ЛЕКЦИЯ 3

ПЕРСОНАЛЬНЫМ КОМПЬЮТЕРОМ (сокращенно ПК или РС, произносится "пи – си", англ. Реrsonal Сomputer) НАЗЫВАЮТ НЕБОЛЬШУЮ ЭВМ, ОРИЕНТИРОВАННУЮ НА НЕСПЕЦИАЛИСТА В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ . До появления персональных компьютеров инженеры, ученые, экономисты, представители других профессий общались с ЭВМ только с помощью посредников – инженеров – системотехников и программистов, поскольку работа на ЭВМ старых типов требовала специальной подготовки. С появлением персональных ЭВМ необходимость в таком посредничестве отпала, так как процесс общения с ЭВМ значительно упростился. Кроме того, произошло снижение их стоимости. В связи с этим, персональные компьютеры стали такими же привычными на рабочих местах нженеров, ученых, секретарей и менеджеров как, например, телефоны.

АРХИТЕКТУРА – ОПИСАНИЕ СЛОЖНОЙ СИСТЕМЫ, СОСТОЯЩЕЙ ИЗ МНОЖЕСТВА ЭЛЕМЕНТОВ, КАК ЕДИНОГО ЦЕЛОГО.

Модульная организация информационной системы основана на магист­ральном принципе обмена информацией. Устройства ПК представляют со­бой отдельные модули, которые подключаются к магистрали с помощью контроллеров и управление которыми на программном уровне обеспечива­ется специальными программами - драйверами устройств. Контроллеры одного или нескольких устройств монтируются на отдельных платах, кото­рые называются адаптерами. Именно контроллер принимает сигнал от про­цессора и дешифрует его для данного устройства. Таким образом, за работу конкретного устройства отвечает не процессор, а контроллер, что позволяет свободно менять внешние устройства ЭВМ. Модульный принцип позволяет подключить и заменить периферийные устройства, увеличить внутреннюю память, заменить микропроцессор, т.е. позволяет пользователю самому ком­плектовать нужную конфигурацию компьютера или проводить его модер­низацию.

ПК имеет две основные составляющие - аппаратное и программное обеспечение.

Аппаратное обеспечение персонального компьютера- оборудование, составляющее компьютер. Все устройства, составляющие аппаратное обеспечение персональ­ного компьютера, взаимосвязаны между собой, каждое из них выполняет свою функцию, а, в общем, обеспечивают полноценную обработку всех видов данных с помощью ПК.

Внешняя архитектура компьютера - это те устройства, которые видят люди, использующие компьютеры для своих целей. К основным устрой­ствам относятся:

§ системный блок;

§ монитор;

§ клавиатура;

§ манипуляторы; принтеры; сканеры; сетевое оборудование .

Внутренняя архитектура компьютера - это те устройства, которые обеспечивают процессы накопления, обработки, хранения, представления и передачи информации внутри машины. Большинство из них расположе­ны в системном блоке.Ниже приведена структурная схема внутренней архитектуры ПК.

Магистраль - это проводники, связывающие между собой все устрой­ства компьютера, По магистрали передаются как управляющие сигналы, так и данные от одних устройств к другим, что обеспечивает их взаимодей­ствие в процессе обработки информации.

Контроллеры - это электронные схе­мы, обеспечивающие управление устройствами компьютера.

Понятие архитектуры, как правило, ассоциируется с чем – то прекрасным. Это не совсем так. Архитектор направляет свои усилия на то, чтобы здание или комплекс зданий были не только красивыми, но и удобными в эксплуатации, надежными, экономичными, легко и быстро возводимыми, безопасными. В вычислительной технике архитектура определяет состав, назначение, логическую организацию и порядок взаимодействия всех аппаратных и программных средств, объединенных в единую вычислительную систему. Иными словами, архитектура описывает то, как ЭВМ представляется пользователю.

Впервые производство персональных компьютеров было поставлено на поток в 1975 году американской фирмой APPLE (произносится "эпл"). Ее основатель, Стив Джобс собрал свой первый персональный компьютер в гараже своего отца. Начальный капитал его фирмы не превышал тысячи долларов, но не прошло и десяти лет, как он перевалил за милиард долларов – настолько высок оказлся спрос на ее продукцию. В 1981 году появились первые персональные компьютеры фирмы IBM (произносится "ай – би – эм"). Они были более дешевыми и в них были использованы последние разработки сразу нескольких других фирм, в частности программное обеспечение фирмы MICROSOFT (произносится "Майкрософт"). Машины этого типа (они выпускались и выпускаются далеко не только фирмой IBM, более того эта компания с тех пор ничем особенным не выделялась среди тысяч других) в течение полутора – двух лет заняли лидирующее положение на рынке. В 1991 году на долю компьютеров APPLE (им присвоили имя "Мэкинтош") приходилось всего 4% продаж.

В СОВРЕМЕННЫХ ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРАХ, КАК ПРАВИЛО, ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ПРИНЦИП ОТКРЫТОЙ АРХИТЕКТУРЫ. ОН ЗАКЛЮЧАЕТСЯ В ТОМ, ЧТО УСТРОЙСТВА, НЕПОСРЕДСТВЕННО УЧАСТВУЮЩИЕ В ОБРАБОТКЕ ИНФОРМАЦИИ (ПРОЦЕССОР. СОПРОЦЕССОР. ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ), СОЕДИНЯЮТСЯ С ОСТАЛЬНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ ЕДИНОЙ МАГИСТРАЛЬЮ – ШИНОЙ. УСТРОЙСТВА, СВЯЗАННЫЕ С ПРОЦЕССОРОМ ЧЕРЕЗ ШИНУ, А НЕ НАПРЯМУЮ, НАЗЫВАЮТ ПЕРИФЕРИЙНЫМИ (обратите внимание как пишется это слово!) Шина представляет собой канал передачи данных в виде проводников на печатной плате или многожильного кабеля.

На этой схеме шина изображена в виде двунаправленной стрелки, чтобы указать на то, что информация по ней движется как от процессора к периферийным устройствам, так и в обратную сторону. Черными квадратиками обозначены разъемы. Схема носит условный характер, иллюстрирующий только основные принципы устройства современного компьютера, поэтому ряд устройств, в частности видеоадаптер, здесь не изображены.

ПРОЦЕССОР, СОПРОЦЕССОР, ПАМЯТЬ И ШИНА С РАЗЪЕМАМИ ДЛЯ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ РАЗМЕЩАЮТСЯ НА ЕДИНОЙ ПЛАТЕ, НАЗЫВАЕМОЙ МАТЕРИНСКОЙ ИЛИ ОСНОВНОЙ (англ. motherboard или mainboard):

Если открыть корпус компьютера, то можно увидеть большую плату, на которой размещаются микросхемы, другие электронные устройства и разъемы (слоты), в которые вставлены другие платы и к которым посредством кабелей подключены другие устройства. Это и есть материнская плата.

КОНФИГУРАЦИЯ – СОСТАВ УСТРОЙСТВ, ПОДКЛЮЧЕННЫХ К КОМПЬЮТЕРУ.

ПОРТ – ТОЧКА ПОДКЛЮЧЕНИЯ ВНЕШНЕГО УСТРОЙСТВА К КОМПЬЮТЕРУ.

Почему именно так устроен компьютер? Потому что в таком случае он превращается в подобие детского конструктора – его можно собрать из любых устройств, имеющихся на рынке (в том числе и произведенных различными фирмами).

ПРЕИМУЩЕСТВА ОТКРЫТОЙ АРХИТЕКТУРЫ ЗАКЛЮЧАЮТСЯ В ТОМ, ЧТО ПОЛЬЗОВАТЕЛЬ ПОЛУЧАЕТ ВОЗМОЖНОСТЬ:

1) ВЫБРАТЬ КОНФИГУРАЦИЮ КОМПЬЮТЕРА. Действительно, если Вам не нужен принтер, или не хватает средств на его приобретение, никто не заставляет Вас его покупать вместе с новым компьютером. Раньше было не так, – все устройства продавались единым комплектом, причем какого – то определенного типа, так, что выбрать или заменить что – то было невозможно.

2) РАСШИРИТЬ СИСТЕМУ, ПОДКЛЮЧИВ К НЕЙ НОВЫЕ УСТРОЙСТВА. Например, накопив денег и купив принтер, Вы легко сможете подклють его к Вашему компьютеру.

3) МОДЕРНИЗИРОВАТЬ СИСТЕМУ, ЗАМЕНИВ ЛЮБОЕ ИЗ УСТРОЙСТВ БОЛЕЕ НОВЫМ. Действительно, не нужно для этого выбрасывать весь компьютер! Достаточно вместо одного устройства подключить другое. В частности, можно заменить материнскую плату, чтобы из компьютера на базе процессора старого типа получить компьютер на базе процессора нового типа.

Вычислительные системы и их классификация

Лекция № 2

1. Вычислительные системы и их классификация. 1

2. Архитектура персонального компьютера. 6

3. Виды и назначение компьютерных сетей. 14

4. Архитектура компьютерной сети. 20

5. Способы соединения между собой устройств сети. 23

6. Классификация компьютерных сетей. 24

7. Иерархические сети. 26

В современном информационном обществе компьютер – не роскошь, а средство решения тех или иных задач. А так задачи бываю разной сложности и могут относиться к различным областям деятельности, то и компьютеры должны быть различны. Но это не значит, что нам необходимо приобретать под решение каждой задачи новый ПК, однако нужно четко понимать соотношение уровня задачи и мощности компьютера.

Компьютер – многозначный термин, наиболее часто употребляется в качестве обозначения программно управляемого электронного устройства обработки информации. Хотя на сегодняшний день, когда мы говорим об обработке, хранение и получении информации, то правильнее употреблять термин вычислительная система (ВС).

Чтобы судить о возможностях вычислительных систем, их принято разделять на группы по определенным признакам, т.е. классифицировать. Существует достаточно много систем классификации. Мы рассмотрим лишь некоторые из них, сосредоточившись на тех, о которых наиболее часто упоминают в доступной технической литературе и средствах массовой информации.

По этапам создания и используемой элементной базе ЭВМ условно делятся на поколения:

· Первое поколение, 50-е годы; ЭВМ на электронных вакуумных лампах.

· Второе поколение, 60-е годы; ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах).

· Третье поколение, 70-е годы; ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни – тысячи транзисторов в одном корпусе).

· Четвертое поколение, 80-е годы; ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах – микропроцессорах (десятки тысяч – миллионы транзисторов в одном.

· Пятое поколение, 90-е годы; ЭВМ с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы;

· Шестое и последующие поколения; оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейтронной структурой – с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейтронных биологических систем.

Каждое следующее поколение ЭВМ по сравнению с предыдущими обладает существенно лучшими характеристиками. Наращивается производительность ЭВМ и емкость всех запоминающих устройств при этом размеры уменьшаются.

По назначению:

Универсальные предназначаются для решения широкого класса задач (от математических расчетов до обработки мультимедиа), т.е. такие ВС должны обслуживать программные приложения, разработанные для самых разных и далеко отстоящих друг от друга направлений научных исследований.

Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами.

К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы.

Специализированные ориентированы на решение узкого класса задач. Узкая ориентация этих ВС позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.

Классификацию вычислительных машин по таким показателям, как габариты и производительность, можно представить следующим образом.

По размерам:

· сверхбольшие (суперЭВМ)

· большие

· сверхмалые (микроЭВМ)

Функциональные возможности ЭВМ обуславливают важнейшие технико-эксплуатационные характеристики:

· быстродействие, измеряемое усредненным количеством операций, выполняемых машиной за единицу времени;

· разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует ЭВМ;

· номенклатура, емкость и быстродействие всех запоминающих устройств;

· номенклатура и технико-экономические характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;

· типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов ЭВМ между собой (внутримашинного интерфейса);

· способность ЭВМ одновременно работать с несколькими пользователями и выполнять одновременно несколько программ (многопрограммность);

· типы и технико-эксплуатационные характеристики операционных систем, используемых в машине;

· наличие и функциональные возможности программного обеспечения;

· способность выполнять программы, написанные для других типов ЭВМ (программная совместимость с другими типами ЭВМ);

· система и структура машинных команд;

· возможность подключения к каналам связи и к вычислительной сети;

· эксплуатационная надежность ЭВМ;

· коэффициент полезного использования ЭВМ во времени, определяемый соотношением времени полезной работы и времени профилактики.

К суперЭВМ относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов – десятки миллиардов операций в секунду. Супер-компьютеры используются для решения сложных и больших научных задач (метеорология, гидродинамика и т.п.), в управлении, разведке, в качестве централизованных хранилищ информации и т.д.

Большие ЭВМ за рубежом чаще всего называют мэйнфреймами (Mainframe). Они и до сегодняшнего дня остаются наиболее мощными (не считая суперкомпьютеров) вычислительными системами общего назначения, обеспечивающими непрерывный круглосуточный режим эксплуатации.

Сервер – мощный компьютер в вычислительных сетях, который обеспечивает обслуживание подключенных к нему компьютеров и выход в другие сети. Любой компьютер, если установить на нем соответствующее сетевое программное обеспечение, способен стать сервером.

Малые ЭВМ (мини ЭВМ) – надежные, недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие несколько более низкими по сравнению с мэйнфреймами возможностями.

Микрокомпьютеры – это компьютеры, в которых центральный процессор выполнен в виде микропроцессора. Продвинутые модели микрокомпьютеров имеют несколько микропроцессоров. Производительность компьютера определяется не только характеристиками применяемого микропроцессора, но и ёмкостью оперативной памяти, типами периферийных устройств, качеством конструктивных решений и др.

Микрокомпьютеры представляют собой инструменты для решения разнообразных сложных задач. Их микропроцессоры с каждым годом увеличивают мощность, а периферийные устройства – эффективность.

Персональные компьютеры (ПК) – это микрокомпьютеры универсального назначения, рассчитанные на одного пользователя и управляемые одним человеком.

