компьютер (англ. computer— вычислитель) представляет собой программируемое электронное устройство,способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнятьдругие задачи манипулирования символами.
Существует два основныхкласса компьютеров:
— цифровые компьютеры,обрабатывающие данные в виде числовых двоичных кодов;
— аналоговые компьютеры,обрабатывающие непрерывно меняющиеся физические величины (электрическоенапряжение, время и т.д.), которые являются аналогами вычисляемых величин.
Поскольку в настоящеевремя подавляющее большинство компьютеров являются цифровыми, далее будемрассматривать только этот класс компьютеров и слово «компьютер»употреблять в значении «цифровой компьютер».
Основу компьютеровобразует аппаратура (HardWare), построенная, в основном, с использованиемэлектронных и электромеханических элементов и устройств. Принцип действиякомпьютеров состоит в выполнении программ (SoftWare) — заранее заданных, четкоопределённых последовательностей арифметических, логических и других операций.
Любая компьютернаяпрограмма представляет собой последовательность отдельных команд.
Команда — это описаниеоперации, которую должен выполнить компьютер. Как правило, у команды есть свойкод (условное обозначение), исходные данные (операнды) и результат.
Например, у команды«сложить два числа» операндами являются слагаемые, а результатом — ихсумма. А у команды «стоп» операндов нет, а результатом являетсяпрекращение работы программы.
Результат командывырабатывается по точно определенным для данной команды правилам, заложенным вконструкцию компьютера.
Совокупность команд,выполняемых данным компьютером, называется системой команд этого компьютера.
Компьютеры работают сочень высокой скоростью, составляющей миллионы — сотни миллионов операций всекунду.
Персональные компьютеры,более чем какой-либо другой вид ЭВМ, способствуют переходу к новым компьютерныминформационным технологиям, которым свойственны:
— дружественныйинформационный, программный и технический интерфейс с пользователем;
— выполнениеинформационных процессов в режиме диалога с пользователем;
— сквозная информационнаяподдержка всех процессов на основе интегрированных баз данных;
— так называемая«безбумажная технология».
Компьютер — этомногофункциональное электронное устройство для накопления, обработки и передачиинформации.
Под архитектуройкомпьютера понимается его логическая организация, структура и ресурсы, т.е.средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработкиданных на определенный интервал времени.
В основу построениябольшинства ЭВМ положены принципы, сформулированные в 1945 г. Джоном фон Нейманом:
1. Принцип программногоуправления (программа состоит из набора команд, которые выполняются процессоромавтоматически друг за другом в определённой последовательности).
2. Принцип однородностипамяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти; над командамиможно выполнять такие же действия, как и над данными).
3. Принцип адресности(основная память структурно состоит из нумерованных ячеек).
ЭВМ, построенные на этихпринципах, имеют классическую архитектуру (архитектуру фон Неймана).
Архитектура ПК определяетпринцип действия, информационные связи и взаимное соединение основныхлогических узлов компьютера:
— центрального процессора;
— основной памяти;
— внешней памяти;
— периферийных устройств.
Основные электронныекомпоненты, определяющие архитектуру процессора, размещаются на основной платекомпьютера, которая называется системной или материнской (MotherBoard). Аконтроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства,выполняются в виде плат расширения (DаughterBoard — дочерняя плата) и подключаютсяк шине с помощью разъёмов расширения, называемых также слотами расширения(англ. slot — щель, паз).
I.Функционально-структурная организация.
Основныеблоки ПК и их значение
Архитектуракомпьютераобычно определяется совокупностью ее свойств, существенных для пользователя.Основное внимание при этом уделяется структуре и функциональным возможностяммашины, которые можно разделить на основные и дополнительные.
Основные функции определяют назначение ЭВМ:обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами. Дополнительные функции повышают эффективностьвыполнения основных функций: обеспечивают эффективные режимы ее работы, диалогс пользователем, высокую надежность и др. Названные функции ЭВМ реализуются спомощью ее компонентов: аппаратных и программных средств.
Структуракомпьютера — это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействиявходящих в нее компонентов.
Персональныйкомпьютер-этонастольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности иуниверсальности применения.
Достоинствами ПК являются:
— малая стоимость,находящаяся в пределах доступности для индивидуального покупателя;
— автономностьэксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;
— гибкость архитектуры,обеспечивающая ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления,науки, образования, в быту;
— «дружественность»операционной системы и прочего программного обеспечения, обусловливающаявозможность работы с ней пользователя без специальной профессиональной подготовки;
— высокая надежностьработы (более 5 тыс. ч наработки на отказ).
Структураперсонального компьютера
Рассмотрим состав иназначение основных блоков ПК.
Примечание. Здесь и далееорганизация ПК рассматривается применительно к самым распространенным внастоящее время IBM PC-подобным компьютерам.
Микропроцессор(МП). Этоцентральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машиныи для выполнения арифметических и логических операций над информацией.
В состав микропроцессоравходят:
устройствоуправления (УУ) — формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенныесигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемойоперации и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти,используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующиеблоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов устройство управления получаетот генератора тактовых импульсов;
арифметико- логическое устройство (АЛУ) -предназначено для выполнения всех арифметических и логическихопераций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК дляускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор);
микропроцессорнаяпамять (МПП)-служит для кратковременного характера, записи и выдачи информации,непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины, ибоосновная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска исчитывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессор.Регистры — быстродействующиеячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину1 байт и более низкое быстродействие);
интерфейснаясистема микропроцессора — реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК; включает всебя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управленияпортами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной. Интерфейс (interface)-совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая ихэффективное взаимодействие.Портввода-вывода (I/O — Input/Output port) — аппаратура сопряжения,позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК.
Генератортактовых импульсов. Он генерирует последовательность электрических импульсов; частотагенерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины.
Промежуток времени междусоседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины.
Частота генератора тактовыхимпульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера иво многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машиневыполняется за определенное количество тактов.
Системнаяшина.
Это основная интерфейснаясистема компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств междусобой.
Системная шина включает всебя:
кодовуюшину данных (КШД),содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядовчислового кода (машинного слова) операнда;
кодовуюшину адреса (КША),включающую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядовкода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;
кодовуюшину инструкций(КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций(управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины;
шинупитания, имеющуюпровода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.
Системная шинаобеспечивает три направления передачи информации:
— между микропроцессороми основной памятью;
— между микропроцессороми портами ввода-вывода внешних устройств;
— между основной памятьюи портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).
Не блоки, а точнее ихпорты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки)подключаются к шине единообразно: Непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управлениесистемной шины осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, чточаще, через дополнительную микросхему- контроллершины, формирующий основные сигналы управления.
Основнаяпамять (ОП).Она предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочимиблоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянноезапоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
ПЗУ служит для хранения неизменяемой(постоянной) программной и справочной информации, позволяет оперативно толькосчитывать хранящуюся в нем информацию (изменить информацию в ПЗУ нельзя).
ОЗУпредназначено дляоперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных),непосредственно участвующей в информационно — вычислительном -процессе,выполняемом ПК в текущий период времени. Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокоебыстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямойадресный доступ к ячейке). В качестве недостаткаОЗУ следует отменить невозможность сохранения информации в ней после выключенияпитания машины ( энергозависимость).
Внешняяпамять.Она относится к внешним устройствамПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая можеткогда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памятихранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память содержитразнообразные виды запоминающих устройств, но наиболее распространенными,имеющимися практически на любом компьютере, являются накопители на жестких (HDD) и гибких (HD) магнитных дисках.
Назначение этихнакопителей — хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимойинформации по запросу в оперативное запоминающее устройство. В качествеустройств внешней памяти используются также запоминающие устройства на магнитнойдискете, накопители на оптических дисках (CD-ROM-Compact Disk Read Only, DVD, Memory-компакт-диск с памятью,только читаемой) и др.
Источникпитания. Этоблок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.
Таймер. Это внутримашинные электронныечасы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего моментавремени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключаетсяк автономному источнику питания — аккумулятору и при отключение машины от сетипродолжает работать.
Прерывание — временный останов выполнения однойпрограммы в целях оперативного выполнения другой, а в данный момент болееважной (приоритетной) программы.
Прерывания возникают приработе компьютеры постоянно. Достаточно сказать, что все процедуры ввода-выводаинформации выполняются по прерываниям, например прерывания от таймера возникаюти обслуживаются контроллером прерываний 18 раз в секунду (естественно,пользователь их не замечает).
Контроллерпрерыванийобслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешнихустройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигналпрерывания в МП. МП, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущейпрограммы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания тогопрерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программыобслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы. Контроллерпрерывания.
Внутримашинныйсистемный интерфейс.
Внутримашинныйсистемный интерфейс — система связи и сопряжения узлов и блоков ЭВМ между собой -представляет собойсовокупность электрических линий связи (проводов), схем сопряжения скомпонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразованиясигналов.
Существует два вариантаорганизации внутримашинного интерфейса.
1. Многосвязный интерфейс: каждый блок ПКсвязан с прочими блоками своими локальными проводами; интерфейс применяется,как правило, только в простейших бытовых.
2.Односвязный интерфейс: все блоки ПКсвязаны друг с другом через общую или системную шину.
В подавляющем большинствесовременных ПК в качестве системного интерфейса используется системная шина. Структура и состав системной шины были рассмотреныранее. Важнейшими функциональными характеристиками системной шины являются: количествообслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность, т.е. максимальновозможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит отее разрядности ( есть шины 8-,16-,32- и 64- разрядные) и тактовой частоты, накоторой шина работает.
В качестве системной шиныв разных ПК использовались и могут использоваться:
шинырасширений — шиныобщего назначения, позволяющие подключать большое число самых разнообразныхустройств;
локальныешины,специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройствопределенного класса.
Шинырасширений
ШинаMultibus 1 имеет две модификации: PC/XTbus (personal Computer eXtended Technology )- ПК с расширенной техлогией ) иPC/AT bus (PC Advachnology — ПК с усовершенствованной технологией ).
ШинаPC/XT bus — 8-раазрядная шина данных и 20-разрядная шина адреса, рассчитанная на тактовуючастоту 4,77 МГц; имеет 3 линии для адаптерных прерываний и 3 канала дляпрямого доступа в память ( каналы DMA — Direkt Memory Access). Шина адресаограничивала адресное пространство микропроцессора величиной 1 Мбайт.Используется с МП 8086,8088.
ШинаPC/At bus — 16разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота до 8МГц, но может использоваться и МП с тактовой частотой 16 МГц, так какконтроллер шины может делить частоту пополам; имеет 7 линий для адаптерныхпрерываний и 4 канала DMA. Используется с МП 80286
ШинаISA ( IndustryStandard Architecture — архитектура промышленного стандарта ) — 16-разряднаяшина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота 16 МГц, номожет использоваться и МП с тактовой частотой 50 МГц (коэффициент деленияувеличен ); по сравнению с шинами PC/XT и PC /AT увеличено количество линийаппаратных прерываний с 7 до 15 и каналов прямого доступа к памяти DMA с 7 до11. Благодаря 24-разрядной шине адреса адресное пространство увеличилось с 1 до16 Мбайт. Теоретическая пропускная способность шины данных равна 16 Мбайт /с,но реально она ниже, около 3-5 Мбайт/с, ввиду ряда особенностей ее использования.С появлением 32-разрядных высокоскоростных МП шина ISA стала существеннымпрепятствием увеличения быстродействия ПК.
ШинаEISA ( Extended ISA) — 32-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, создана в 1989 г. Адресное пространство шины 4 Гбайта, пропускная способность 33 Мбайт /с, причем скоростьобмена по каналу МП- КЭШ -ОП определяется параметрами микросхем памяти,увеличено число разъемов расширений, ( теоретически может подключаться до 15устройств, практически до- 10 ). Улучшена система прерываний, шина EISAобеспечивает автоматическое конфигурирование системы и управление DMA;полностью совместима с шина ISA( есть разъемы для подключения ISA ), шинаподдерживает многопроцессорную архитектуру вычислительных систем. Шина EISAвесьма дорогая и применяется в скоростных ПК, сетевых серверах и рабочихстанциях.
ШинаMCA ( Micro ChannelArchitecture) — 32-разрядная шина, созданная фирмой IBM в 1987 г. для машин PC /2, пропускная способность 76 Мбайт/с, рабочая частота 10-20 Мгц. По своимпрочим характеристикам близка к шине EISA, но не совместима ни с ISA, ни с EISA.Поскольку ЭВМ PS/2 не получили широкого распространения, в первую очередь ввидуотсутствия наработанного обилия прикладных программ, шина MCA такжеиспользуется не очень широко.
Локальныешины
Современныевычислительные системы характеризуются:
стремительным ростомбыстродействия микропроцессоров ( например, МП Pentium может выдавать данные соскоростью 528 Мбайт /с по 64-разрядной шине данных ) и некоторых внешнихустройств ( так, для отображения цифрового полноэкранного видео с высоким качествомнеобходима пропускная способность 22 Мбайт/с );
появлением программ,требующих выполнения большого количества интерфейсных операций (например,программы обработки графики в Windows, работа в среде Multimedia).
В этих условияхпропускной способности шин расширения, обслуживающих одновременно несколькоустройств, оказалось недостаточно для комфортной работы пользователей, ибо компьютерыстали подолгу «задумываться ».
Разработчики интерфейсовпошли по пути создания локальных шин, подключаемых непосредственно к шине МП,работающих на тактовой частоте МП, (но не на внутренней рабочей его частоте) иобеспечивающих связь с некоторыми скоростными внешними по отношению к МП,устройствами: основной и внешней памятью, видеосистемами и др.
Сейчас существуют дваосновных стандарта универсальных локальных шин: VLB и PCI.
ШинаVLB (VЕSA LocalBus- локальная шина VESA) -разработана в 1992 г. Ассоциацией стандартов видеооборудования (VESA — Video Electronics Standards Association), поэтому часто ееназывают шиной VESA.
ШинаVLB, по существу,является расширением внутренней шины МП для связи с видеоадаптером и реже свинчестером, на подходе 64-разрядный вариант шины. Реальная скорость передачиданных по VLB -80 Мбайт /с (теоретически достижимая — 132 Мбайт /с).
Недостатки шины:
рассчитана на работу МП80386 ,80486, не адаптирована для процессоров Pentium, Pentium Pro, Power PC;
жесткая зависимость оттактовой частоты МП (каждая шина VLB рассчитана только на конкретную частоту);
малое количествоподключаемых устройств — к шине VLB могут подключаться только четыреустройства;
отсутствует арбитраж шины- могут быть конфликты между подключаемыми устройствами.
Шина PCI (PeripheralComponent Interconnect — соединение внешних устройств)- разработана в 1993 г. фирмой Intel.
Шина PCI является намного более универсальной, чем VLB. Имеет свой адаптер, позволяющий ейнастраиваться на работу с любым МП: 80486, Pentium, Pentium Pro, Power PC идр.; она позволяет подключать 10 устройств самой разной конфигурации свозможностью автоконфигурирования, имеет свой «арбитраж», средствауправления передачей данных. Шина PCI пока еще весьма дорогая.
Разрядность PCI -32 битас возможностью расширения до 64 бит, теоретическая пропускная способность 132Мбайта/с (реальная вдвое ниже).
Шина PCI хотя и являетсялокальной, выполняет и многие функции шины расширения, в частности, шинырасширения ISA, EISA, MCA (а она совместима сними) при наличии шины PCIподключаются не посредственно к МП (как это имеет место при использовании шиныVLB ) а к самой шине PCI (через интерфейс расширения).
Варианты конфигурациисистем с шинами VLB и PCI показаны соответствено на рис. 4.3 и 4.4. Следуетиметь ввиду, что использование в ПК шин VLB и PCI возможно только при наличиисоответствующей VLB — или PCI-материнской платы. Выпускаются материнские платыс мультишинной структурой, позволяющей использовать ISA/EISA, VLB и PCI, такназываемые материнские платы с шиной VIP (по начальным буквам VLB, ISA и PCI).
Но в настоящее времяплаты с шинами VLB непроизводится и отмирает шина ISA,появились новые шины, такие как AGP,предназначенные для видеоадаптеров с высокой пропускной способностью или такназываемые 3D ускорители.
Функциональныеустройства ПК
Основнымихарактеристиками ПК являются:
1.Быстродействие, производительность, тактовая частота.
Единицами измерения быстродействияслужат:
МИПС (MIPC -VegaInstruction Per Second)- миллион операций над числами с фиксированной запятой(точкой):
МФЛОПС (MFLOPS- MegaFloating Operations Second)- миллион операций над числами с плавающей запятой(точкой);
КОПС (KOPS- Kilo OperationsPer Second)-для низкопроизводительных ЭВМ — тысяча неких усредненных операцийнад числами;
ГФЛОПС (GFLOPS — GigаFloating Operations Per Second) -миллиард операций в секунду над числами сплавающей запятой (точкой).