В класс персональных компьютеров входят различные машины – от недорогих домашних ПК и игровых приставок, подключаемых к телевизорам, до сверхсложных машин с мощным процессором, накопителем памяти ёмкостью в десятки Гигабайт, с цветными графическими устройствами высокого разрешения, средствами мультимедиа и другими дополнительными устройствами.

Требования к персональному компьютеру:

· стоимость от нескольких сотен до 5-10 тысяч долларов;

· наличие внешних запоминающих устройств на магнитных и оптических носителях;

· объём оперативной памяти не менее 4 Мбайт;

· наличие операционной системы;

· способность работать с программами на языках высокого уровня;

· ориентация на пользователя – непрофессионала (в простых моделях).

Портативные компьютеры сейчас стало очень модным устройством. Теперь его выбирают не только руководители предприятия, менеджеры, учёны, журналисты, которым приходится работать вне офиса – дома, на презентациях или во время командировок, но и студенты, а так же те кто хотят сэкономить дома место.

Основные разновидности портативных компьютеров:

Ноутбук (англ. Notebook – блокнот, блокнотный ПК). Одна из наиболее популярных разновидностей. Основной конкурент настольным компьютерам по количеству спроса. О нем знают, почти все и всё. Во многом он не уступает обычному компьютеру по производительности, и уж тем более – в мобильности. Он как раз для того и появился на свет, чтобы быть мобильным. Таким, чтобы его можно было взять с собой, прогуляться в парк, сесть на скамейку и работать под открытым небом. А еще можно поехать с ним за границу, ведь он умещается в небольшую сумку.

Ноутбук управляется клавиатурой и тачпадом, выполняющим функции обычный мыши настольного ПК. Оба устройства встроены, как и экран ноутбука. Корпус похож на книгу, содержимое которой, можно прочесть, только открыв ее. В открытом положении его удерживают шарниры, чаще всего, размещенные по бокам. В закрытом – это пластиковая книга, весом, обычно от трех килограмм. Иногда встречаются металлические экземпляры.

Нетбук (англ. Netbook ). Уменьшенная копия обычного ноутбука, позволившая спекулянтам – производителям существенно демпинговать цены на рынке ноутбуков. В отличии от своих старших братьев и сестер, стоят гораздо дешевле, но и довольствоваться приходится существенно меньшими размерами, производительностью, клавиатурой, тачпадом, экраном и всем прочим, что можно увидеть на ноутбуке.

Планшетный компьютер (планшетный ПК , tablet PC ) – самые маленькие современные персональные компьютеры. Умещаются на ладони. Оборудованный сенсорным экраном и позволяющий работать при помощи стилуса или пальцев, как с использованием, так и без использования клавиатуры и мыши.

Таким образом различают следующие классификации компьютерной техники:

· по этапам развития (по поколениям);

· по архитектуре;

· по производительности;

· по условиям эксплуатации;

· по количеству процессоров;

· по потребительским свойствам и т.д.

Однако четких границ в современной вычислительной технике не существует. По мере совершенствования структур и технологии производства, появляются новые классы компьютеров, границы существующих классов существенно изменяются.

Компьютер – это универсальная техническая система для накопления, обработки и передачи информации. При рассмотрении компьютерных устройств, принято различать их архитектуру и структуру.

В 1946-1948 годах в Принстонском университете (США) коллектив исследователей под руководством Джона фон Неймана разработал проект ЭВМ, который никогда не был реализован, но идеи данного используются и по сей день. Этот проект получил название машины фон Неймана, или Принстонской машины. Принципы вычислительной машины сформулированные фон Нейманом следующие:

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

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

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

Архитектура современных персональных ЭВМ основана на магистрально-модульном принципе. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить её модернизацию.

Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информации. Магистраль (системная шина) – это набор электронных линий, связывающих воедино центральный процессор, системную память и периферийные устройства.

Рис. 1.5. Архитектура ЭВМ магистрально-модульного принципа

Набор проводов входящих в состав системной шины можно разделить на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.

Шина данных . По этой шине данные передаются между различными устройствами. Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т.е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт.

Шина адреса. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине. Разрядность шины адреса определяет адресное пространство процессора, т.е. количество ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса.

Шина управления . По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления определяют, какую операцию – считывание или запись информации из памяти – нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т.д.

Все устройства (модули) компьютера подключаются к магистрали.Однако, непосредственно к магистрали можно подключить лишь процессор и оперативную память, остальные устройства подключаются с помощью специальных согласующих устройств – контроллеров (контроллер клавиатуры, контроллер видеопамяти и т.д.)

Рассмотрим состав и назначение основных блоков ПК. В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают четыре устройства:

· системный блок;

· монитор;

· клавиатуру;

Системный блок. Все основные компоненты настольного компьютера находятся в нутрии системного блока. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными.

Архитектура ПК определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера:

· центрального микропроцессора;

· основной памяти;

· внешней памяти;

· периферийных устройств.

Микропроцессор (МП) . Это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

Назначение процессора:

1. управлять работой ЭВМ по заданной программе;

2. выполнять операции обработки информации.

Микропроцессор выполнен в виде сверхбольшой интегральной схемы. Термин "большая" относится не к размерам, а к количеству электронных компонентов, размещенных на маленькой кремниевой пластинке. Их число достигает нескольких миллионов. Чем больше компонентов содержит микропроцессор, тем выше производительность компьютера. Размер минимального элемента микропроцессора в 100 раз меньше диаметра человеческого волоса. Микропроцессор штырьками вставляется в специальное гнездо на системной плате, которое имеет форму квадрата с несколькими рядами отверстий по периметру.

Возможности компьютера как универсального исполнителя по работе с информацией определяются системой команд процессора. Эта система команд представляет собой язык машинных команд (ЯМК). Из команд ЯМК составляются программы управления работой компьютера. Отдельная команда определяет отдельную операцию (действие) компьютера. В ЯМК существуют команды, по которым выполняются арифметические и логические операции, операции управления последовательностью выполнения команд, операции передачи данных из одних устройств памяти в другие и пр.

В состав микропроцессора входят:

· устройство управления (УУ) – формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов;

· арифметико-логическое устройство (АЛУ) – предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор);

· микропроцессорная память (МПП) – служит для кратковременного характера записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессор. Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие);

· интерфейсная система микропроцессора – реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной. Интерфейс (interface) – совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. Порт ввода-вывода (I/O – Input/Output port) – аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК.

Важнейшей характеристикой процессора являетсятактовая частота – количество операций, выполняемых им за 1 секунду (Гц). Процессор 8086, произведенный фирмой Intel для персональных компьютеров IBM, мог выполнять не более 10 млн. операций в секунду, т.е. его частота была равна 10 МГц. Тактовая частота процессора 80386 составляла уже 33 МГц, а процессор Pentium совершает в среднем 100 млн. операций в секунду.

Кроме того, каждый конкретный процессор может работать не более чем с определенным количеством оперативной памяти. Для процессора 8086 это количество составляло всего лишь 1 Мбайт, для процессора 80286 оно увеличилось до 16 Мбайт, а для Pentium составляет 1 Гбайт. Кстати, в компьютере, как правило, имеется гораздо меньший объем оперативной памяти, чем максимально возможный для его процессора.

Процессор и основная память находятся на большой плате, которая называетсяматеринской. Для подключения к ней различных дополнительных устройств (дисководов, манипуляторов типа мыши, принтеров и т.д.) служат специальные платы – контроллеры. Они вставляются в разъемы (слоты) на материнской плате, а к их концу(порту), выходящему наружу компьютера, подключается дополнительное устройство.

Примеры характеристик микропроцессоров:

1. МП Intel-80386: адресное пространство – 232 байта = 4 Гб, разрядность 32, тактовая частота – от 25 до 40 МГц

2. МП Pentium: адресное пространство – 232 байта = 4 Гб, разрядность – 64 Тб, тактовая частота – от 60 до 100 МГц.

Память компьютера. Память ПК делится на внутреннюю и внешнюю.

Внутренняя память ПК включает в себя оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

ОЗУ – быстрая, полупроводниковая, энергозависимая память. В ОЗУ хранятся исполняемая в данный момент программа и данные, с которыми она непосредственно работает. Это значит, что когда вы запускаете какую-либо компьютерную программу, находящуюся на диске, она копируется в оперативную память, после чего процессор начинает выполнять команды, изложенные в этой программе. Часть ОЗУ, называемая "видеопамять", содержит данные, соответствующие текущему изображению на экране. При отключении питания содержимое ОЗУ стирается. Быстродействие (скорость работы) компьютера напрямую зависит от величины его ОЗУ, которое в современных компьютерах может доходить до 4 Гбайт. В первых моделях компьютеров оперативная память составляла не более 1 Мбайт. Современные прикладные программы часто требуют для своего выполнения не менее 4 Мбайт ОЗУ; в противном случае они просто не запускаются.

ОЗУ – это память, используемая как для чтения, так и для записи информации. При отключении электропитания информация в ОЗУ исчезает (энергозависимость).

ПЗУ – быстрая, энергонезависимая память. ПЗУ – это память, предназначенная только для чтения. Информация заносится в нее один раз (обычно в заводских условиях) и сохраняется постоянно (при включенном и выключенном компьютере). В ПЗУ хранится информация, присутствие которой постоянно необходимо в компьютере.

В ПЗУ находятся:

· тестовые программы, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы его блоков;

· программы для управления основными периферийными устройствами – дисководом, монитором, клавиатурой;

· информация о том, где на диске расположена операционная система.

Основная память состоит из регистров. Регистр – это устройство для временного запоминания информации в оцифрованной (двоичной) форме. Запоминающим элементом в регистре является триггер – устройство, которое может находиться в одном из двух состояний, одно из которых соответствует запоминанию двоичного нуля, другое – запоминанию двоичной единицы. Триггер представляет собой крошечный конденсатор-батарейку, которую можно заряжать множество раз. Если такой конденсатор заряжен – он как бы запомнил значение "1", если заряд отсутствует – значение "О". Регистр содержит несколько связанных друг с другом триггеров. Число триггеров в регистре называется разрядностью компьютера. Производительность компьютера напрямую связана с разрядностью, которая бывает равной 8, 16, 32 и 64.

Материнская плата . Самой большой электронной платой в компьютере является системная, или материнская плата. На ней располагаются микропроцессор, оперативная память, шина (или шины), BIOS. Кроме того, там находятся электронные схемы (контроллеры), управляющие некоторыми устройствами компьютера. Так, контроллер клавиатуры всегда находится на материнской плате. Часто там же находятся и контроллеры для других устройств (жестких дисков, дисководов для дискет и др.).

Контроллеры. Электронные схемы, управляющие различными устройствами компьютера, называют контроллерами. Во всех компьютерах имеются контроллеры для управления клавиатурой, монитором, дисководами для дискет, жестким диском и т.д. В большинстве компьютеров некоторые контроллеры располагаются на отдельных электронных платах – платах контроллеров. Эти платы вставляются в специальные разъемы (слоты) на материнской плате. При вставке в разъем материнской платы контроллер подключается к шине – магистрали.

Источник питания. Это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.

Внешняя память. Она относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, но наиболее распространенными, имеющимися практически на любом компьютере, являются накопители на жестких (HDD), накопители на оптических дисках (CD-ROM, CD-R, CR-W, DVD) и др.

Оборудование:

• Схемы устройства ЭВМ (Угринович), материнская карта, процессор, мониторы, виды памяти, объем памяти);
• Элементы компьютера

Урок 1. Внутренняя архитектура компьютера(2 часа)

Цель урока : Дать учащимся схему устройства персонального компьютера, основные понятия и устройство памяти и процессора.

Ход урока:

1. Объяснение нового материала:

Устройство компьютера с точки зрения пользователей - умение обращаться с компьютером как с инструментом для обработки информации. Компьютер должен воспринимать и распознавать вводимую информацию, запоминать ее, совершать над ней различные действия и выводить результаты своей работы, то есть выполнять основные этапы обработки информации: ввод, хранение, преобразование, вывод.

Для решения всех этих задач необходимы технические устройства и программы.

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

1) Блоки компьютера

Персональный компьютер состоит из следующих основных блоков: основная память, процессор, периферийные устройства. Все блоки связаны между собой системной магистралью (шиной).

Магистраль. Обмен информацией между отдельными устройствами компьютера производится по магистрали, соединяющей все устройства компьютера.

В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления. Шины представляют собой многопроводные линии.

Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении.

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т.е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. Разрядность процессоров постоянно увеличивалась по мере развития компьютерной техники и в настоящее время составляет 64 бита.

Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).

Разрядность шины адреса определяет адресное пространство процессора, т.е. количество ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адре­суемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле: N = >2 7 , где N - разрядность шины адреса.

Разрядность шины адреса постоянно увеличивалась и в современных персональных компьютерах составляет 32 бита. Таким образом, максимально возможное количест­во адресуемых ячеек памяти равно:N = 2 32 = 4 294 967 296.

Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления определяют какую операцию считывание или запись информации из памяти нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т. д.

Системный блок компьютера

Все основные компоненты настольного компьютера находятся внутри системного блока: системная плата с процессором и оперативной памятью, накопители на жестких и гибких дисках, CD-ROM и др. Кроме этого, в системном блоке находится блок питания.

Системная плата . Основным аппаратным компонентом компьютера является системная плата (рис. 1.4). На системной плате реализована магистраль обмена информацией, имеются разъемы для установки процессора и оперативной памяти, а также слоты для установки контроллеров внешних устройств.

Частота процессора, системной шины и шин периферийных устройств. Быстродействие различных компонентов компьютера (процессора, оперативной памяти и контроллеров периферийных устройств) может существенно различаться. Для согласования быстродействия на системной плате устанавливаются специальные микросхемы (чипсеты), включающие в себя контроллер оперативной памяти (так называемый северный мост) и контроллер периферийных устройств (южный мост)

Северный мост обеспечивает обмен информацией между процессором и оперативной памятью по системной шине. В процессоре используется внутреннее умножение частоты, поэтому частота процессора в несколько раз больше, чем частота системной шины. В современных компьютерах частота процессора может превышать частоту системной шины в 10 раз (например, частота процессора 1 ГГц, а частота шины - 100 МГц).