Оценка производительностиЭВМ всегда приблизительная, ибо при этом ориентируются на некоторые усредненныеили, наоборот, на конкретные виды операций. Реально при решении различных задачиспользуются и различные наборы операций. Поэтому для характеристики ПК вместопроизводительности обычно указывают тактовую частоту, более объективноопределяющую быстродействие машины. И так как каждая операция требует длясвоего выполнения вполне определенного количество тактов. Зная тактовуючастоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машиннойоперации.
2. Разрядность машины и кодовых шин интерфейса.
Разрядность-это максимальное количество разрядовдвоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция,в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, припрочих равных условиях, будет больше и производительность ПК.
3. Типы системного и локальных интерфейсов.
Разные типы интерфейсовобеспечивают разные сроки передачи информации между узлами машины, позволяютподключать разное количество внешних устройств и различные их виды.
4. Емкость оперативной памяти.
Емкость оперативнойпамяти измеряется чаще всего в мегабайтах (Мбайт). Напоминаем: 1 Мбайт = 1024Кбайта = 1024 байт.
Многие современныеприкладные программы при оперативной памяти емкостью меньше 32 Мбайл просто неработают, либо работают, но очень медленно.
Следует иметь в виду, чтоувеличение емкости основной памяти в два раза, помимо всего прочего, даетповышение эффективной производительности ЭВМ при решении сложных задач примернов 1,7 раза.
5. Емкость накопителя на жестких магнитных дисках.(винчестера).
Емкость винчестераизмеряется обычно в мегабайтах или гигабайтах (1 Гбайт = 1024 Мбайта).
6. Тип и емкость накопителей на гибких магнитных дискахи лазерных компакт дисков.
Сейчас применяютсянакопители на гибких магнитных дисках, использующие дискеты размером 3,5 и 5,25 дюйма (практически уже не применяются) (1 дюйм = 25,4 мм). Первые имеют стандартную емкость 1,44Мбайта, вторые 1,2 Мбайта. Также применяются накопители на компакт дисках всвязи с их низкой стоимостью и большой емкостью, размером 650 и 700 Мb, применяются лазерныеперезаписываемые диски CD-RW емкостью 650 – 700 Mb. Применяются и такой тип накопителякак DVD. Высокие технологии и высокаястоимость, но и большая емкость до 24 Gb.
7. Виды и емкость КЭШ-памяти.
КЭШ-память — этобуферная, недоступная для пользователей быстродействующая память, автоматическииспользуемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся вболее медленно действующих запоминающих устройствах. Например, для ускоренияопераций с основной памятью организуется регистровая КЭШ-память внутри микропроцессора(КЭШ-память первого уровня) или вне микропроцессора на материнской плате(КЭШ-память второго уровня); для ускорения операций с дисковой памятьюорганизуется КЭШ-память на ячейка электронной памяти.
Следует иметь в виду, чтоналичие КЭШ-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность ПКпримерно на 20%. Встречается емкость КЭШ-памяти и 512 Кбайт.
8. Тип видеомонитора (дисплея) и видеоадаптера.
9.Тип принтера.
10. Наличие математического сопроцессора.
Математическийсопроцессор позволяет в десятки раз ускорить выполнение операций над двоичнымичислами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами.
11. Имеющееся программное обеспечение и вид операционнойсистемы.
12. Аппаратная и программная совместимость с другимитипами ЭВМ.
Аппаратная и программная совместимостьс другими типами ЭВМ означает возможность использования на компьютересоответственно тех же технических элементов и программного обеспечения, что ина других типах машин.
13. Возможность работы в вычислительной сети.
14. Взможность работы в многозадачном режиме.
Многозадачный режимпозволяет выполнять вычисления одновременно по нескольким программам(многопрограммный режим) или для нескольких пользователей (многопользовательскийрежим). Совмещение во времени работы нескольких устройств машины, возможное втаком режиме, позволяет значительно увеличить эффективное быстродействие ЭВМ.
15. Надежность.
Надежность — этоспособность системы выполнять полностью и правильно все заданные ей функции.Надежность ПК измеряется обычно средним временем наработки на отказ.
16.Стоимость.
17. Габариты и масса
II.Микропроцессоры.
Микропроцессор, иначе,центральный процессор.
Центральный процессор(CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основной рабочий компоненткомпьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданныепрограммой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всехустройств компьютера.
Центральный процессор вобщем случае содержит в себе:
— арифметико-логическоеустройство;
— шины данных и шиныадресов;
— регистры;
— счетчики команд;
— кэш — очень быструюпамять малого объема (от 8 до 512 Кбайт);
— математическийсопроцессор чисел с плавающей точкой.
Современные процессорывыполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собойинтегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольнойформы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещенысхемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещаетсяв пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводкамис металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной платекомпьютера.
В вычислительной системеможет быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называютсямногопроцессорными.
Первый микропроцессор былвыпущен в 1971 г. фирмой Intel (США) — МП 4004. В настоящее время выпускаетсянесколько сотен различных микропроцессоров, но наиболее популярными ираспространенными являются микропроцессоры фирмы Intel и AMD.
Структурамикропроцессора
Устройствоуправления
Устройствоуправления являетсяфункционально наиболее сложным устройством ПК. Он вырабатывает управляющиесигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций во все блоки машины.
Упрощенная функциональнаясхема УУ показана на рис. 4.5. Здесь представлены:
Регистркоманд — запоминающий регистр, в котором хранится код команды: код выполняемой операциии адреса операндов, участвующих в операции. Регистр команд расположен винтерфейсной части МП, в блоке регистров команд.
Дешифраторопераций — логический блок, выбирающий в соответствии с поступающим из регистра командкодом операции (КОП) один из множества имеющихся у него выходов.
Постоянное запоминающееустройство микропрограмм — хранит в своих ячейках управляющие сигналы(импульсы), необходимые для выполнения в блоках ПК операций обработкиинформации. Импульс по выбранному дешифратором операций в соответствии с кодомоперации считывает из ПЗУ микропрограмм необходимую последовательностьуправляющих сигналов.
Узел формирования адреса(находится в интерфейсной части МП)- устройство, вычисляющее полный адресячейки памяти (регистра) по реквизитам, поступающим из регистра команд ирегистров МПП.
Кодовые шины данных,адреса и инструкций — часть внутренней шины микропроцессора. В общем случае УУформирует управляющие сигналы для выполнения следующих основных процедур.
выборки из регистра-счетчикаадреса команды МПП адреса ячейки ОЗУ, где хранится очередная команда программы;
выборки ИЗ ячеек ОЗУ кодаочередной команды и приема считанной команды в регистр команд;
расшифровки кода операциии признаков выбранной команды;
считывания из соответствующихрасшифрованному коду операции ячеек ПЗУ микропрограмм управляющих сигналов(импульсов), определяющих во всех блоках машины процедуры выполнения заданнойоперации, и пересылки управляющих сигналов в эти блоки;
считывания из регистракоманд и регистров МПП отдельных составляющих адресов операндов (чисел),участвующих в вычислениях, и формирования полных адресов операндов;
выборки операндов (посформированным адресам ) и выполнения заданной операции обработки этихоперандов;
записи результатов операциив память;
формирования адресаследующей команды программы.
Арифметико-логическоеустройство
Арифметикo-логическоеустройствопредназначено для выполнения арифметических и логических операцийпреобразования информации.
Функционально АЛУ (рис.2) состоит обычно из двух регистров, сумматора и схем управления (местногоустройства управления).
/>
Рис. 2. Функциональнаясхема АЛУ
Сумматор — вычислительнаясхема, выполняющая процедуру сложения поступающих на ее вход двоичных кодов;сумматор имеет разрядность двойного машинного слова.
Регистрыбыстродействующие ячейки памяти различной длины: регистр 1 (Pr1) имеет разрядностьдвойного слова, а регистр 2 (Pr2)-разрядность слова.
При выполнении операции вPr1 помещается первое число, участвующее в операции, а по завершении операции — результат; в Pr2- второе число, участвующее в операции (по завершении операцииинформация в нем не изменяется). Регистр 1 может принимать информацию с кодовыхшин данных, и выдавать информацию с этих шин.
Схемы управленияпринимают по кодовым шинам инструкций управляющие сигналы от устройствауправления и преобразуют их в сигналы для управления работой регистров и сумматораАЛУ.