К северному мосту подключается шина PCI (Peripherial Component Interconnect bus - шина взаимодействия периферийных устройств), которая обеспечивает обмен информацией с контроллерами периферийных устройств. Частота контроллеров меньше частоты системной шины, например, если частота системной шины составляет 100 МГц, то частота шины PCI обычно в три раза меньше - 33 МГц. Контроллеры периферийных устройств (звуковая плата, сетевая плата, SCSI-контроллер, внутренний модем) устанавливаются в слоты расширения системной платы.

По мере увеличения разрешающей способности монитора и глубины цвета требования к быстродействию шины, связывающей видеоплату с процессором и оперативной памятью, возрастают. В настоящее время для подключения видеоплаты обычно используется специальная шина AGP (Accelerated Graphic Port - ускоренный графический порт), соединенная с северным мостом и имеющая частоту, в несколько раз большую, чем шина PCI.

Южный мост обеспечивает обмен информацией между северным мостом и портами для подключения периферийного оборудования.

Устройства хранения информации (жесткие диски, CD-ROM, DVD-ROM) подключаются к южному мосту по шине UDMA (Ultra Direct Memory Access - прямое подключение к памяти).

Мышь и внешний модем подключаются к южному мосту с помощью последовательных портов, которые передают электрические импульсы, несущие информацию в машинном коде, последовательно один за другим. Обозначаются последовательные порты как СОМ1 и COM2, а аппаратно реализуются с помощью 25-контактного и 9-контактного разъемов, которые выведены на заднюю панель системного блока.

Принтер подключается к параллельному порту, который обеспечивает более высокую скорость передачи информации, чем последовательные порты, так как передает одновременно 8 электрических импульсов, несущих информацию в машинном коде. Обозначается параллельный порт как LPT, а аппаратно реализуется в виде 25-контактного разъема на задней панели системного блока.

Для подключения сканеров и цифровых камер обычно используется порт USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина), который обеспечивает высокоско­ростное подключение к компьютеру сразу нескольких периферийных устройств.

Клавиатура подключается обычно с помощью порта PS/2.

2) Основная память

Основная память - это устройство для хранения информации. Она состоит из оперативного и постоянного запоминающих устройств.

В оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), которое часто также называют оперативной памятью (ОП), с диска или дискет копируются (загружаются) программы, которые выполняются в данный момент. Это значит, что когда вы запускаете какую-либо компьютерную программу, находящуюся на диске, она копируется в оперативную память, после чего процессор начинает выполнять команды, изложенные в этой программе. Часть ОЗУ, называемая «видеопамять», содержит данные, соответствующие текущему изображению на экране. При отключении питания содержимое ОЗУ стирается. Быстродействие (скорость работы) компьютера напрямую зависит от величины его ОЗУ, которое в современных компьютерах обычно 128- 256 Мбайт. В первых моделях компьютеров оперативная память составляла не более 1 Мбайт. Современные прикладные программы часто требуют для своего выполнения большого объема ОЗУ; в противном случае они просто не запускаются.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) постоянно хранит информацию, которая записывается туда при изготовлении компьютера. В ПЗУ находятся:

• тестовые программы, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы его блоков;
• программы для управления основными периферийными устройствами -дисководом, монитором, клавиатурой;
• информация о том, где на диске расположена операционная система.

Операционная система - это программа, управляющая работой компьютера и позволяющая человеку совершать различные действия с данными на дисках - удалять их, копировать с диска на диск, запускать на выполнение различные программы и т. п. При включении компьютера операционная система загружается в ОЗУ и находится там в течение всего сеанса работы. Для (IВМ-совместимых компьютеров наиболее популярной является операционная система WINDOWS.

ВИД ПАМЯТИ	ОБЪЕМ
Оперативная память	32; 64; 128; 256…Мб
Кэш- память	От 8 до 512 Кб, 1 Мб
Постоянная память
Гибкий магнитный диск (дискета)- 3,5""
Винчестер (жесткий магнитный диск)	20- 160 … Мб
CD (компакт диски)	250- 1500 Мб (650-700 Мб)

Основная память состоит из регистров. Регистр - это устройство для временного запоминания информации в оцифрованной (двоичной) форме. Запоминающим элементом в регистре является триггер - устройство, которое может находиться в одном из двух состояний, одно из которых соответствует запоминанию двоичного нуля, другое - запоминанию двоичной единицы. Триггер представляет собой крошечный конденсатор-батарейку, которую можно-заряжать множество раз. Если такой конденсатор заряжен - он как бы запомнил значение «1», если заряд отсутствует - значение «О». Регистр содержит несколько связанных друг с другом триггеров. Число триггеров в регистре называется разрядностью компьютера. Производительность компьютера напрямую связана с разрядностью, которая бывает равной 8, 16, 32 и 64.

Термин «винчестер» возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска емкостью 16 Кб (IВМ, 1973 г.), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром 30"/30" известного охотничьего ружья «Винчестер».

Проведем сравнение гибких и жестких дисков.

Аналогично гибким дискам:

• жесткий диск относится к классу носителей с произвольным доступом к информации;
• для хранения информации жесткий диск размечается на дорожки и секторы;
• для доступа к информации один двигатель дисковода вращает пакет дисков, другой устанавливает головки в место считывания/записи информации;
• наиболее распространенные размеры жесткого диска - 5,25 и 3,5 дюйма в наружном диаметре.

Жесткие диски имеют преимущества перед гибкими по двум основным параметрам:

• объем жестких дисков существенно выше, чем гибких, и колеблется от 20 до 120 и выше ГБ
• скорость обмена информацией в десятки раз больше, чем у гибких дисков.

Для обращения к жесткому диску используется имя, задаваемое любой латинской буквой, начиная с С:. В случае если установлен второй жесткий диск, ему присваивается следующая буква латинского алфавита В:, и т. д. Для удобства работы в операционной системе пре­дусмотрена возможность с помощью специальной системной про­граммы условно разбивать один физический диск на несколько не­зависимых частей, называемых логическими дисками. В этом случае каждой части одного физического диска присваивается свое логиче­ское имя, что позволяет независимо обращаться к ним: С:, В: и т. д.

Центральным устройством в компьютере является процессор. Он выполняет различные арифметические и логические операции, к которым сводится решение любой задачи обработки информации на компьютере. Кроме того, процессор управляет работой всех устройств компьютера.

Процессор - устройство, обеспечивающее преобразование информации и управление другими устройствами компьютера.

Что же представляет собой современный процессор? Для ответа на этот вопрос вспомним, что вся история развития компьютеров тесно связана с достижениями человечества в области электроники, материаловедения и других областей науки и техники. Именно открытия некоторых свойств материалов и веществ, в частности на основе кремния, позволили создать процессор для современного персонального компьютера. Современный процессор представляет собой микросхему, или чип (англ. chip - чип), выполненную на миниатюрной кремниевой пластине - кристалле. Поэтому его принято называть микропроцессором. В последних моделях микропроцессоров, размер которых равен примерно 2 см, содержится до нескольких миллионов электронных компонентов.

В современных компьютерах весьма распространенными являются микропроцессоры фирмы Intel, более известные по их товарной марке Pentium. По этому нередко можно услышать и очень распространенное сейчас название компьютера Pentium, хотя это всего лишь ассоциация с одним из типов используемых микропроцессоров.

Микропроцессор конструктивно представляет собой интегральную микросхему, а точнее говоря, сверхбольшую интегральную схему (СБИС). Слово «сверхбольшая» относится не к размерам интегральной схемы, а к количеству заключенных в ней электронных компонентов, размещенных на маленькой кремниевой пластинке. Число таких компонентов достигает нескольких миллионов. Чем больше компонентов содержит микропроцессор, тем выше производительность компьютера. Размер минимального элемента микропроцессора в 100 раз меньше диаметра человеческого волоса. Микропроцессор имеет контакты в виде штырьков, которые вставляются в специальный разъем, или сокет на системной плате. Разъем имеет форму прямоугольника с несколькими рядами отверстий по периметру.

Обработка любой информации на компьютере связана с выполнением процессором различных арифметических и логических операций. Арифметические операции - это базовые математические операции, такие как сложение, вычитание, умножение и деление. Логические операции (логическое сложение, умножение, отрицание и др.) представляют собой некоторые специальные операции, которые чаще всего используются при проверке соотношений между различными величинами. Это необходимо для управления работой компьютера.

Важной характеристикой процессора является его производительность (количество элементарных операций, выполняемых им за одну секунду), которая и определяет быстродействие компьютера в целом. В свою очередь, производительность процессора зависит от двух других его характеристик - тактовой частоты и разрядности.

Тактовая частота задает ритм жизни компьютера. Чем выше тактовая частота, тем меньше длительность выполнения операций и тем выше производительность компьютера. Тактовая частота определяет число тактов работы процессора в секунду. Под тактом мы понимаем чрезвычайно малый промежуток времени, измеряемый микросекундами, в течение которого может быть выполнена элементарная операция, например сложение двух чисел. Современный персональный компьютер может выполнять миллионы и миллиарды таких элементарных операций в секунду. Для числового выражения тактовой частоты используется единица измерения частоты - мегагерц (МГц) - миллион тактов в секунду. Тактовая частота современных микропроцессоров составляет более 100 МГц.

Разрядность процессора определяет размер минимальной порции информации, над которой процессор выполняет различные операции обработки. Эта порция информации, часто называемая машинным словом, представлена последовательностью двоичных разрядов (бит). Процессор в зависимости от его типа может иметь одновременный доступ к 8, 16, 32, 64 битам.

С повышением разрядности увеличивается объем информации, обрабатываемой процессором за один такт, что ведет к уменьшению количества тактов работы, необходимых для выполнения сложных операций. Кроме того, чем выше разрядность, тем с большим объемом памяти может работать процессор. Первые микропроцессоры (1971 г. - фирма Intel) имели разрядность 4 бит, тактовую частоту 108 КГц и способность адресовать 640 байт основной памяти. Современные компьютеры оснащаются 32-разрядными процессорами, и при этом их оперативная память обычно составляет 64, 128, 256 Мбайт.

Для современных микропроцессоров характерна тенденция к увеличению разрядности и повышению тактовой частоты.

	Год выпуска	Частота (мгц)	Шина данных	Шина адреса	Адресное пространство
					4 Гб
					4 Гб
					4 Гб
					4 Гб
Pentium 4

Кроме центрального микропроцессора во многих компьютерах имеются сопроцессоры - дополнительные специализированные процессоры. Например, математический сопроцессор - микросхема, которая помогает основному процессору в выполнении вычислений при решении на компьютере математических задач.

Основная работа процессора заключается в двух действиях - считывании из программы, находящейся в ОЗУ, очередной команды и выполнении действий, указанных в этой команде. Таким действием может быть выполнение арифметических и логических операций над данными, вывод информации на периферийное устройство и т. д.

Процессор состоит из устройства управления (УУ), которое управляет работой процессора с помощью электрических сигналов, арифметическо-логического устройства (АЛУ), производящего операции над данными, и регистров для временного хранения в процессоре этих данных и результата операции над ними. Данные процессор считывает из ОЗУ, туда же он пересылает результат действия над этими данными.

Важнейшей характеристикой процессора является тактовая частота - количество операций, выполняемых им за 1 секунду (Гц). Процессор 8086, произведенный фирмой Intel для персональных компьютеров IВМ, мог выполнять не более 10 млн. операций в секунду, т. е. его частота была равна 10 МГц. Тактовая частота процессора 80386 составляла уже 33 МГц, а современный процессор Pentium совершает в среднем 100 млн. операций в секунду.

Кроме того, каждый конкретный процессор может работать не более чем с определенным количеством оперативной памяти. Для процессора 8086 это количество составляло всего лишь 1 Мбайт, для процессора 80286 оно увеличилось до 16 Мбайт, а для Pentium составляет 1 Гбайт. Кстати, в компьютере, как правило, имеется гораздо меньший объем оперативной памяти, чем максимально возможный для его процессора.

Процессор и основная память находятся на большой плате, которая называется материнской. Для подключения к ней различных дополнительных устройств (дисководов, манипуляторов типа мыши, принтеров и т. д.) служат специальные платы - контроллеры. Они вставляются в разъемы (слоты) на материнской плате, а к их концу (порту), выходящему наружу компьютера, подключается дополнительное устройство. Все блоки компьютера соединяются системной магистралью, или шиной, - набором проводов, передающих электрические сигналы от одной схемы компьютера к другой.

д/з: конспекты, сообщения по периферийным устройствам ЭВМ

Урок 2. Основные периферийные устройства

Цель урока: разобрать с учащимися назначение основных переферийных устройств компьютера, их характеристики.

Ход урока:

Повторение (У доски):

1. Схема ЭВМ.
2. Память (ОЗУ, ПЗУ, КЭШ, гибкий диск, жесткий, CD)

Объяснение нового материала.

1. Периферийные устройства. Клавиатура. Монитор

Периферийные устройства-это устройства, с помощью которых информация или вводится в компьютер, или выводится из него. Они также называют внешними или устройствами ввода-вывода данных. Условно их можно разделить на основные, без которых работа компьютера практически невозможна, и прочие, которые подключаются при необходимости. К ос­новным устройствам относятся клавиатура, монитор и дисковод.

Клавиатура служит для ввода текстовой информации. Внутри нее имеется микросхема - шифратор, - которая преобразует сигнал от конкретной клавиши в соответствую­щий данному знаку двоичный код.

Монитор (дисплей) в зависимости от конкретной про­граммы работает в одном из двух режимов - текстовом или графическом. В текстовом режиме экран состоит из отдельных участков - знакомест. В каждое знакоместо может быть выведен один символ. В области видеопамяти в этот момент находятся данные, характеризующие каждое знакоместо, - цвет символа, цвет фона, яркость и т. д. В графическом режиме экран состоит из отдельных точек - пикселей. Данные в видео­памяти характеризуют цвет конкретного пикселя - так создается изображение. Количе­ство пикселей, из которых состоит экран монитора, называется разрешающей способ­ностью монитора. Характеристики распространенных в настоящее время мониторов приведены в таблицею

	Текстовый режим	Графический режим
		640х200, 2 цвета; 20х200, 4 цвета
	16 цветов; 80х43, 16 цветов	640х350,16 цветов
	16 цветов; 80х50, 16 цветов	640х480, 16 цветов
		640х480, 256 цветов; 800х600,16 цветов

2. Дисковод. Диски

Для сохранения информации ее записывают на специальные жесткие и гибкие магнитные диски. Запись основана на способности некоторых материалов, содержащих в своей основе железо, сохранять намагниченность после кратковременного воздействия на них магнитного поля. Двоичные нули и единицы записываются на кольцеобразные дорожки диска в виде двух по-разному намагниченных участков. Дорожки состоят из отдельных частей - секторов по 512 байт. Дорожки и сектора нумеруются.

Накопитель на магнитных дисках (дисковод) состоит из мотора, служащего для вращения диска и специальной читающей и записывающей магнитной головки.

Жесткий магнитный диск (винчестер) размещается внутри компьютера. Объем жесткого диска может составлять от 10 Мбайт до 1 Гбайта (и это не предел). Компьютер может иметь пакет (несколько) винчестеров.

Гибкие магнитные диски (дискеты) бывают двух типов: 3-дюймовые (3,5" - 8 мм) и 5-дюймовые (5,25" - 133 мм). Тип определяется диаметром диска, находящегося внутри пластиковой коробки. Сама пластиковая коробка выполняет функцию защиты от внешних воздействий. Объем дискеты зависит от плотности записи на дорожке, которая бывает одинарной (30 - SD-SINGLE DENSITY), двойной (DD-DOUBLE DENSITY), четырехкратной (QD-QUADRUPLY DENSITY) и высокой (HD- HIGH DENSITY), а также от количества рабочих сторон на дискете (односторонняя и двухсторонняя). Максимальный объем дискеты обычно обозначен в ее маркировке.

Сразу после покупки дискету нельзя использовать. Сначала ее нужно отформатировать с помощью соответствующей компьютерной программы. Форматирование (иници­ализация) - процесс нарезки дорожек на дискете, разбиение дорожек на сектора, проставление на них специальных меток. Любую дискету можно отформатировать на максимально возможный для нее объем или на любой меньший объем, предназначенный для данного типа дискет. Современные программы форматирования позволяют разметить дискету на нестандартный объем (747 Кбайт, 1,49 Мбайт и т. п.). Для того чтобы компьютер затем мог работать с таким типом дискет, следует загрузить специальную программу поддержки. Форматировать можно и бывшую в работе дискету, при этом все данные на ней уничтожаются.

В процессе эксплуатации на поверхности дисков могут появиться испорченные, так называемые сбойные участки. Информация, записанная на сбойный участок, не читается. Поэтому следует периодически проверять диски специальной программой типа МОО. Программа выявляет дефектные участки и помечает их таким образом, что при записи на диск эти участки автоматически пропускаются. Кроме того, программа может восстановить данные, попавшие на сбойный участок.

Д/з: конспекты, сообщения.

Урок 3. Прочие периферийные устройства

1. Принтер

В отличие от основных периферийных устройств те устройства, которые мы назвали прочими, подключаются к компьютеру в зависимости от конкретных нужд пользователя.

Принтер - устройство для вывода на бумагу текстов и графических изображений. В настоящее время используется несколько типов принтеров.

Матричный принтер. Принцип действия такого принтера основан на том, что печатающая головка, содержащая металлические иголки, движется вдоль печатаемой строки. Иголки в нужный момент ударяют по бумаге через красящую ленту - изображение формируется из отдельных точек. Красящая лента может быть намотанной на катушки (как в пишущей машинке) или уложенной в специальную коробку (картридж). Матричные принтеры - наиболее де­шевые. Качество печати у них, как правило, невысокое. Скорость печати в среднем - 1 минута на страницу. Матричные принтеры - не цветные.

Струйный принтер. В принтерах этого типа мельчай­шие капли краски выдуваются на бумагу через крошечные сопла. Эти принтеры обеспечивают достаточно высокое качество печати. Скорость печати в среднем - 1 минута на страницу. Существуют цветные и не цветные струйные принтеры.

Лазерный принтер. В таких принтерах частицы краски переносятся со специального красящего барабана на бумагу посредством электрического поля. Качество печати - высокое. Скорость печати в среднем - от 4 до 15 страниц за 1 минуту. Существуют цветные и не цветные лазерные принтеры.

2. Другие периферийные устройства

Плоттер (графопостроитель) служит для печати на бумагу чертежей. Изображение создается двигающимся по листу пером с цветной тушью. Обычный плоттер может выводить чертеж на лист размером до А1 (841х594 мм). Но существуют большие плоттеры, выводящие изображение на лист с размерами до 3х3 м. Скорость печати для листа А1 средней наполненности - 1 час.

Сканер предназначен для ввода в компьютер представленных в печатном виде текстовых и графических данных. Имея сканер, можно не утруждать себя, создавая рисунок с помощью графического редактора, а быстро набросать изображение от руки на листе бумаги и ввести в компьютер с помощью этого устройства. Аналогично можно ввести и рукописный текст, который при наличии программы распознавания будет автоматически преобразован в напечатанный вид. Сканеры бывают ручными (которыми проводят сверху по листу) и планшетными (лист кладется внутрь сканера).

Стример - это устройство для резервного копирования данных винчестера на случай их возможной потери (вирус, поломка). Если использовать для этой цели дискеты, потребуется не только много дискет, но и много времени. Стример быстро записывает данные на магнитную ленту в специальной кассете. Новейшие разработки позволяют использовать для этой цели обычные видеокассеты.

Устройства управления курсором служат для бы­строго перемещения курсора по экрану. Наиболее распространенным среди них является манипулятор типа «мышь» (или просто «мышь»). Внутри него имеется шар, который при движении мыши катится по поверхности и передает свое движение специальным роликам. Сигналы от роликов поступают в компьютер. Трекбол напоминает мышь, перевернутую вверх ногами. В движение приводят шар, закрепленный на роликах. Трекбол обычно используется в переносных компьютерах типа notebook. Джойстик представляет собой рукоятку с кнопками и применяется, как правило, для игр и тренажеров.

Отдельные компьютеры могут связываться друг с другом посредством телефонной сети. Пользователь, подключивший свой компьютер в такую сеть, получает доступ практически к неограниченному объему информации. Компьютерные сигналы - это сигналы постоянного тока. Телефонная сеть их передавать не может. Для преобразования компьютерных сигналов в сигналы, способные передаваться по телефонной сети (иными словами, для их модуляции - преобразования а комбинацию звуковых сигналов различной частоты), применяется специальное устройство, называемое модем (сокращение слов модулятор-демодулятор).

Связь компьютера с различными устройствами ввода и вывода осуществляется через порты. Для некоторых устройств предусмотрено внешнее подключение к портам через разъемы, которые обычно тоженазывают портами. Эти разъемы расположены на тыльной стороне системного блока. Дисководы гибких, жестких и лазерных дисков устанавливаются и подключаются внутри системного блока. Порты бывают последовательные и параллельные.

Параллельные порты

Этот тип портов используется для подсоединения внешних устройств, которым необходимо передавать большой объем информации на близкое расстояние. Через параллельный порт обычно передается одновременно 8 бит данных по 8 параллельным проводникам. К параллельному порту подключаются принтер, сканер. Число параллельных портов у компьютера не превышает трех, и они имеют соответственно логические имена LPТ1, LPT2, LPТЗ (от англ. линия принтера).

Последовательные порты

Данный тип портов используется для подключения к системному блоку мыши, модемов и многих других устройств. Через такой порт идет последовательный поток данных по 1 биту. Это можно сопоставить с тем, как происходит движение транспорта по дороге с одной полосой. Последовательная передача данных используется на больших расстояниях. Поэтому последовательные порты часто называют коммуникационными. Количество коммуникационных портов не превышает четырех, и им присвоены имена от СОМ1 до СОМ4 (англ. коммуникационный порт).

3. Мультимедийные компоненты

Привод СD-RОМ функционально аналогичен дисководу, но предназначен для чтения компакт-дисков. Компакт-диск, подобно дискете, служит для хранения различных данных и аудиовидеоинформации, представленной в двоичном виде. Однако если на магнитных дисках двоичные числа представлены в виде двух по-разному намагниченных участков, то здесь использован другой принцип. Спиральная дорожка состоит из одинаковых по протяженности, но разных по высоте участков. Для создания такой формы («вспучивания») нужные участки дорожки «нагревают» лучом лазера. При чтении данных используется луч лазера меньшей мощности. Когда такой луч падает на «вспученный» участок, он отражается от его поверхности и попадает в светоприемник. На низкий участок луч не попадает, а следовательно, не отражается. Таким образом, сигналы в светоприемнике представлены как «1» - наличие сигнала и «О» - его отсутствие. Компакт-диски выполнены из алюминия или золота и залиты в пластик. На одном компакт-диске может быть записано от 650-800-900 Мбайт информации.

Саундбластер - устройство (плата-контроллер) для преобразования цифровой аудиоинформации, записанной на дисках и компакт-дисках, в звуки. К выходу саундбластера можно подключить усилитель звукового сигнала и колонки для воспроизведения стереозвука.

Компьютер, оснащенный приводом СD-RОМ и саундбластером, называется мультимедийным (мультимедиа - представление информации в видео- и аудиовиде).

Д/з: конспекты

Архитектура персонального компьютера

Введение

Компьютер (англ. computer - вычислитель) представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами.

Существует два основных класса компьютеров:

• цифровые компьютеры, обрабатывающие данные в виде числовых двоичных кодов;
• аналоговые компьютеры, обрабатывающие непрерывно меняющиеся физические величины (электрическое напряжение, время и т. д.), которые являются аналогами вычисляемых величин.

Поскольку в настоящее время подавляющее большинство компьютеров являются цифровыми, далее будем рассматривать только этот класс компьютеров и слово "компьютер" употреблять в значении "цифровой компьютер". Основу компьютеров образует аппаратура (HardWare), построенная, в основном, с использованием электронных и электромеханических элементов и устройств. Принцип действия компьютеров состоит в выполнении программ (SoftWare) - заранее заданных, четко определённых последовательностей арифметических, логических и других операций.

Любая компьютерная программа представляет собой последовательность отдельных команд. Команда - это описание операции, которую должен выполнить компьютер. Как правило, у команды есть свой код (условное обозначение), исходные данные (операнды) и результат. Например, у команды "сложить два числа" операндами являются слагаемые, а результатом - их сумма. А у команды "стоп" операндов нет, а результатом является прекращение работы программы. Результат команды вырабатывается по точно определенным для данной команды правилам, заложенным в конструкцию компьютера. Совокупность команд, выполняемых данным компьютером, называется системой команд этого компьютера.

Компьютеры работают с очень высокой скоростью, составляющей миллионы – сотни миллионов операций в секунду.

Персональные компьютеры, более чем какой-либо другой вид ЭВМ, способствуют переходу к новым компьютерным информационным технологиям, которым свойственны:

• дружественный информационный, программный и технический интерфейс с пользователем;
• выполнение информационных процессов в режиме диалога с пользователем;
• сквозная информационная поддержка всех процессов на основе интегрированных баз данных;
• так называемая “безбумажная технология”.

Компьютер - это многофункциональное электронное устройство для накопления, обработки и передачи информации. Под архитектурой компьютера понимается его логическая организация, структура и ресурсы, т. е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени.

В основу построения большинства ЭВМ положены принципы, сформулированные в 1945 г. Джоном фон Нейманом:

1. Принцип программного управления (программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определённой последовательности).
2. Принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными).
3. Принцип адресности (основная память структурно состоит из нумерованных ячеек).

ЭВМ, построенные на этих принципах, имеют классическую архитектуру (архитектуру фон Неймана). Архитектура ПК определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера:

• центрального процессора;
• основной памяти;
• внешней памяти;
• периферийных устройств.

Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру процессора, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской (MotherBoard). А контроллеры и адаптеры дополнительных устройств либо сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения (D a ughterBoard - дочерняя плата) и подключаются к шине с помощью разъёмов расширения, называемых также слотами расширения (англ. slot - щель, паз)

Функционально-структурная организация

Основные блоки ПК и их значение

Архитектура компьютера обычно определяется совокупностью ее свойств, существенных для пользователя. Основное внимание при этом уделяется структуре и функциональным возможностям машины, которые можно разделить на основные и дополнительные. Основные функции определяют назначение ЭВМ: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами. Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций: обеспечивают эффективные режимы ее работы, диалог с пользователем, высокую надежность и др. Названные функции ЭВМ реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных средств.

Структура компьютера - это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов. Персональный компьютер - это настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения. Достоинствами ПК являются:

• малая стоимость, находящаяся в пределах доступности для индивидуального покупателя;
• автономность эксплуатации 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, обусловливающая возможность работы с ней пользователя без специальной профессиональной подготовки;
• высокая надежность работы (более 5 тыс. ч наработки на отказ).

Структура персонального компьютера

Рассмотрим состав и назначение основных блоков ПК.

Примечание. Здесь и далее организация ПК рассматривается применительно к самым распространенным в настоящее время IBM PC-подобным компьютерам.