АЛУ выполняетарифметические операции (+,-,*,:)только над двоичной информацией с запятой,фиксированной после последнего разряда, т.е. только над целыми двоичными числами.
Выполнение операций наддвоичными числами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичнымичислами осуществляется или с привлечением математического сопроцессора, или поспециально составленным программам.
Микропроцессорнаяпамять
Микропроцессорнаяпамять - памятьнебольшой емкости, но чрезвычайно высокого быстродействия (время обращения кМПП, т.е. время, необходимое на поиск, запись или считывание информации из этойпамяти, измеряется наносекундами).
Она предназначена длякратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно вближайшие такты работы машины участвующей в вычислениях; МПП используется дляобеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная не всегда обеспечиваетскорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективнойработы быстродействующего микропроцессора.
Микропроцессорная памятьсостоит из быстродействующих регистров с разрядностью не менее машинного слова.Количество и разрядность регистров в разных микропроцессорах различны.
Регистры микропроцессораделятся на регистры общего назначения и специальные.
Специальные регистрыприменяются для хранения различных адресов (адреса команды, например),признаков результатов выполнения операций и режимов работы ПК (регистр флагов,например) и др.
Регистры общегоназначения являются универсальными и могут использоваться для хранения любойинформации, но некоторые из них тоже должны быть обязательно задействованы привыполнении ряда процедур.
Интерфейснаячасть микропроцессора
Интерфейсная часть МПпредназначена для связи и согласования МП системной шиной ПК, а также дляприема, предварительного анализа команд выполняемой программы и формированияполных адресов операндов и команд.
Интерфейсная частьвключает в свой состав адресные регистры МПП, узел формирования адреса, блокрегистров команд, являющийся буфером команд в МП, внутреннюю интерфейсную шинуМП и схемы управления шиной и портами ввода-вывода.
Портыввода-вывода — этопункты системного интерфейса ПК, через которые МП обменивается информацией сдругими устройствами. Всего портов у МП может быть 65536. Каждый порт имеетадрес — номер порта, соответствующий адресу ячейки памяти, являющейся частьюустройства ввода-вывода, использующего этот порт, а не частью основной памятикомпьютера.
Порт устройства содержитаппаратуру сопряжения и два регистра памяти — для обмена данными и обменауправляющей информацией. Некоторые внешние устройства используют и основнуюпамять для хранения больших объемов информации, подлежащей обмену. Многиестандартные устройства (НЖМД, НГМД, клавиатура, принтер, сопроцессор и др.)имеют постоянно закрепленные за ними порты ввода-вывода.
Схема управления шиной ипортами выполняет следующие функции:
— формирование адресапорта и управляющей информации для него (переключение порта на прием илипередачу и др.);
— прием управляющейинформации от порта, информации о готовности порта и его состоянии;
— организацию сквозногоканала в системном интерфейсе для данных между портом устройства ввода-вывода иМП.
Схема управления шиной ипортами использует для связи с портами кодовые шины инструкций, адреса и данныхсистемной шины: при доступе к порту МП посылает сигнал по КШИ, которыйоповещает все устройства ввода-вывода, что адрес на КША является адресом порта,а затем посылает и сам адрес порта. То устройство, адрес порта которогосовпадает, дает ответ о готовности, после чего по КШД осуществляется обменданными.
III. Запоминающие устройства ПК.
Память компьютерапостроена из двоичных запоминающих элементов — битов, объединенных в группы по8 битов, которые называются байтами. (Единицы измерения памяти совпадают сединицами измерения информации). Все байты пронумерованы. Номер байтаназывается его адресом.
Байты могут объединятьсяв ячейки, которые называются также словами. Для каждого компьютера характернаопределенная длина слова — два, четыре или восемь байтов. Это не исключаетиспользования ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово).
Как правило, в одноммашинном слове может быть представлено либо одно целое число, либо однакоманда. Однако, допускаются переменные форматы представления информации.
Разбиение памяти на словадля четырехбайтовых компьютеров представлено в таблице:Байт 0 Байт 1 Байт 2 Байт 3 Байт 4 Байт 5 Байт 6 Байт 7 ПОЛУСЛОВО ПОЛУСЛОВО ПОЛУСЛОВО ПОЛУСЛОВО СЛОВО СЛОВО ДВОЙНОЕ СЛОВО
Широко используются иболее крупные производные единицы объема памяти: Килобайт, Мегабайт, Гигабайт,а также, в последнее время, Терабайт и Петабайт.
Современные компьютерыимеют много разнообразных запоминающих устройств, которые сильно отличаютсямежду собой по назначению, временным характеристикам, объёму хранимой информациии стоимости хранения одинакового объёма информации.
Различают два основныхвида памяти — внутреннюю и внешнюю.
В состав внутреннейпамяти входят оперативная память, кэш-память и специальная память.
/>
Оперативнаяпамять.
Оперативная память (ОЗУ,англ. RAM, Random Access Memory — память с произвольным доступом) — это быстроезапоминающее устройство не очень большого объёма, непосредственно связанное спроцессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемыхпрограмм и данных, обрабатываемых этими программами.
Оперативная памятьиспользуется только для временного хранения данных и программ, так как, когдамашина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает. Доступ к элементамоперативной памяти прямой — это означает, что каждый байт памяти имеет свойиндивидуальный адрес.
Объем ОЗУ обычносоставляет 32 — 512 Мбайта, а для эффективной работы современного программногообеспечения желательно иметь не менее 256 Мбайт ОЗУ. Обычно ОЗУ исполняется изинтегральных микросхем памяти DRAM (Dynamic RAM — динамическое ОЗУ). МикросхемыDRAM работают медленнее, чем другие разновидности памяти, но стоят дешевле.
Каждый информационный битв DRAM запоминается в виде электрического заряда крохотного конденсатора,образованного в структуре полупроводникового кристалла. Из-за токов утечкитакие конденсаторы быстро разряжаются, и их периодически (примерно каждые 2миллисекунды) подзаряжают специальные устройства. Этот процесс называетсярегенерацией памяти (Refresh Memory).
Современные микросхемыимеют ёмкость 1-16 Мбит и более. Они устанавливаются в корпуса и собираются вмодули памяти.
Наиболее распространенымодули типа DIMM и SIMM.
В модуле SIMM элементыпамяти собраны на маленькой печатной плате длиной около 10 см. Ёмкость таких модулей неодинаковая — 256 Кбайт, 1, 2, 4, 8, 16, 32 и 64 Мбайта. Различныемодули SIMM могут иметь разное число микросхем — девять, три или одну, и разноечисло контактов — 30 или 72.
Важная характеристикамодулей памяти — время доступа к данным, которое обычно составляет 60 – 80наносекунд.
В настоящее время SIMM’ы практически не применяются. На ихсменяя пришли DIMM, а на смену DIMM приходят DDR и RIMM, но по сравнению с DIMM они имеют немного большую стоимостьи соответственно повышенную скорость обмена.
/>
Кэш-память.
Кэш (англ. cache), илисверхоперативная память — очень быстрое ЗУ небольшого объёма, котороеиспользуется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятьюдля компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколькоменее быстродействующей оперативной памятью.
Кэш-памятью управляетспециальное устройство — контроллер, который, анализируя выполняемую программу,пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся вближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. При этом возможныкак «попадания», так и «промахи». В случае попадания, тоесть, если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходитбез задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессорсчитывает её непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданийи промахов определяет эффективность кэширования.
Кэш-память реализуется намикросхемах статической памяти SRAM (Static RAM), более быстродействующих,дорогих и малоёмких, чем DRAM.
Современныемикропроцессоры имеют встроенную кэш-память, так называемый кэш первого уровняразмером 8–16 Кбайт. Кроме того, на системной плате компьютера может бытьустановлен кэш второго уровня ёмкостью от 64 Кбайт до 256 Кбайт и выше.
Специальнаяпамять.
К устройствам специальнойпамяти относятся постоянная память (ROM), перепрограммируемая постоянная память(Flash Memory), память CMOS RAM, питаемая от батарейки, видеопамять и некоторыедругие виды памяти.
/>Постояннаяпамять (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory — память только для чтения) —энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда непотребуют изменения. Содержание памяти специальным образом “зашивается” вустройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.
Перепрограммируемаяпостоянная память (Flash Memory) — энергонезависимая память, допускающаямногократную перезапись своего содержимого с дискеты.