Микропроцессор (МП) - это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

В состав микропроцессора входят:

• устройство управления (УУ) - формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов;
• арифметико-логическое устройство (АЛУ) - предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор);
• микропроцессорная память (МПП) - служит для кратковременного характера, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессор. Регистры - быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие);
• интерфейсная система микропроцессора - реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной. Интерфейс (interface) - совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. Порт ввода-вывода (I/O - Input/Output port) - аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК.

Генератор тактовых импульсов

Он генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины.

Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

Системная шина

Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина включает в себя:

• кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;
• кодовую шину адреса (КША), включающую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода – вывода внешнего устройства;
• кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины;
• шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

• между микропроцессором и основной памятью;
• между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
• между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Не блоки, а точнее их порты ввода – вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: Непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шины осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему- контроллер шины, формирующий основные сигналы управления.

Основная память (ОП)

Она предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (изменить информацию в ПЗУ нельзя).

ОЗУ предназначено для оперативной 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 высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка ОЗУ следует отменить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость).

Внешняя память

Она относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, но наиболее распространенными, имеющимися практически на любом компьютере, являются накопители на жестких (HDD) и гибких (HD) магнитных дисках.

Назначение этих накопителей - хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. В качестве устройств внешней памяти используются также запоминающие устройства на магнитной дискете, накопители на оптических дисках (CD-ROM-Compact Disk Read Only, DVD, Memory-компакт-диск с памятью, только читаемой) и другие.

Источник питания

Это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.

Таймер

Это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания - аккумулятору и при отключение машины от сети продолжает работать.

Внешние устройства (ВУ)

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

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

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

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

Видеомонитор (дисплей) - устройство для отображения вводимой и выводимой из ПК информации.

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

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

К устройствам ввода информации относятся:

• клавиатура - устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК;
• графические планшеты (диджитайзеры) для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняются считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК;
• сканеры - для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей; в устройстве кодирования сканера в текстовом режиме считанные символы после сравнения с эталонными контурами специальными программами преобразуются в коды ASCII, а в графическом режиме считанные графики и чертежи преобразуются в последовательности двухмерных координат;
• манипуляторы (устройства указания): джойстик-рычаг, мышь, трекбол-шар в оправе, световое перо и др. - для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК;
• сенсорные экраны - для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК.

К устройствам вывода информации относятся:

• принтеры - печатающие устройства для регистрации информации на бумажный носитель;
• графопостроители (плоттеры) - для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель; плоттеры бывают векторные с вычерчиванием изображения с помощью пера и растровые: термографические, электростатические, струйные и лазерные. По конструкции плоттеры подразделяются на планшетные и барабанные. Основные характеристики всех плоттеров примерно одинаковые: скорость вычерчивания - 100 – 1000 мм/с (у лучших моделей возможны цветное изображение и передача полутонов); наибольшая разрешающая способность и четкость изображения - у лазерных плоттеров, но они самые дорогие.

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

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

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

К средствам мультимедиа относятся: устройства речевого ввода и вывода информации; широко распространенные уже сейчас сканеры (поскольку они позволяют автоматически вводить в компьютер печатные тексты и рисунки); высококачественные видео- (video-) и звуковые (sound-) платы, платы видеозахвата (videograbber), снимающие изображение с видеомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в ПК; высококачественные акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами. Но, пожалуй, еще с большим основанием к средствам мультимедиа относят внешние запоминающие устройства большой емкости на оптических дисках, часто используемые для записи звуковой и видеоинформации

Стоимость компакт-дисков (CD) при их массовом тиражировании невысока, а, учитывая их большую емкость (650 – 700 Мбайт, а новых типов 8 Гбайт и выше), высокие надежность и долговечность, стоимость хранения информации на CD для пользователя оказывается несравнимо меньшей, нежели на магнитных дисках. На компакт-дисках организуются обширные базы данных, целые библиотеки; на CD представлены словари, справочники, энциклопедии; обучающие и развивающие программы по общеобразовательным и общим предметам.

CD широко используется, например, при изучении иностранных языков, правил дорожного движения, бухгалтерского учета, законодательства вообще и налогового законодательства в частности. И все это сопровождается текстами и рисунками, речевой информацией и мультипликацией, музыкой и видео. В чисто бытовом аспекте CD можно использовать для хранения аудио- и видеозаписей, т. е. использовать вместо магнитных аудиокассет и видеокассет. Следует упомянуть, конечно, и о большом количестве программ компьютерных игр, хранимых на CD.

Таким образом, CD-ROM открывает доступ к огромным объемам разнообразной и по функциональному назначению, и по среде воспроизведения информации, записанной на компакт-дисках.

Прерывание - временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, а в данный момент более важной (приоритетной) программы. Прерывания возникают при работе компьютеры постоянно. Достаточно сказать, что все процедуры ввода – вывода информации выполняются по прерываниям, например прерывания от таймера возникают и обслуживаются контроллером прерываний 18 раз в секунду (естественно, пользователь их не замечает).

Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в МП. МП, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы.

Внутримашинный системный интерфейс - система связи и сопряжения узлов и блоков ЭВМ между собой - представляет собой совокупность электрических линий связи (проводов), схем сопряжения с компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов.

Существует два варианта организации внутримашинного интерфейса:

1. Многосвязный интерфейс: каждый блок ПК связан с прочими блоками своими локальными проводами; интерфейс применяется, как правило, только в простейших бытовых устройствах.
2. Односвязный интерфейс: все блоки ПК связаны друг с другом через общую или системную шину.

В подавляющем большинстве современных ПК в качестве системного интерфейса используется системная шина. Структура и состав системной шины были рассмотрены ранее. Важнейшими функциональными характеристиками системной шины являются: количество обслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность, т. е. максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит от ее разрядности (есть шины 8-, 16-, 32- и 64- разрядные) и тактовой частоты, на которой шина работает.

В качестве системной шины в разных ПК использовались и могут использоваться:

• шины расширений - шины общего назначения, позволяющие подключать большое число самых разнообразных устройств;
• локальные шины, специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса.

Шины расширений:

• шина Multibus 1 имеет две модификации: PC/XT bus (personal Computer eXtended Technology) - ПК с расширенной технологией и PC/AT bus (PC Advachnology - ПК с усовершенствованной технологией);
• шина PC/XT bus - 8-разрядная шина данных и 20-разрядная шина адреса, рассчитанная на тактовую частоту 4,77 МГц; имеет 3 линии для адаптерных прерываний и 3 канала для прямого доступа в память (каналы DMA - Direct Memory Access). Шина адреса ограничивала адресное пространство микропроцессора величиной 1 Мбайт. Используется с МП 8086, 8088;
• шина PC/At bus - 16 разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота до 8 МГц, но может использоваться и МП с тактовой частотой 16 МГц, так как контроллер шины может делить частоту пополам; имеет 7 линий для адаптерных прерываний и 4 канала DMA. Используется с МП 80286;
• шина ISA (Industry Standard Architecture - архитектура промышленного стандарта) - 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота 16 МГц, но может использоваться и МП с тактовой частотой 50 МГц (коэффициент деления увеличен); по сравнению с шинами PC/XT и PC/AT увеличено количество линий аппаратных прерываний с 7 до 15 и каналов прямого доступа к памяти DMA с 7 до 11. Благодаря 24-разрядной шине адреса адресное пространство увеличилось с 1 до 16 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 существенным препятствием увеличения быстродействия ПК;
• шина EISA (Extended ISA) - 32-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, создана в 1989г. Адресное пространство шины 4 Гбайта, пропускная способность 33 Мбайт/с, причем скорость обмена по каналу МП - КЭШ - ОП определяется параметрами микросхем памяти, увеличено число разъемов расширений, (теоретически может подключаться до 15 устройств, практически до - 10). Улучшена система прерываний,шина EISA обеспечивает автоматическое конфигурирование системы и управление DMA; полностью совместима с шиной ISA(есть разъемы для подключения ISA),шина поддерживает многопроцессорную архитектуру вычислительных систем. Шина EISA весьма дорогая и применяется в скоростных ПК, сетевых серверах и рабочих станциях;
• шина MCA (Micro Channel Architecture) - 32-разрядная шина, созданная фирмой IBM в 1987г. для машин PC/2, пропускная способность 76 Мбайт/с, рабочая частота 10-20Мгц. По своим прочим 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 ввиду отсутствия наработанного обилия прикладных программ, шина MCA также используется не очень широко.

Современные вычислительные системы характеризуются:

• стремительным ростом быстродействия микропроцессоров (например, МП Pentium может выдавать данные со скоростью 528 Мбайт/с по 64-разрядной шине данных) и некоторых внешних устройств (так, для отображения цифрового полноэкранного видео с высоким качеством необходима 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 условиях пропускной способности шин расширения, обслуживающих одновременно несколько устройств, оказалось недостаточно для комфортной работы пользователей, ибо компьютеры стали подолгу "задумываться".

Разработчики интерфейсов пошли по пути создания локальных шин, подключаемых непосредственно к шине МП, работающих на тактовой частоте МП, (но не на внутренней рабочей его частоте) и обеспечивающих связь с некоторыми скоростными внешними по отношению к МП, устройствами: основной и внешней памятью, видеосистемами.

Сейчас существуют два основных стандарта универсальных локальных шин - VLB и PCI:

• Шина VLB (V E SA Local Bus - локальная шина VESA) - разработана в 1992г. Ассоциацией стандартов видео оборудования (VESA - Video Electronics Standards Association), поэтому часто ее называют шиной VESA.
• Шина VLB, по существу, является расширением внутренней шины МП для связи с видеоадаптером и реже с винчестером, на подходе 64-разрядный вариант шины. Реальная скорость передачи данных по VLB-80 Мбайт/с (теоретически достижимая - 132 Мбайт/с).

Недостатки шины:

• рассчитана на работу МП 80386,80486, не адаптирована для процессоров Pentium, Pentium Pro, Power PC;
• жесткая зависимость от тактовой частоты МП (каждая шина VLB рассчитана только на конкретную частоту);
• малое количество подключаемых устройств - к шине VLB могут подключаться только четыре устройства;
• отсутствует арбитраж шины - могут быть конфликты между подключаемыми устройствами.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect - соединение внешних устройств) разработана в 1993 г. фирмой Intel. Шина PCI является на много более универсальной, чем VLB. Имеет свой адаптер, позволяющий ей настраиваться на работу с любым МП: 80486, Pentium, Pentium Pro, Power PC и др.; она позволяет подключать 10 устройств самой разной конфигурации с возможностью автоконфигурирования, имеет свой "арбитраж", средства управления передачей данных. Шина PCI пока еще весьма дорогая.

Разрядность PCI - 32 бита с возможностью расширения до 64 бит, теоретическая пропускная способность 132 Мбайта/с (реальная вдвое ниже). Шина PCI хотя и является локальной, выполняет и многие функции шины расширения, в частности, шины расширения ISA, EISA, MCA (а она совместима с ними) при наличии шины PCI подключаются не посредственно к МП (как это имеет место при использовании шины VLB), а к самой шине PCI (через интерфейс расширения).

Следует иметь в виду, что использование в ПК шин VLB и PCI возможно только при наличии соответствующей VLB - или PCI-материнской платы. Выпускаются материнские платы с мультишинной структурой, позволяющей использовать ISA/EISA, VLB и PCI, так называемые материнские платы с шиной VIP (по начальным буквам VLB, ISA и PCI).

Но в настоящее время платы с шинами VLB не производится и отмирает шина ISA, появились новые шины, такие как AGP, предназначенные для видеоадаптеров с высокой пропускной способностью или так называемые 3D ускорители.

Функциональные устройства ПК

Основными характеристиками ПК являются:

1. Быстродействие.
2. Производительность.
3. Тактовая частота.

Единицами измерения быстродействия служат:

• МИПС (MIPC - Vega Instruction Per Second) - миллион операций над числами с фиксированной запятой (точкой);
• МФЛОПС (MFLOPS - Mega Floating Operations Second) - миллион операций над числами с плавающей запятой (точкой);
• КОПС (KOPS - Kilo Operations Per Second) для низко производительных ЭВМ - тысяча неких усредненных операций над числами;
• ГФЛОПС (GFLOPS - Gig a Floating Operations Per Second) - миллиард операций в секунду над числами с плавающей запятой (точкой).

Оценка производительности ЭВМ всегда приблизительная, ибо при этом ориентируются на некоторые усредненные или, наоборот, на конкретные виды операций. Реально при решении различных задач используются и различные наборы операций. Поэтому для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины. И так как каждая операция требует для своего выполнения вполне определенного количество тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции.

1. Разрядность машины и кодовых шин интерфейса. Разрядность - это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК.

2. Типы системного и локальных интерфейсов. Разные типы интерфейсов обеспечивают разные сроки передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды.

3. Емкость оперативной памяти. Емкость оперативной памяти измеряется чаще всего в мегабайтах (Мбайт). Напоминаем: 1 Мбайт = 1024 Кбайта = 1024 байт. Многие современные прикладные программы при оперативной памяти емкостью меньше 32 Мбайт просто не работают, либо работают, но очень медленно. Следует иметь в виду, что увеличение емкости основной памяти в два раза, помимо всего прочего, дает повышение эффективной производительности ЭВМ при решении сложных задач примерно в 1,7 раза.

4. Емкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестер). Емкость винчестера измеряется обычно в мегабайтах или гигабайтах (1 Гбайт = 1024 Мбайта).

5. Тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках и лазерных компакт дисков. Сейчас применяются накопители 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 1,44 Мбайта, вторые 1,2 Мбайта. Также применяются накопители на компакт дисках в связи с их низкой стоимостью и большой емкостью, размером 650 и 700 Мb, применяются лазерные перезаписываемые диски CD-RW емкостью 650 – 700 Mb. Применяются и такой тип накопителя как DVD. Высокие технологии и высокая стоимость, но и большая емкость до 24 Gb.

6. Виды и емкость КЭШ-памяти. КЭШ-память - это буферная, недоступная для пользователей быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Например, для ускорения операций 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 памятью организуется КЭШ-память на ячейка электронной памяти. Следует иметь в виду, что наличие КЭШ-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность ПК примерно на 20 %. Встречается емкость КЭШ-памяти и 512 Кбайт

7. Тип видеомонитора (дисплея) и видеоадаптера.

8. Тип принтера.

9. Наличие математического сопроцессора. Математический сопроцессор позволяет в десятки раз ускорить выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами.

10. Имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы.

11. Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ. Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ означает возможность использования на компьютере соответственно тех же технических элементов и программного обеспечения, что и на других типах машин.

12. Возможность работы в вычислительной сети

13. Возможность работы в многозадачном режиме. Многозадачный режим позволяет выполнять вычисления одновременно по нескольким программам (многопрограммный режим) или для нескольких пользователей (многопользовательский режим). Совмещение во времени работы нескольких устройств машины, возможное в таком режиме, позволяет значительно увеличить эффективное быстродействие ЭВМ.

14. Надежность. Надежность - это способность системы выполнять полностью и правильно все заданные ей функции. Надежность ПК измеряется обычно средним временем наработки на отказ

15. Стоимость.

16. Габариты и масса.

Микропроцессоры

Микропроцессор, иначе, центральный процессор. Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) - это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера. Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

• арифметико-логическое устройство;
• шины данных и шины адресов;
• регистры;
• счетчики команд;
• кэш - очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);
• математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему - тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или плоский керамический корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера. В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называются многопроцессорными.

Первый микропроцессор был выпущен в 1971 г. фирмой Intel (США) - МП 4004. В настоящее время выпускается несколько сотен различных микропроцессоров, но наиболее популярными и распространенными являются микропроцессоры фирмы Intel и AMD.

Структура микропроцессора

Устройство управления является функционально наиболее сложным устройством ПК. Оно вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций во все блоки машины. Сюда включаются:

§ Регистр команд - запоминающий регистр, в котором хранится код команды: код выполняемой операции и адреса операндов, участвующих в операции. Регистр команд расположен в интерфейсной части МП, в блоке регистров команд.

§ Дешифратор операций - логический блок, выбирающий в соответствии с поступающим из регистра команд кодом операции (КОП) один из множества имеющихся у него выходов.

§ Постоянное запоминающее устройство микропрограмм - хранит в своих ячейках управляющие сигналы (импульсы), необходимые для выполнения в блоках ПК операций обработки информации. Импульс по выбранному дешифратором операции (в соответствии с кодом операции) считывает из ПЗУ микропрограмм необходимую последовательность управляющих сигналов.

§ Узел формирования адреса (находится в интерфейсной части МП) - устройство, вычисляющее полный адрес ячейки памяти (регистра) по реквизитам, поступающим из регистра команд и регистров МПП.

§ Кодовые шины данных, адреса и инструкций - часть внутренней шины микропроцессора. В общем случае УУ формирует управляющие сигналы для выполнения следующих основных процедур:

o выборки из регистра-счетчика адреса команды МПП адреса ячейки ОЗУ, где хранится очередная команда программы;

o выборки ИЗ ячеек ОЗУ кода очередной команды и приема считанной команды в регистр команд;

o расшифровки кода операции и признаков выбранной команды;

o считывания из соответствующих расшифрованному коду операции ячеек ПЗУ микропрограмм управляющих сигналов (импульсов), определяющих во всех блоках машины процедуры выполнения заданной операции, и пересылки управляющих сигналов в эти блоки;

o считывания из регистра команд и регистров МПП отдельных составляющих адресов операндов (чисел), участвующих в вычислениях, и формирования полных адресов операндов;

o выборки операндов (по сформированным адресам) и выполнения заданной операции обработки этих операндов;

o записи результатов операции в память;

o формирования адреса следующей команды программы.

Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Функционально АЛУ состоит обычно из двух регистров, сумматора и схем управления (местного устройства управления).

Сумматор - вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения поступающих на ее вход двоичных кодов; сумматор имеет разрядность двойного машинного слова.

Регистры - быстродействующие ячейки памяти различной длины: регистр 1 (Pr1) имеет разрядность двойного слова, а регистр 2 (Pr2) - разрядность слова. При выполнении операции в Pr1 помещается первое число, участвующее в операции, а по завершении операции - результат; в Pr2 - второе число, участвующее в операции (по завершении операции информация в нем не изменяется). Регистр 1 может принимать информацию с кодовых шин данных, и выдавать информацию с этих шин.

Схемы управления принимают по кодовым шинам инструкций управляющие сигналы от устройства управления и преобразуют их в сигналы для управления работой регистров и сумматора АЛУ. АЛУ выполняет арифметические операции (+, -, *, :) только над двоичной информацией с запятой, фиксированной после последнего разряда, т. е. только над целыми двоичными числами.

Выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами осуществляется или с привлечением математического сопроцессора, или по специально составленным программам.

Микропроцессорная память - память небольшой емкости, но чрезвычайно высокого быстродействия (время обращения к МПП, т. е. время, необходимое на поиск, запись или считывание информации из этой памяти, измеряется наносекундами). Она предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно в ближайшие такты работы машины участвующей в вычислениях; МПП используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Микропроцессорная память состоит из быстродействующих регистров с разрядностью не меньше машинного слова. Количество и разрядность регистров в разных микропроцессорах различны.

Регистры микропроцессора делятся на регистры общего назначения и специальные. Специальные регистры применяются для хранения различных адресов (адреса команды, например), признаков результатов выполнения операций и режимов работы ПК (регистр флагов, например) и др. Регистры общего назначения являются универсальными и могут использоваться для хранения любой информации, но некоторые из них тоже должны быть обязательно задействованы при выполнении ряда процедур.

Интерфейсная часть МП предназначена для связи и согласования МП системной шиной ПК, а также для приема, предварительного анализа команд выполняемой программы и формирования полных адресов операндов и команд.

Интерфейсная часть включает в свой состав адресные регистры МПП, узел формирования адреса, блок регистров команд, являющийся буфером команд в МП, внутреннюю интерфейсную шину МП и схемы управления шиной и портами ввода – вывода.

Порты ввода – вывода - это пункты системного интерфейса ПК, через которые МП обменивается информацией с другими устройствами. Всего портов у МП может быть 65536. Каждый порт имеет адрес - номер порта, соответствующий адресу ячейки памяти, являющейся частью устройства ввода-вывода, использующего этот порт, а не частью основной памяти компьютера. Порт устройства содержит аппаратуру сопряжения и два регистра памяти - для обмена данными и обмена управляющей информацией. Некоторые внешние устройства используют и основную память для хранения больших объемов информации, подлежащей обмену. Многие стандартные устройства (НЖМД, НГМД, клавиатура, принтер, сопроцессор и др.) имеют постоянно закрепленные за ними порты ввода – вывода.

Схема управления шиной и портами выполняет следующие функции:

§ формирование адреса порта и управляющей информации для него (переключение порта на прием или передачу и др.);

§ прием управляющей информации от порта, информации о готовности порта и его состоянии;

§ организацию сквозного канала в системном интерфейсе для данных между портом устройства ввода – вывода и МП.

Схема управления шиной и портами использует для связи с портами кодовые шины инструкций, адреса и данные системной шины: при доступе к порту МП посылает сигнал по КШИ, который оповещает все устройства ввода-вывода, что адрес на КША является адресом порта, а затем посылает и сам адрес порта. То устройство, адрес порта которого совпадает, дает ответ о готовности, после чего по КШД осуществляется обмен данными.

Последовательность работы блоков ПК

Программа хранится во внешней памяти ПК. При запуске программы в работу пользователь выдает запрос на ее исполнение в дисковую операционную систему (DOS - Disc Operation System) компьютера. Запрос пользователя - это ввод имени исполняемой программы в командную строку на экране дисплея. Главная программа DOS-Command.com обеспечивает перезапись машинной (исполняемой) программы из внешней памяти в ОЗУ, в которой находится начало (первая команда) этой программы.

После этого автоматически начинается выполнение команд программы друг за другом. Каждая программа требует для своего исполнения нескольких тактов работы машины (такты определяются периодом следования импульсов от генератора тактовых импульсов). В первом такте выполнения любой команды производятся считывание кода самой команды из ОЗУ по адресу, установленному в регистре-счетчике адреса, и запись этого кода в блок регистров команд устройства управления. Содержание второго и последующих тактов исполнения определяется результатами анализа команды, записанной в блок регистров команд, т. е. зависит уже от конкретной команды.

Пример. При выполнении ранее рассмотренной машинной команды: СЛ 0103 5102.

будут выполнены следующие действия:

§ второй такт: считывание из ячейки 0103 ОЗУ первого слагаемого и перемещение его в АЛУ;

§ третий такт: считывание из ячейки 5102 ОЗУ второго слагаемого и перемещение его в АЛУ;

§ четвертый такт: сложение в АЛУ переданных туда чисел и формирование суммы;

§ пятый такт: считывание из АЛУ суммы чисел и запись ее в ячейку 0103.

В конце последнего (в данном случае пятого) такта выполнения команды в регистр-счетчик адреса команд МПП будет добавлено число, равное количеству байтов, занимаемых кодом выполненной команды программы. Поскольку емкость одной ячейки памяти ОЗУ равна 1 байту и команды программы в ОЗУ размещены последовательно друг за другом, в регистре-счетчике адреса команд будет сформирован адрес следующей команды машинной программы, и машина приступит к ее исполнению и т. д. Команды будут выполняться последовательно одна за другой, пока не завершится вся программа. После завершения программы управление будет передано обратно в программу Command.com операционной системы.

Запоминающие устройства ПК

Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов - битов, объединенных в группы по 8 битов, которые называются байтами. (Единицы измерения памяти совпадают с единицами измерения информации). Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом. Байты могут объединяться в ячейки, которые называются также словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова - два, четыре или восемь байтов. Это не исключает использования ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово). Как правило, в одном машинном слове может быть представлено либо одно целое число, либо одна команда. Однако допускаются переменные форматы представления информации.

Таблица 1.

Разбиение памяти на слова для четырехбайтовых компьютеров.

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 и более крупные производные единицы объема памяти: Килобайт, Мегабайт, Гигабайт, а также, в последнее время, Терабайт и Петабайт.

Современные компьютеры имеют много разнообразных запоминающих устройств, которые сильно отличаются между собой по назначению, временным характеристикам, объёму хранимой информации и стоимости хранения одинакового объёма информации. Различают два основных вида памяти - внутреннюю и внешнюю. В состав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-память и специальная память.

Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory - память с произвольным доступом) - это быстрое запоминающее устройство не очень большого объёма, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами.

Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, так как, когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой - это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес. Объем ОЗУ обычно составляет 32 – 512 Мбайта, а для эффективной работы современного программного обеспечения желательно иметь не менее 256 Мбайт ОЗУ. Обычно ОЗУ исполняется из интегральных микросхем памяти DRAM (Dynamic RAM - динамическое ОЗУ). Микросхемы DRAM работают медленнее, чем другие разновидности памяти, но стоят дешевле.

Каждый информационный бит в DRAM запоминается в виде электрического заряда крохотного конденсатора, образованного в структуре полупроводникового кристалла. Из-за токов утечки такие конденсаторы быстро разряжаются, и их периодически (примерно каждые 2 миллисекунды) подзаряжают специальные устройства. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh Memory). Современные микросхемы имеют ёмкость 1 – 16 Мбит и более. Они устанавливаются в корпуса и собираются в модули памяти.

Наиболее распространены модули типа DIMM и SIMM. В модуле SIMM элементы памяти собраны на маленькой печатной плате длиной около 10 см. Ёмкость таких модулей неодинаковая - 256 Кбайт, 1, 2, 4, 8, 16, 32 и 64 Мбайта. Различные модули SIMM могут иметь разное число микросхем - девять, три или одну, и разное число контактов - 30 или 72.

Важная характеристика модулей памяти - время доступа к данным, которое обычно составляет 60 – 80 наносекунд.

В настоящее время SIMM’ы практически не применяются. На их смену пришли DIMM, а на смену DIMM приходят DDR и RIMM, но по сравнению с DIMM они имеют немного большую стоимость и соответственно повышенную скорость обмена.

Кэш (англ. cache), или сверхоперативная память - очень быстрое ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью.

Кэш-памятью управляет специальное устройство - контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. При этом возможны как "попадания", так и "промахи". В случае попадания, то есть, если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает её непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования.

Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти SRAM (Static RAM), более быстродействующих, дорогих и малоёмких, чем DRAM. Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память, так называемый кэш первого уровня размером 8 – 16 Кбайт. Кроме того, на системной плате компьютера может быть установлен кэш второго уровня ёмкостью от 64 Кбайт до 256 Кбайт и выше.

К устройствам специальной памяти относятся постоянная память (ROM), перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory), память CMOS RAM, питаемая от батарейки, видеопамять и некоторые другие виды памяти.

Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory - память только для чтения) - энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом “зашивается” в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать. Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) - энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого с дискеты.

Прежде всего, в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.

Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти - модуль BIOS. BIOS (Basic Input/Output System - базовая система ввода-вывода) - совокупность программ, предназначенных для:

§ автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера;

§ загрузки операционной системы в оперативную память.

Роль BIOS двоякая: с одной стороны, это неотъемлемый элемент аппаратуры (Hardware), а с другой стороны - важный модуль любой операционной системы (Software).

CMOS RAM - это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы. Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS (англ. Set-up - устанавливать, читается "сетап").

Для хранения графической информации 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 с обновлением видеоданных в памяти.

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения программ и данных, и целостность её содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер. В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором. В состав внешней памяти компьютера входят:

§ накопители на жёстких магнитных дисках;

§ накопители на гибких магнитных дисках;

§ накопители на компакт-дисках;

§ накопители на магнитооптических компакт-дисках;

§ накопители на магнитной ленте (стримеры) и др.