Прежде всего в постояннуюпамять записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУнаходятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешнейпамятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств. />
Важнейшая микросхемапостоянной или Flash-памяти — модуль BIOS.
BIOS (Basic Input/OutputSystem — базовая система ввода-вывода) — совокупность программ, предназначенныхдля:
автоматическоготестирования устройств после включения питания компьютера;
загрузки операционнойсистемы в оперативную память.
Роль BIOS двоякая: содной стороны это неотъемлемый элемент аппаратуры (Hardware), а с другой строны— важный модуль любой операционной системы (Software).
Разновидностьпостоянного ЗУ — CMOS RAM.
CMOS RAM — это память сневысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки.Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудованиякомпьютера, а также о режимах его работы.
Содержимое CMOSизменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS (англ. Set-up —устанавливать, читается «сетап»).
Для хранения графическойинформации используется видеопамять.
Видеопамять (VRAM) —разновидность оперативного ЗУ, в котором хранятся закодированные изображения.Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам —процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно собновлением видеоданных в памяти.
Внешняяпамять.
Внешняя память (ВЗУ)предназначена для длительного хранения программ и данных, и целостность её содержимогоне зависит от того, включен или выключен компьютер. В отличие от оперативнойпамяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором. Информация от ВЗУ кпроцессору и наоборот циркулирует примерно по следующей цепочке:
/>
В состав внешней памятикомпьютера входят:
— накопители на жёсткихмагнитных дисках;
— накопители на гибкихмагнитных дисках;
— накопители накомпакт-дисках;
— накопители намагнито-оптических компакт-дисках;
— накопители на магнитнойленте (стримеры) и др.
/>Накопителина гибких магнитных дисках
Гибкий диск, дискета(англ. floppy disk) — устройство для хранения небольших объёмов информации,представляющее собой гибкий пластиковый диск в защитной оболочке. Используетсядля переноса данных с одного компьютера на другой и для распространения программногообеспечения.
Дискета состоит изкруглой полимерной подложки, покрытой с обеих сторон магнитным окислом и помещеннойв пластиковую упаковку, на внутреннюю поверхность которой нанесено очищающеепокрытие. В упаковке сделаны с двух сторон радиальные прорези, через которыеголовки считывания/записи накопителя получают доступ к диску.
Способ записи двоичнойинформации на магнитной среде называется магнитным кодированием. Он заключаетсяв том, что магнитные домены в среде выстраиваются вдоль дорожек в направленииприложенного магнитного поля своими северными и южными полюсами. Обычно устанавливаетсяоднозначное соответствие между двоичной информацией и ориентацией магнитныхдоменов.
Информация записываетсяпо концентрическим дорожкам (трекам), которые делятся на секторы. Количестводорожек и секторов зависит от типа и формата дискеты. Сектор хранит минимальнуюпорцию информации, которая может быть записана на диск или считана. Ёмкостьсектора постоянна и составляет 512 байтов.
На дискете можно хранитьот 360 Килобайт до 2,88 Мегабайт информации.
В настоящее времянаибольшее распространение получили дискеты со следующими характеристиками:диаметр 3,5 дюйма (89 мм), ёмкость 1,44 Мбайт, число дорожек 80, количествосекторов на дорожках 18.
Дискета устанавливается внакопитель на гибких магнитных дисках (англ. floppy-disk drive), автоматическив нем фиксируется, после чего механизм накопителя раскручивается до частотывращения 360 мин–1. В накопителе вращается сама дискета, магнитные головки остаютсянеподвижными. Дискета вращается только при обращении к ней.
Накопитель связан спроцессором через контроллер гибких дисков.
/>Накопителина жестких магнитных дисках
Если гибкие диски — этосредство переноса данных между компьютерами, то жесткий диск — информационныйсклад компьютера.
Накопитель на жёсткихмагнитных дисках (англ. HDD — Hard Disk Drive) или винчестерский накопитель —это наиболее массовое запоминающее устройство большой ёмкости, в которомносителями информации являются круглые алюминиевые пластины — платтеры, обеповерхности которых покрыты слоем магнитного материала. Используется дляпостоянного хранения информации — программ и данных.
Как и у дискеты, рабочиеповерхности платтеров разделены на кольцевые концентрические дорожки, а дорожки— на секторы. Головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией идисками заключены в герметически закрытый корпус, называемый модулем данных.При установке модуля данных на дисковод он автоматически соединяется ссистемой, подкачивающей очищенный охлажденный воздух.
Поверхность платтераимеет магнитное покрытие толщиной всего лишь в 1,1 мкм, а также слой смазки дляпредохранения головки от повреждения при опускании и подъёме на ходу. Привращении платтера над ним образуется воздушный слой, который обеспечиваетвоздушную подушку для зависания головки на высоте 0,5 мкм над поверхностьюдиска.
Винчестерские накопителиимеют очень большую ёмкость: от сотен Мегабайт до десятков Гбайт или даже сотниГбайт. У современных моделей скорость вращения шпинделя достигает 5600 — 7200оборотов в минуту, среднее время поиска данных — 10 мс, максимальная скоростьпередачи данных до 40 Мбайт/с.
В отличие от дискеты,винчестерский диск вращается непрерывно.
Винчестерский накопительсвязан с процессором через контроллер жесткого диска.
Все современныенакопители снабжаются встроенным кэшем (64 Кбайт и более), который существенноповышает их производительность. />
IV.Основные внешние устройства ПК.
Клавиатура служит дляввода информации в компьютер и подачи управляющих сигналов. Она содержитстандартный набор алфавитно-цифровых клавиш и некоторые дополнительные клавиши— управляющие и функциональные, клавиши управления курсором, а также малую цифровуюклавиатуру.
Курсор — светящийсясимвол на экране монитора, указывающий позицию, на которой будет отображатьсяследующий вводимый с клавиатуры знак.
Все символы, набираемыена клавиатуре, немедленно отображаются на мониторе в позиции курсора.
Наиболее распространенасегодня 101-клавишная клавиатура c раскладкой клавиш QWERTY (читается“кверти”), названная так по клавишам, расположенным в верхнем левом рядуалфавитно-цифровой части клавиатуры:
Такая клавиатура имеет 12функциональных клавиш, расположенных вдоль верхнего края. Нажатиефункциональной клавиши приводит к посылке в компьютер не одного символа, ацелой совокупности символов.
Функциональные клавишимогут программироваться пользователем. Например, во многих программах дляполучения помощи (подсказки) задействована клавиша F1, а для выхода изпрограммы — клавиша F10.
Управляющие клавиши имеютследующее назначение:
Enter — клавиша ввода;
Esc (Escape — выход)клавиша для отмены каких-либо действий, выхода из программы, из меню и т.п.;
Ctrl и Alt — эти клавишисамостоятельного значения не имеют, но при нажатии совместно с другимиуправляющими клавишами изменяют их действие;
Shift (регистр) —обеспечивает смену регистра клавиш (верхнего на нижний и наоборот);
Insert (вставлять) —переключает режимы вставки (новые cимволы вводятся посреди уже набранных,раздвигая их) и замены (старые символы замещаются новыми);
Delete (удалять) —удаляет символ с позиции курсора;
Back Space или />— удаляетсимвол перед курсором;
Home и End — обеспечиваютперемещение курсора в первую и последнюю позицию строки, соответственно;
Page Up и Page Down —обеспечивают перемещение по тексту на одну страницу (один экран) назад ивперед, соответственно;
Tab — клавиша табуляции,обеспечивает перемещение курсора вправо сразу на несколько позиций до очереднойпозиции табуляции;
Caps Lock — фиксируетверхний регистр, обеспечивает ввод прописных букв вместо строчных;
Print Screen —обеспечивает печать информации, видимой в текущий момент на экране.
Длинная нижняя клавишабез названия — предназначена для ввода пробелов.
Клавиши />, />, />и />служат для перемещениякурсора вверх, вниз, влево и вправо на одну позицию или строку.
Малая цифровая клавиатураиспользуется в двух режимах — ввода чисел и управления курсором. Переключениеэтих режимов осуществляется клавишей Num Lock.
Клавиатура содержитвстроенный микроконтроллер (местное устройство управления), который выполняетследующие функции:
— последовательноопрашивает клавиши, считывая введенный сигнал и вырабатывая двоичный скан-кодклавиши;
— управляет световымииндикаторами клавиатуры;
— проводит внутреннююдиагностику неисправностей;
— осуществляетвзаимодействие с центральным процессором через порт ввода-вывода клавиатуры.