Гибкий диск, дискета (англ. floppy disk) - устройство для хранения небольших объёмов информации, представляющее собой гибкий пластиковый диск в защитной оболочке. Используется для переноса данных с одного компьютера на другой и для распространения программного обеспечения. Дискета состоит из круглой полимерной подложки, покрытой с обеих сторон магнитным окислом и помещенной в пластиковую упаковку, на внутреннюю поверхность которой нанесено очищающее покрытие. В упаковке сделаны с двух сторон радиальные прорези, через которые головки считывания/записи накопителя получают доступ к диску.

Способ записи двоичной информации на магнитной среде называется магнитным кодированием. Он заключается в том, что магнитные домены в среде выстраиваются вдоль дорожек в направлении приложенного магнитного поля своими северными и южными полюсами. Обычно устанавливается однозначное соответствие между двоичной информацией и ориентацией магнитных доменов. Информация записывается по концентрическим дорожкам (трекам), которые делятся на секторы. Количество дорожек и секторов зависит от типа и формата дискеты. Сектор хранит минимальную порцию информации, которая может быть записана на диск или считана. Ёмкость сектора постоянна и составляет 512 байтов.

На дискете можно хранить от 360 Килобайт до 2,88 Мегабайт информации. В настоящее время наибольшее распространение получили дискеты со следующими характеристиками: диаметр 3,5 дюйма (89 мм), ёмкость 1,44 Мбайт, число дорожек - 80, количество секторов на дорожках - 18.

Дискета устанавливается в накопитель на гибких магнитных дисках (англ. floppy-disk drive), автоматически в нем фиксируется, после чего механизм накопителя раскручивается до частоты вращения 360 мин –1 . В накопителе вращается сама дискета, магнитные головки остаются неподвижными. Дискета вращается только при обращении к ней. Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков.

Если гибкие диски - это средство переноса данных между компьютерами, то жесткий диск - информационный склад компьютера. Накопитель на жёстких магнитных дисках (англ. HDD - Hard Disk Drive), или винчестерский накопитель - это наиболее массовое запоминающее устройство большой ёмкости, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые пластины - платтеры, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Используется для постоянного хранения информации - программ и данных.

Рис. 1. Жесткий диск со снятой крышкой корпуса.

Как и у дискеты, рабочие поверхности платтеров разделены на кольцевые концентрические дорожки, а дорожки - на секторы. Головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками заключены в герметически закрытый корпус, называемый модулем данных. При установке модуля данных на дисковод он автоматически соединяется с системой, подкачивающей очищенный охлажденный воздух.

Поверхность платтера имеет магнитное покрытие толщиной всего лишь в 1,1 мкм, а также слой смазки для предохранения головки от повреждения при опускании и подъёме на ходу. При вращении платтера над ним образуется воздушный слой, который обеспечивает воздушную подушку для зависания головки на высоте 0,5 мкм над поверхностью диска.

Винчестерские накопители имеют очень большую ёмкость: от сотен Мегабайт до десятков Гбайт или даже сотни Гбайт. У современных моделей скорость вращения шпинделя достигает 5600 - 7200 оборотов в минуту, среднее время поиска данных - 10 мс, максимальная скорость передачи данных до 40 Мбайт/с. В отличие от дискеты, винчестерский диск вращается непрерывно. Винчестерский накопитель связан с процессором через контроллер жесткого диска. Все современные накопители снабжаются встроенным кэшем (64 Кбайт и более), который существенно повышает их производительность.

Рис. 2. Накопители на компакт-дисках.

CD-ROM состоит из прозрачной полимерной основы диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм. Одна сторона покрыта тонким алюминиевым слоем, защищенным от повреждений слоем лака. Двоичная информация представляется последовательным чередованием углублений (pits - ямки) и основного слоя (land - земля). На одном дюйме (2,54 см) по радиусу диска размещается 16 тысяч дорожек с информацией. Для сравнения - на дюйме по радиусу дискеты всего лишь 96 дорожек. Ёмкость CD до 780 Мбайт. Информация заносится на диск на заводе и не может быть изменена.

Достоинства CD-ROM:

§ При малых физических размерах CD-ROM обладают высокой информационной ёмкостью, что позволяет использовать их в справочных системах и в учебных комплексах с богатым иллюстративным материалом; один CD, имея размеры примерно дискеты, по информационному объёму равен почти 500 таким дискетам.

§ Считывание информации с CD происходит с высокой скоростью, сравнимой со скоростью работы винчестера.

§ CD просты и удобны в работе, практически не изнашиваются.

§ CD не могут быть поражены вирусами.

§ На CD-ROM невозможно случайно стереть информацию.

§ Стоимость хранения данных (в расчете на 1 Мбайт) низкая.

В отличие от магнитных дисков, компакт-диски имеют не множество кольцевых дорожек, а одну - спиральную, как у грампластинок. В связи с этим, угловая скорость вращения диска не постоянна. Она линейно уменьшается в процессе продвижения читающей магнитной головки к центру диска.

Для работы с CD ROM нужно подключить к компьютеру накопитель CD-ROM (CD-ROM Drive), в котором компакт-диски сменяются как в обычном проигрывателе. Накопители CD-ROM часто называют проигрывателями CD-ROM или приводами CD-ROM.

Участки CD, на которых записаны символы "0" и "1", отличаются коэффициентом отражения лазерного луча, посылаемого накопителем CD-ROM. Эти отличия улавливаются фотоэлементом, и общий сигнал преобразуется в соответствующую последовательность нулей и единиц. Многие накопители CD-ROM способны воспроизводить обычные аудио-CD. Это позволяет пользователю, работающему за компьютером, слушать музыку в фоновом режиме.

Есть CD-RW для записи на специальные компакт диски CD-R от 650 – 700 Mb и CD-RW для неоднократной записи емкостью от 650 – 700 Mb. Со временем на смену CD-ROM могут прийти цифровые видеодиски DVD (читается "ди-ви-ди"). Эти диски имеют тот же размер, что и обычные CD, но вмещают до 28 Гбайт данных, т. е. по объёму заменяют семь и более стандартных дисков CD-ROM. В скором времени ёмкость дисков DVD возрастет до 48 Гбайт. DVD диски бывают 1, 2 и 4-х слойные, для проигрывания DVD дисков необходим DVD-ROM.

Накопитель на магнитооптических компакт-дисках C D-MO (Compact Disk-Magneto Optical). Диски C D-MO можно многократно использовать для записи, но они не читаются на традиционных дисководах CD-ROM. Ёмкость от 128 Мбайт до 2,6 Гбайт. Записывающий накопитель CD-R (Compact Disk Recordable) способен, наряду с прочтением обычных компакт-дисков, записывать информацию на специальные оптические диски. Ёмкость 650 Мбайт. Накопитель WARM (Write And Read Many times), позволяет производить многократную запись и считывание. Накопитель WORM (Write Once, Read Many times), позволяет производить однократную запись и многократное считывание. Накопитель ZIP и JAZZ на дисках емкостью от 100 Mb до 2,2 Gb.

Стример (англ. tape streamer) - устройство для резервного копирования больших объёмов информации. В качестве носителя здесь применяются кассеты с магнитной лентой ёмкостью 1 – 2 Гбайта и больше. Стримеры позволяют записать на небольшую кассету с магнитной лентой огромное количество информации. Встроенные в стример средства аппаратного сжатия позволяют автоматически уплотнять информацию перед её записью и восстанавливать после считывания, что увеличивает объём сохраняемой информации. Недостатком стримеров является их сравнительно низкая скорость записи, поиска и считывания информации.

В последнее время всё шире используются накопители на сменных дисках, которые позволяют не только увеличивать объём хранимой информации, но и переносить информацию между компьютерами. Объём сменных дисков - от сотен Мбайт до нескольких Гигабайт.

Основные внешние устройства ПК

Клавиатура

Клавиатура служит для ввода информации в компьютер и подачи управляющих сигналов. Она содержит стандартный набор алфавитно-цифровых клавиш и некоторые дополнительные клавиши - управляющие и функциональные, клавиши управления курсором, а также малую цифровую клавиатуру. Курсор - светящийся символ на экране монитора, указывающий позицию, на которой будет отображаться следующий вводимый с клавиатуры знак. Все символы, набираемые на клавиатуре, немедленно отображаются на мониторе в позиции курсора.

Наиболее распространена сегодня 101-клавишная клавиатура с раскладкой клавиш QWERTY (читается “кверти”), названная так по клавишам, расположенным в верхнем левом ряду алфавитно-цифровой части клавиатуры. Такая клавиатура имеет 12 функциональных клавиш, расположенных вдоль верхнего края. Нажатие функциональной клавиши приводит к посылке в компьютер не одного символа, а целой совокупности символов. Функциональные клавиши могут программироваться пользователем. Например, во многих программах для получения помощи (подсказки) задействована клавиша F1, а для выхода из программы - клавиша F10.

Управляющие клавиши имеют следующее 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 клавиши самостоятельного значения не имеют, но при нажатии совместно с другими управляющими клавишами изменяют их действие;

§ Shift (регистр) - обеспечивает смену регистра клавиш (верхнего на нижний и наоборот);

§ Insert (вставлять) - переключает режимы вставки (новые символы вводятся посреди уже набранных, раздвигая их) и замены (старые символы замещаются новыми);

§ Delete (удалять) - удаляет символ с позиции курсора;

§ Back Space или - удаляет символ перед курсором;

§ Home и End - обеспечивают перемещение курсора в первую и последнюю позицию строки, соответственно;

§ Page Up и Page Down - обеспечивают перемещение по тексту на одну страницу (один экран) назад и вперед, соответственно;

§ Tab - клавиша табуляции обеспечивает перемещение курсора вправо сразу на несколько позиций до очередной позиции табуляции;

§ Caps Lock - фиксирует верхний регистр, обеспечивает ввод прописных букв вместо строчных;

§ Print Screen - обеспечивает печать информации, видимой в текущий момент на экране.

Длинная нижняя клавиша без названия - предназначена для ввода пробелов.

Малая цифровая клавиатура используется в двух режимах - ввода чисел и управления курсором. Переключение этих режимов осуществляется клавишей Num Lock.

Клавиатура содержит встроенный микроконтроллер (местное устройство управления), который выполняет следующие функции:

§ последовательно опрашивает клавиши, считывая введенный сигнал и вырабатывая двоичный скан-код клавиши;

§ управляет световыми индикаторами клавиатуры;

§ проводит внутреннюю диагностику неисправностей;

§ осуществляет взаимодействие с центральным процессором через порт ввода-вывода клавиатуры.

Клавиатура имеет встроенный буфер - промежуточную память малого размера, куда помещаются введённые символы. В случае переполнения буфера нажатие клавиши будет сопровождаться звуковым сигналом - это означает, что символ не введён (отвергнут). Работу клавиатуры поддерживают специальные программы, "зашитые" в BIOS , а также драйвер клавиатуры , который обеспечивает возможность ввода русских букв, управление скоростью работы клавиатуры и др.

Видеосистема компьютера

Видеосистема компьютера состоит из трех компонент:

§ монитор (называемый также дисплеем);

§ видеоадаптер;

§ программное обеспечение (драйверы видеосистемы).

Видеоадаптер посылает в монитор сигналы управления яркостью лучей и синхросигналы строчной и кадровой развёрток. Монитор преобразует эти сигналы в зрительные образы. А программные средства обрабатывают видеоизображения, выполняют кодирование и декодирование сигналов, координатные преобразования, сжатие изображений и др.

Монитор - устройство визуального отображения информации (в виде текста, таблиц, рисунков, чертежей и др.). Подавляющее большинство мониторов сконструированы на базе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), и принцип их работы аналогичен принципу работы телевизора. Мониторы бывают алфавитно-цифровые и графические, монохромные и цветного изображения. Современные компьютеры комплектуются, как правило, цветными графическими мониторами.

Основной элемент дисплея - электронно-лучевая трубка. Её передняя, обращенная к зрителю часть, с внутренней стороны покрыта люминофором - специальным веществом, способным излучать свет при попадании на него быстрых электронов. Люминофор наносится в виде наборов точек трёх основных цветов - красного, зелёного и синего. Эти цвета называют основными, потому что их сочетаниями (в различных пропорциях) можно представить любой цвет спектра. Наборы точек люминофора располагаются по треугольным триадам. Триада образует пиксел - точку, из которых формируется изображение (англ. pixel - picture element, элемент картинки). Расстояние между центрами пикселов называется точечным шагом монитора. Это расстояние существенно влияет на чёткость изображения. Чем меньше шаг, тем выше чёткость. Обычно в цветных мониторах шаг составляет 0,24 мм. При таком шаге глаз человека воспринимает точки триады как одну точку "сложного" цвета.

На противоположной стороне трубки расположены три (по количеству основных цветов) электронные пушки. Все три пушки "нацелены" на один и тот же пиксел, но каждая из них излучает поток электронов в сторону "своей" точки люминофора. Чтобы электроны беспрепятственно достигали экрана, из трубки откачивается воздух, а между пушками и экраном создаётся высокое электрическое напряжение, ускоряющее электроны.

Перед экраном на пути электронов ставится маска - тонкая металлическая пластина с большим количеством отверстий, расположенных напротив точек люминофора. Маска обеспечивает попадание электронных лучей только в точки люминофора соответствующего цвета. Величиной электронного тока пушек и, следовательно, яркостью свечения пикселов, управляет сигнал, поступающий с видеоадаптера.

Рис. 3. Ход электронного пучка по экрану.

На ту часть колбы, где расположены электронные пушки, надевается отклоняющая система монитора, которая заставляет электронный пучок пробегать поочерёдно все пикселы строчку за строчкой от верхней до нижней, затем возвращаться в начало верхней строки и т. д.

Количество отображённых строк в секунду называется строчной частотой развертки. А частота, с которой меняются кадры изображения, называется кадровой частотой развёртки. Последняя не должна быть ниже 60 Гц, иначе изображение будет мерцать.