Клавиатура имеетвстроенный буфер — промежуточную память малого размера, куда помещаютсявведённые символы. В случае переполнения буфера нажатие клавиши будет сопровождатьсязвуковым сигналом — это означает, что символ не введён (отвергнут).
Работу клавиатурыподдерживают специальные программы, «зашитые» в BIOS, а также драйверклавиатуры, который обеспечивает возможность ввода русских букв, управлениескоростью работы клавиатуры и др.
Видеосистема компьютерасостоит из трех компонент:
— монитор (называемыйтакже дисплеем);
— видеоадаптер;
— программное обеспечение(драйверы видеосистемы).
Видеоадаптер посылает вмонитор сигналы управления яркостью лучей и синхросигналы строчной и кадровойразвёрток. Монитор преобразует эти сигналы в зрительные образы. А программныесредства обрабатывают видеоизображения — выполняют кодирование и декодированиесигналов, координатные преобразования, сжатие изображений и др.
Монитор — устройствовизуального отображения информации (в виде текста, таблиц, рисунков, чертежей идр.).
Подавляющее большинствомониторов сконструированы на базе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), и принцип ихработы аналогичен принципу работы телевизора. Мониторы бываюталфавитно-цифровые и графические, монохромные и цветного изображения.Современные компьютеры комплектуются, как правило, цветными графическимимониторами.
/>Основнойэлемент дисплея — электронно-лучевая трубка.
Её передняя, обращенная кзрителю часть с внутренней стороны покрыта люминофором — специальным веществом,способным излучать свет при попадании на него быстрых электронов.
Люминофор наносится ввиде наборов точек трёх основных цветов — красного, зелёного и синего. Этицвета называют основными, потому что их сочетаниями (в различных пропорциях) можнопредставить любой цвет спектра.
/>Наборыточек люминофора располагаются по треугольным триадам. Триада образует пиксел —точку, из которых формируется изображение (англ. pixel — picture element,элемент картинки).
Расстояние между центрамипикселов называется точечным шагом монитора. Это расстояние существенно влияетна чёткость изображения. Чем меньше шаг, тем выше чёткость. Обычно в цветныхмониторах шаг составляет 0,24 мм. При таком шаге глаз человека воспринимаетточки триады как одну точку «сложного» цвета.
На противоположнойстороне трубки расположены три (по количеству основных цветов) электронныепушки. Все три пушки «нацелены» на один и тот же пиксел, но каждая изних излучает поток электронов в сторону «своей» точки люминофора.
Чтобы электроныбеспрепятственно достигали экрана, из трубки откачивается воздух, а междупушками и экраном создаётся высокое электрическое напряжение, ускоряющее электроны.
Перед экраном на путиэлектронов ставится маска — тонкая металлическая пластина с большим количествомотверстий, расположенных напротив точек люминофора. Маска обеспечиваетпопадание электронных лучей только в точки люминофора соответствующего цвета.
Величиной электронноготока пушек и, следовательно, яркостью свечения пикселов, управляет сигнал,поступающий с видеоадаптера.
/>Рис. 6.Ход электронного пучка по экрану
На ту часть колбы, гдерасположены электронные пушки, надевается отклоняющая система монитора, котораязаставляет электронный пучок пробегать поочерёдно все пикселы строчку застрочкой от верхней до нижней, затем возвращаться в начало верхней строки ит.д.
Количество отображённыхстрок в секунду называется строчной частотой развертки. А частота, с которойменяются кадры изображения, называется кадровой частотой развёртки. Последняяне должна быть ниже 60 Гц, иначе изображение будет мерцать.
Наряду с традиционнымиЭЛТ-мониторами все шире используются плоские жидкокристаллические (ЖК)мониторы.
Жидкие кристаллы — этоособое состояние некоторых органических веществ, в котором они обладаюттекучестью и свойством образовывать пространственные структуры, подобныекристаллическим. Жидкие кристаллы могут изменять свою структуру исветооптические свойства под действием электрического напряжения. Меняя спомощью электрического поля ориентацию групп кристаллов и используя введённые вжидкокристаллический раствор вещества, способные излучать свет под воздействиемэлектрического поля, можно создать высококачественные изображения, передающиеболее 15 миллионов цветовых оттенков.
Большинство ЖК-мониторовиспользует тонкую плёнку из жидких кристаллов, помещённую между двумястеклянными пластинами. Заряды передаются через так называемую пассивнуюматрицу — сетку невидимых нитей, горизонтальных и вертикальных, создавая вместе пересечения нитей точку изображения (несколько размытого из-за того, чтозаряды проникают в соседние области жидкости).
Активные матрицы вместонитей используют прозрачный экран из транзисторов и обеспечивают яркое,практически не имеющее искажений изображение. Панель при этом разделена на308160 (642х480) независимых ячеек, каждая из которых состоит из четырех частей(для трёх основных цветов и одна резервная). Таким образом, экран имеет почти1,25 млн точек, каждая из которых управляется собственным транзистором.
По компактности такиемониторы не знают себе равных. Они занимают в 2 – 3 раза меньше места, чеммониторы с ЭЛТ и во столько же раз легче; потребляют гораздо меньшеэлектроэнергии и не излучают электромагнитных волн, воздействующих на здоровьелюдей.
Разновидность монитора —сенсорный экран. Здесь общение с компьютером осуществляется путём прикосновенияпальцем к определённому месту чувствительного экрана. Этим выбираетсянеобходимый режим из меню, показанного на экране монитора.
Меню — это выведенный наэкран монитора список различных вариантов работы компьютера, по которому можносделать конкретный выбор.
Сенсорными экранамиоборудуют рабочие места операторов и диспетчеров, их используют винформационно-справочных системах и т.д.
Видеоадаптер — этоэлектронная плата, которая обрабатывает видеоданные (текст и графику) иуправляет работой дисплея. Содержит видеопамять, регистры ввода вывода и модульBIOS. Посылает в дисплей сигналы управления яркостью лучей и сигналы разверткиизображения.
Наиболее распространенныйвидеоадаптер на сегодняшний день — адаптер SVGA (Super Video Graphics Array —супервидеографический массив), который может отображать на экране дисплея1280х1024 пикселей при 256 цветах и 1024х768 пикселей при 16 – 32 миллионах цветов.
С увеличением числа приложений,использующих сложную графику и видео, наряду с традиционными видеоадаптерамишироко используются разнообразные устройства компьютерной обработкивидеосигналов:
Графические акселераторы(ускорители) — специализированные графические сопроцессоры, увеличивающиеэффективность видеосистемы. Их применение освобождает центральный процессор отбольшого объёма операций с видеоданными, так как акселераторы самостоятельновычисляют, какие пиксели отображать на экране и каковы их цвета.
Фрейм-грабберы, которые позволяютотображать на экране компьютера видеосигнал от видеомагнитофона, камеры,лазерного проигрывателя и т. п., с тем, чтобы захватить нужный кадр в память ивпоследствии сохранить его в виде файла.
TV-тюнеры — видеоплаты,превращающие компьютер в телевизор. TV-тюнер позволяет выбрать любую нужнуютелевизионную программу и отображать ее на экране в масштабируемом окне. Такимобразом можно следить за ходом передачи, не прекращая работу.
Аудиоадаптер (SoundBlaster или звуковая плата) это специальная электронная плата, котораяпозволяет записывать звук, воспроизводить его и создавать программнымисредствами с помощью микрофона, наушников, динамиков, встроенного синтезатора идругого оборудования.
Аудиоадаптер содержит всебе два преобразователя информации:
— аналого-цифровой,который преобразует непрерывные (то есть, аналоговые) звуковые сигналы (речь,музыку, шум) в цифровой двоичный код и записывает его на магнитный носитель;
— цифро-аналоговый,выполняющий обратное преобразование сохранённого в цифровом виде звука ваналоговый сигнал, который затем воспроизводится с помощью акустическойсистемы, синтезатора звука или наушников.
Профессиональные звуковыеплаты позволяют выполнять сложную обработку звука, обеспечивают стереозвучание,имеют собственное ПЗУ с хранящимися в нём сотнями тембров звучаний различныхмузыкальных инструментов.
Звуковые файлы обычноимеют очень большие размеры. Так, трёхминутный звуковой файл со стереозвучаниемзанимает примерно 30 Мбайт памяти. Поэтому платы Sound Blaster, помимо своихосновных функций, обеспечивают автоматическое сжатие файлов.
Область применениязвуковых плат — компьютерные игры, обучающие программные системы, рекламныепрезентации, «голосовая почта» (voice mail) между компьютерами, озвучиваниеразличных процессов, происходящих в компьютерном оборудовании, таких, например,как отсутствие бумаги в принтере и т.п.
Модем — устройство дляпередачи компьютерных данных на большие расстояния по телефонным линиям связи.
Цифровые сигналы,вырабатываемые компьютером, нельзя напрямую передавать по телефонной сети,потому что она предназначена для передачи человеческой речи — непрерывныхсигналов звуковой частоты.
Модем обеспечиваетпреобразование цифровых сигналов компьютера в переменный ток частоты звуковогодиапазона — этот процесс называется модуляцией, а также обратноепреобразование, которое называется демодуляцией. Отсюда название устройства:модем — модулятор/демодулятор.
Для осуществления связиодин модем вызывает другой по номеру телефона, а тот отвечает на вызов. Затеммодемы посылают друг другу сигналы, согласуя подходящий им обоим режим связи.После этого передающий модем начинает посылать модулированные данные ссогласованными скоростью (количеством бит в секунду) и форматом. Модем надругом конце преобразует полученную информацию в цифровой вид и передает еёсвоему компьютеру. Закончив сеанс связи, модем отключается от линии.
Управление модемомосуществляется с помощью специального коммутационного программного обеспечения.
Модемы бывают внешние,выполненные в виде отдельного устройства, и внутренние, представляющие собойэлектронную плату, устанавливаемую внутри компьютера. Почти все модемыподдерживают и функции факсов.
Факс — это устройствофаксимильной передачи изображения по телефонной сети. Название «факс»произошло от слова «факсимиле» (лат. fac simile — сделай подобное),означающее точное воспроизведение графического оригинала (подписи, документа ит.д.) средствами печати.
Модем, который можетпередавать и получать данные как факс, называется факс-модемом.
Манипуляторы (мышь,джойстик и др.) — это специальные устройства, которые используются дляуправления курсором.
Мышь имеет вид небольшойкоробки, полностью умещающейся на ладони. Мышь связана с компьютером кабелемчерез специальный блок — адаптер, и её движения преобразуются в соответствующиеперемещения курсора по экрану дисплея. В верхней части устройства расположеныуправляющие кнопки (обычно их три), позволяющие задавать начало и конецдвижения, осуществлять выбор меню и т.п.
Джойстик — обычно этостержень-ручка, отклонение которой от вертикального положения приводит кпередвижению курсора в соответствующем направлении по экрану монитора. Частоприменяется в компьютерных играх. В некоторых моделях в джойстик монтируетсядатчик давления. В этом случае, чем сильнее пользователь нажимает на ручку, тембыстрее движется курсор по экрану дисплея.
Трекбол — небольшаякоробка с шариком, встроенным в верхнюю часть корпуса. Пользователь рукойвращает шарик и перемещает, соответственно, курсор. В отличие от мыши, трекболне требует свободного пространства около компьютера, его можно встроить вкорпус машины.
Дигитайзер — устройстводля преобразования готовых изображений (чертежей, карт) в цифровую форму.Представляет собой плоскую панель — планшет, располагаемую на столе, испециальный инструмент — перо, с помощью которого указывается позиция напланшете. При перемещении пера по планшету фиксируются его координаты в близкорасположенных точках, которые затем преобразуются в компьютере в требуемыеединицы измерения.
Принтеры (печатающиеустройства) — это устройства вывода данных из ЭВМ, преобразующие информационныеASCII-коды в соответствующие им графические символы (буквы, цифры, знаки ит.п.) и фиксирующие эти символы на бумаге.
Принтеры являютсянаиболее развитой группой ВУ ПК, насчитывающей до 1000 различных модификаций.Принтеры разнятся между собой по различным признакам:
— цветность (черно-белыеи цветные);
— способ формированиясимволов (знакопечатающие и знакосинтезирующие);
— принцип действия(матричные, термические, струйные, лазерные);
— способы печати(ударные, безударные) и формирования строк (последовательные, параллельные);
— ширина каретки (сширокой (375 — 450 мм) и узкой (250 мм) кареткой);
— длина печатной строки(80 и 132 — 136 символов);
— набор символов (вплотьдо полного набора символов ASCII);
— скорость печати;
— разрешающаяспособность, наиболее употребительной единицей измерения является dpi (dots perinch) — количество точек на дюйм.
Внутри ряда групп можновыделить по несколько разновидностей принтеров; например, широко применяемые вПК матричные знакосинтезирующие принтеры по принципу действия могут бытьударными, термографическими, электрографическими, электростатическими, магнитографическимии др.
Среди ударных принтеровчасто используются литерные, шаровидные, лепестковые (типа«ромашка»), игольчатые (матричные) и др.
Печать у принтеров можетбыть посимвольная, построчная, постраничная. Скорость печати варьируется от10-300 зн./с (ударные принтеры) до 500- 1000 зн./с и даже до несколькихдесятков (до 20) страниц в минуту (безударные лазерные принтеры); разрешающаяспособность — от 3 — 5 точек на миллиметр до 30 — 40 точек на миллиметр(лазерные принтеры).
Многие принтеры позволяютреализовать эффективный вывод графической информации (с помощью символовпсевдографики); сервисные режимы печати; плотная печать, печать с двойнойшириной, с подчеркиванием, с верхними и нижними индексами, выделенная печать(каждый символ печатается дважды), печать за два прохода (второй раз символпечатается с незначительным сдвигом) и многоцветная (до 100 различных цветов иоттенков) печать.
Матричныепринтеры.
В матричных принтерахизображение формируется из точек
Матричные принтеры могутработать в двух режимах — текстовом и графическом.
В текстовом режиме напринтер посылаются коды символов, которые следует распечатать, причем контурысимволов выбираются из знакогенератора принтера.
В графическом режиме напринтер пересылаются коды, определяющие последовательность и местоположениеточек изображения.
В игольчатых (ударных)матричных принтерах печать точек осуществляется тонкими иглами, ударяющимибумагу через красящую ленту. Каждая игла управляется собственнымэлектромагнитом. Печатающий узел перемещается в горизонтальном направлении, изнаки в строке печатаются последовательно. Многие принтеры выполняют печать какпри прямом, так и при обратном ходе. Количество иголок в печатающей головкеопределяет качество печати. Недорогие принтеры имеют 9 игл. Матрица символов втаких принтерах имеет размерность 7х9 или 9х9 точек. Более совершенные матричныепринтеры имеют 18 игл и даже 24.
Качество печати матричныхпринтеров определяется также возможностью вывода точек в процессе печати счастичным перекрытием за несколько проходов печатающей головки.
Для текстовой печати аобщем случае имеются следующие режимы, характеризующиеся различным качествомпечати:
— режим черновой печати(Draft);
— режим печати, близкий ктипографскому (NLQ — Near-Letter-Quality);
— режим с типографскимкачеством печати (LQ — Letter-Quality);
— сверхкачественный режим(SLQ — Super Letter-Qublity).
Примечание. Режимы LQ нSLQ поддерживаются только струйными и лазерными принтерами.
В принтерах с различнымчислом иголок эти режимы реализуются по-разному. В 9-игольчатых принтерахпечать в режиме Draft выполняется за один проход печатающей головки по строке.Это самый быстрый режим печати, но зато имеет самое низкое качество. Режим NLQреализуются за два прохода: после первого прохода головки бумага протягиваетсяна расстояние, соответствующее половинному размеру точки; затем совершаетсявторой проход с частичным перекрытием точек. При этом скорость печатиуменьшается вдвое.
Матричные принтеры, какправило, поддерживают несколько шрифтов и их разновидностей, среди которыхполучили широкое распространение roman (мелкий шрифт пишущей машинки), italic(курсив), bold-face (полужирный), expanded (растянутый), elite (полусжатый),condenced (сжатый), pica (прямой шрифт — цицеро), courier (курьер), san serif(рубленый шрифт сенсериф), serif (сериф), prestige elite (престиж-элита) ипропорциональный шрифт (ширина поля, отводимого под символ, зависит от ширинысимвола).
Переключение режимовработы матричных принтеров и смена шрифтов могут осуществляться как программно,так и аппаратно путем нажатия имеющихся на устройствах клавиш и/илисоответствующей установки переключателей.
Быстродействие матричныхпринтеров при печати текста в режиме Draft находится в пределах 100-300символов/с, что соответствует примерно двум страницам в минуту (с учетом сменылистов).
Лазерныепринтеры.
В них применяетсяэлектрографический способ формирования изображений, используемый в одноименныхкопировальных аппаратах. Лазер служит для создания сверхтонкого светового луча,вычерчивающего на поверхности предварительно заряженного светочувствительногобарабана контуры невидимого точечного электронного изображения — электрическийзаряд стекает с засвеченных лучом лазера точек на поверхности барабана. Послепроявления электронного изображения порошком красителя (тонера), налипающего наразряженные участки, выполняется печать — перенос тонера с барабана на бумагу изакрепление изображения на бумаге разогревом тонера до его расплавления.
Лазерные принтерыобеспечивают наиболее качественную печать с разрешением до 50 точек/мм (1200dpi) и скорость печати до 1000 зн./с. Широко используются цветные лазерныепринтеры. Например, лазерный принтер фирмы Tektronix (США) Phaser 550 имеетразрешение и по горизонтали, и по вертикал" 1200 dpi: скорость цветнойпечати — 5 страниц формата А4 в минуту, скорость монохромной печати — 14стр./мин.
К МП принтеры могутподключится и через параллельный, и через последовательный порт. Параллельныепорты используются для подключения параллельно работающих (воспринимающихинформацию сразу по байту} принтеров. Например, адаптеры типа Centronicsпозволяют подключать одновременно до трех принтеров. Последовательные порты (2шт.) служат для подключения последовательно работающих (воспринимающихинформацию последовательно по 1 биту) принтеров, например адаптеры типа R3-232C (стык С2). Последовательное печатающее устройство вовсе не означает, что ономедленнодействующее. Большинство принтеров используют параллельные порты.
Многие быстродействующиепринтеры имеют собственную буферную память емкостью до нескольких сотенкилобайт. В заключение следует отметить, что самые популярные принтеры ПК (ихдоля составляет не менее 30%) выпускает японская фирма Seiko Epson. Языкуправления этими принтерами (ESC/P) стал фактическим стандартом. Широкоиспользуются также принтеры фирм Star Micronics, Hewlett Packard, Xerox,Man-nesmann. Citizen, Panasonic и др.
Струйныепринтеры.
В печатающей головке этихпринтеров вместо иголок имеются тонкие трубочки — сопла, через которые набумагу выбрасываются мельчайшие капельки красителя (чернил). Это безударныепечатающие устройства. Матрица печатающей головки обычно содержит от 12 до 64сопел. В последние годы в их совершенствовании достигнут существенный прогресс:созданы струйные принтеры, обеспечивающие разрешающую способность до 20точек/мм и скорость печати до 500 зн./с при отличном качестве печати,приближающемся к качеству лазерной печати. Имеются цветные струйные принтеры.
Термопринтеры.
Кроме матричныхигольчатых принтеров есть еще группа матричных термопринтеров, оснащенныхвместо игольчатой печатающей головки головкой с термоматрицей и использующихпри печати специальную термобумагу или термокопирку (что, безусловно, являетсяих существенным недостатком).
Сканеры.
Сканер — это устройствоввода в ЭВМ информации непосредственно с бумажного документа. Можно вводитьтексты, схемы, рисунки, графики, фотографии и другую графическую информацию.
Сканеры являютсяважнейшим звеном электронных систем обработки документов и необходимымэлементом любого «электронного стола». Записывая результаты своейдеятельности в файлы и вводя информацию с бумажных документов в ПК с помощьюсканера с системой автоматического распознавания образов, можно сделатьреальный шаг к созданию систем безбумажного делопроизводства.
Сканеры весьмаразнообразны, и их можно классифицировать по целому ряду признаков. Сканерыбывают черно-белые и цветные.
Черно-белые сканеры могутсчитывать штриховые изображения и полутоновые. Штриховые изображения непередают полутонов или, иначе, уровней серого. Полутоновые позволяют распознатьи передать 16, 64 или 256 уровней серого.
Цветные сканеры работаюти с черно-белыми, и с цветными оригиналами. В первом случае они могутиспользоваться для считывания и штриховых, и полутоновых изображений.
В цветных сканерахиспользуется цветовая модель RGB: сканируемое изображение освещается черезвращающийся RGB-светофильтр или от последовательно зажигаемых трех цветныхламп; сигнал, соответствующий каждому основному цвету, обрабатывается отдельно.Число передаваемых цветов колеблется от 256 до 65536 (стандарт High Color) идаже до 16,7 млн. (стандарт True Color).
Разрешающая способностьсканеров составляет от 75 до 1600 dpi (dot per inch). Конструктивно сканерыбывают ручные и настольные. Настольные, в свою очередь, делятся на планшетные,роликовые и проекционные.
Ручные сканерыконструктивно самые простые: они вручную перемещаются по изображению. С ихпомощью за один проход вводится лишь небольшое количество строчек изображения(их захват обычно не превышает 105 мм). У ручных сканеров имеется индикатор, предупреждающийоператора о превышении допустимой скорости сканирования. Эти сканеры имеютмалые габариты и низкую стоимость. Скорость сканирования 5-50 мм/с (зависит отразрешающей способности).
Файл, создаваемыйсканером в памяти машины, называется битовой картой. Существуют два форматапредставления графической информации в файлах компьютера: растровый формат ивекторный.
В растровом форматеграфическое изображение запоминается в файле в виде мозаичного набора множестваточек (нулей и единиц), соответствующих пикселям отображения этого изображенияна экране дисплея. Редактировать этот файл средствами стандартных текстовых играфических процессоров не представляется возможным, ибо эти процессоры неработают с мозаичным представлением информации. В текстовом формате информацияидентифицируется характеристиками шрифтов, кодами символов, абзацев и т.п.Стандартные текстовые процессоры предназначены для работы именно с такимпредставлением информации.
Следует также иметь ввиду, что битовая карта требует большого объема памяти для своего хранения.Так, битовая карта с 1 листа документа формата А4 (204х297 мм) с разрешением 10точек/мм и без передачи полутонов (штриховое изображение) занимает около 1Мбайта памяти, она же при воспроизведении 16 оттенков серого — 4 Мбайта, привоспроизведении цветного качественного изображения (стандарт Kigh Color — 65536цветов) — 16 Мбайт. Иными словами, при использовании стандарта True Color иразрешающей способности 50 точек/мм для хранения даже одной битовой карты можетне хватить емкости НЖМД. Сокращение объема памяти, необходимой для хранениябитовых карт, осуществляется различными способами сжатия информации, напримерTIFF (Tag Image File Format), CT1FF (Compressed TIFF), JPEG, PCX, GIF (GraphicsInterchange Format — формат графического обмена) и др. (файлы с битовымикартами имеют соответствующие указанным аббревиатурам расширения).
Наиболее предпочтительнымявляется использование сканера совместно с программами систем распознаванияобразов, например типа OCR (Optical Character Recognition). Система OCRраспознает считанные сканером с документа битовые (мозаичные) контуры символов(букв и цифр) и кодирует их ASCII-кодами, переводя в удобный для текстовыхредакторов векторный формат.
Некоторые системы OCRпредварительно нужно обучить распознаванию — ввести в память сканера шаблоны ипрототипы распознаваемых символов и соответствующие им коды. Сложностивозникают при распознавании букв, совпадающих по начертанию в разных алфавитах(например, в латинском (английском) и в русском — кириллица), и разных гарнитур(способов начертания) шрифтов. Но большинство систем не требуют обучения: в ихпамяти уже заранее помещены распознаваемые символы. Так, одна из лучших OCR — программный пакет TIGER 2.0 содержит прототипы 30 различных гарнитур, а дляраспознавания английских и русских букв использует встроенные электронныесловари.
В последние годыпоявились интеллектуальные программы распознавания образов типа Omnifont,которые опознают символы не по точкам, а по характерной для каждого из них индивидуальнойтопологии. При наличии системы распознавания образов текст записывается впамять ПК уже не в виде битовой карты, а в виде кодов, и его можноредактировать обычными текстовыми редакторами.
Сканер подключается кпараллельному порту ПК. Для работы со сканером ПК должен иметь специальныйдрайвер, желательно драйвер, соответствующий стандарту TWAIN. В последнемслучае возможна работа с большим числом TWAIN-совместимых сканеров и обработкафайлов поддерживающими стандарт TWAIN программами, например распространеннымиграфическими редакторами Corel Draw, Max Mate, Picture Publisher, Adobe PhotoShop, Photo Finish. Распознавание текста FineReader. Большинство драйверов ориентированына работу с локальным компьютерным интерфейсом SCSI.