Наряду с традиционными ЭЛТ-мониторами все шире используются плоские жидкокристаллические (ЖК) мониторы. Жидкие кристаллы - это особое состояние некоторых органических веществ, в котором они обладают текучестью и свойством образовывать пространственные структуры, подобные кристаллическим. Жидкие кристаллы могут изменять свою структуру и светооптические свойства под действием электрического напряжения. Меняя с помощью электрического поля ориентацию групп кристаллов и используя введённые в жидкокристаллический раствор вещества, способные излучать свет под воздействием электрического поля, можно создать высококачественные изображения, передающие более 15 миллионов цветовых оттенков.

Большинство ЖК-мониторов использует тонкую плёнку из жидких кристаллов, помещённую между двумя стеклянными пластинами. Заряды передаются через так называемую пассивную матрицу - сетку невидимых нитей, горизонтальных и вертикальных, создавая в месте пересечения нитей точку изображения (несколько размытого из-за того, что заряды проникают в соседние области жидкости).

Активные матрицы вместо нитей используют прозрачный экран из транзисторов и обеспечивают яркое, практически не имеющее искажений изображение. Панель при этом разделена на 308160 (642х480) независимых ячеек, каждая из которых состоит из четырех частей (для трёх основных цветов и одна резервная). Таким образом, экран имеет почти 1,25 млн. точек, каждая из которых управляется собственным транзистором.

По компактности такие мониторы не знают себе равных. Они занимают в 2 – 3 раза меньше места, чем мониторы с ЭЛТ и во столько же раз легче; потребляют гораздо меньше электроэнергии и не излучают электромагнитных волн, воздействующих на здоровье людей.

Разновидность монитора - сенсорный экран. Здесь общение с компьютером осуществляется путём прикосновения пальцем к определённому месту чувствительного экрана. Этим выбирается необходимый режим из меню, показанного на экране монитора. Меню - это выведенный на экран монитора список различных вариантов работы компьютера, по которому можно сделать конкретный выбор. Сенсорными экранами оборудуют рабочие места операторов и диспетчеров, их используют в информационно-справочных системах и т. д.

Видеоадаптер - это электронная плата, которая обрабатывает видеоданные (текст и графику) и управляет работой дисплея. Содержит видеопамять, регистры ввода вывода и модуль BIOS. Посылает в дисплей сигналы управления яркостью лучей и сигналы развертки изображения. Наиболее распространенный видеоадаптер на сегодняшний день - адаптер SVGA (Super Video Graphics Array - супервидеографический массив), который может отображать на экране дисплея 1280х1024 пикселей при 256 цветах и 1024х768 пикселей при 16 – 32 миллионах цветов.

С увеличением числа приложений, использующих сложную графику и видео, наряду с традиционными видеоадаптерами широко используются разнообразные устройства компьютерной обработки видеосигналов:

§ Графические акселераторы (ускорители) - специализированные графические сопроцессоры, увеличивающие эффективность видеосистемы. Их применение освобождает центральный процессор от большого объёма операций с видеоданными, так как акселераторы самостоятельно вычисляют, какие пиксели отображать на экране и каковы их цвета.

§ Фрейм-грабберы, которые позволяют отображать на экране компьютера видеосигнал от видеомагнитофона, камеры, лазерного проигрывателя и т. п., с тем, чтобы захватить нужный кадр в память и впоследствии сохранить его в виде файла.

§ TV-тюнеры - видеоплаты, превращающие компьютер в телевизор. TV-тюнер позволяет выбрать любую нужную телевизионную программу и отображать ее на экране в масштабируемом окне. Таким образом можно следить за ходом передачи, не прекращая работу.

Аудио адаптер (Sound Blaster или звуковая плата) - это специальная электронная плата, которая позволяет записывать звук, воспроизводить его и создавать программными средствами с помощью микрофона, наушников, динамиков, встроенного синтезатора и другого оборудования. Аудио адаптер содержит в себе 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 в аналоговый сигнал, который затем воспроизводится с помощью акустической системы, синтезатора звука или наушников.

Профессиональные звуковые платы позволяют выполнять сложную обработку звука, обеспечивают стереозвучание, имеют собственное ПЗУ с хранящимися в нём сотнями тембров звучаний различных музыкальных инструментов.

Звуковые файлы обычно имеют очень большие размеры. Так, трёхминутный звуковой файл со стереозвучанием занимает примерно 30 Мбайт памяти. Поэтому платы Sound Blaster, помимо своих основных функций, обеспечивают автоматическое сжатие файлов.

Область применения звуковых плат - компьютерные игры, обучающие программные системы, рекламные презентации, "голосовая почта" (voice mail) между компьютерами, озвучивание различных процессов, происходящих в компьютерном оборудовании, таких, например, как отсутствие бумаги в принтере и т. п.

Модем

Модем - устройство для передачи 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 - непрерывных сигналов звуковой частоты. Модем обеспечивает преобразование цифровых сигналов компьютера в переменный ток частоты звукового диапазона - этот процесс называется модуляцией, а также обратное преобразование, которое называется демодуляцией. Отсюда название устройства: модем - модулятор/демодулятор.

Для осуществления связи один модем вызывает другой по номеру телефона, а тот отвечает на вызов. Затем модемы посылают друг другу сигналы, согласуя подходящий им обоим режим связи. После этого передающий модем начинает посылать модулированные данные с согласованной скоростью (количеством бит в секунду) и форматом. Модем на другом конце преобразует полученную информацию в цифровой вид и передает её своему компьютеру. Закончив сеанс связи, модем отключается от линии.

Управление модемом осуществляется с помощью специального коммутационного программного обеспечения. Модемы бывают внешние, выполненные в виде отдельного устройства, и внутренние, представляющие собой электронную плату, устанавливаемую внутри компьютера. Почти все модемы поддерживают и функции факсов.

Факс - это устройство факсимильной передачи изображения по телефонной сети. Название "факс" произошло от слова "факсимиле" (лат. fac simile - сделай подобное), означающее точное воспроизведение графического оригинала (подписи, документа и т. д.) средствами печати. Модем, который может передавать и получать данные как факс, называется факс-модемом.

Манипуляторы

Манипуляторы (мышь, джойстик и др.) - это специальные устройства, которые используются для управления курсором. Мышь имеет вид небольшой коробки, полностью умещающейся на ладони. Мышь связана с компьютером кабелем через специальный блок - адаптер, и её движения преобразуются в соответствующие перемещения курсора по экрану дисплея. В верхней части устройства расположены управляющие кнопки (обычно их три), позволяющие задавать начало и конец движения, осуществлять выбор меню и т. п.

Джойстик - обычно это стержень-ручка, отклонение которого от вертикального положения приводит к передвижению курсора в соответствующем направлении по экрану монитора. Часто применяется в компьютерных играх. В некоторых моделях в джойстик монтируется датчик давления. В этом случае чем сильнее пользователь нажимает на ручку, тем быстрее движется курсор по экрану дисплея.

Трекбол - небольшая коробка с шариком, встроенным в верхнюю часть корпуса. Пользователь рукой вращает шарик и перемещает, соответственно, курсор. В отличие от мыши, трекбол не требует свободного пространства около компьютера, его можно встроить в корпус машины.

Дигитайзер - устройство для преобразования готовых изображений (чертежей, карт) в цифровую форму. Представляет собой плоскую панель - планшет, располагаемую на столе, и специальный инструмент - перо, с помощью которого указывается позиция на планшете. При перемещении пера по планшету фиксируются его координаты в близко расположенных точках, которые затем преобразуются в компьютере в требуемые единицы измерения.

Принтеры

Принтеры (печатающие устройства) - это устройства вывода данных из ЭВМ, преобразующие информационные ASCII-коды в соответствующие им графические символы (буквы, цифры, знаки и т. п.) и фиксирующие эти символы на бумаге. Принтеры являются наиболее развитой группой ВУ ПК, насчитывающей до 1000 различных модификаций. Принтеры разнятся между собой по различным признакам:

§ цветность (черно-белые и цветные);

§ способ формирования символов (знакопечатающие и знакосинтезирующие);

§ принцип действия (матричные, термические, струйные, лазерные);

§ способы печати (ударные, безударные) и формирования строк (последовательные, параллельные);

§ ширина каретки (с широкой (375 – 450 мм) и узкой (250 мм) кареткой);

§ длина печатной строки (80 и 132 – 136 символов);

§ набор символов (вплоть до полного набора символов ASCII);

§ скорость печати;

§ разрешающая способность, наиболее употребительной единицей измерения является dpi (dots per inch) - количество точек на дюйм.

Внутри ряда групп можно выделить несколько разновидностей принтеров. Например, широко применяемые в ПК матричные знакосинтезирующие принтеры по принципу действия могут быть: ударными, термографическими, электрографическими, электростатическими, магнитографическими и др. Среди ударных принтеров часто используются литерные, шаровидные, лепестковые (типа "ромашка"), игольчатые (матричные) и др.

Печать у принтеров может быть посимвольная, построчная, постраничная. Скорость печати варьируется от 10 – 300 зн./с (ударные принтеры) до 500 – 1000 зн./с и даже до нескольких десятков (до 20) страниц в минуту (безударные лазерные принтеры); разрешающая способность - от 3 – 5 точек на миллиметр до 30 – 40 точек на миллиметр (лазерные принтеры).

Многие принтеры позволяют реализовать эффективный вывод графической информации (с помощью символов псевдографики); сервисные режимы печати; плотная печать, печать с двойной шириной, с подчеркиванием, с верхними и нижними индексами, выделенная печать (каждый символ печатается дважды), печать за два прохода (второй раз символ печатается с незначительным сдвигом) и многоцветная (до 100 различных цветов и оттенков) печать.

В матричных принтерах изображение формируется из точек. Матричные принтеры могут работать в двух режимах - текстовом и графическом. В текстовом режиме на принтер посылаются коды символов, которые следует распечатать, причем контуры символов выбираются из знакогенератора принтера. В графическом режиме на принтер пересылаются коды, определяющие последовательность и местоположение точек изображения.

В игольчатых (ударных) матричных принтерах печать точек осуществляется тонкими иглами, ударяющими бумагу через красящую ленту. Каждая игла управляется собственным электромагнитом. Печатающий узел перемещается в горизонтальном направлении, и знаки в строке печатаются последовательно. Многие принтеры выполняют печать как при прямом, так и при обратном ходе. Количество иголок в печатающей головке определяет качество печати. Недорогие принтеры имеют 9 игл. Матрица символов в таких принтерах имеет размерность 7х9 или 9х9 точек. Более совершенные матричные принтеры имеют 18 игл и даже 24.

Качество печати матричных принтеров определяется также возможностью вывода точек в процессе печати с частичным перекрытием за несколько проходов печатающей головки. Для текстовой печати в общем случае имеются следующие режимы, характеризующиеся различным качеством печати:

§ режим черновой печати (Draft);

§ режим печати, близкий к типографскому (NLQ - Near-Letter-Quality);

§ режим с типографским качеством печати (LQ - Letter-Quality);

§ сверхкачественный режим (SLQ - Super Letter-Qublity).

Примечание. Режимы LQ н SLQ поддерживаются только струйными и лазерными принтерами.

В принтерах с различным числом иголок эти режимы реализуются по-разному. В 9-игольчатых принтерах печать в режиме Draft выполняется за один проход печатающей головки по строке. Это самый быстрый режим печати, но зато имеет самое низкое качество. Режим NLQ реализуются за два прохода: после первого прохода головки бумага протягивается на расстояние, соответствующее половинному размеру точки; затем совершается второй проход с частичным перекрытием точек. При этом скорость печати уменьшается вдвое.

Матричные принтеры, как правило, поддерживают несколько шрифтов и их разновидностей, среди которых получили 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) и пропорциональный шрифт (ширина поля, отводимого под символ, зависит от ширины символа).

Переключение режимов работы матричных принтеров и смена шрифтов могут осуществляться как программно, так и аппаратно путем нажатия имеющихся на устройствах клавиш и/или соответствующей установки переключателей.

Быстродействие матричных принтеров при печати текста в режиме Draft находится в пределах 100 – 300 символов/с, что соответствует примерно двум страницам в минуту (с учетом смены листов).

В лазерных принтерах применяется электрографический способ формирования изображений, используемый в одноименных копировальных аппаратах. Лазер служит для создания сверхтонкого светового луча, вычерчивающего на поверхности предварительно заряженного светочувствительного барабана контуры невидимого точечного электронного изображения - электрический заряд стекает с засвеченных лучом лазера точек на поверхности барабана. После проявления электронного изображения порошком красителя (тонера), налипающего на разряженные участки, выполняется печать - перенос тонера с барабана на бумагу и закрепление изображения на бумаге разогревом тонера до его расплавления.

Лазерные принтеры обеспечивают наиболее качественную печать с разрешением до 50 точек/мм (1200 dpi) и скорость печати до 1000 зн./с. Широко используются цветные лазерные принтеры. Например, лазерный принтер фирмы Tektronix (США) Phaser 550 имеет разрешение и по горизонтали, и по вертикал" 1200 dpi: скорость цветной печати - 5 страниц формата А4 в минуту, скорость монохромной печати - 14 стр./мин

К МП принтеры могут подключиться и через параллельный, и через последовательный порт. Параллельные порты используются для подключения параллельно работающих (воспринимающих информацию сразу по байту) принтеров. Например, адаптеры типа Centronics позволяют подключать одновременно до трех принтеров. Последовательные порты (2 шт.) служат для подключения последовательно работающих (воспринимающих информацию последовательно по 1 биту) принтеров, например адаптеры типа R3- 232C (стык С2). Последовательное печатающее устройство вовсе не означает, что оно медленнодействующее. Большинство принтеров используют параллельные порты.

Многие быстродействующие принтеры имеют собственную буферную память емкостью до нескольких сотен килобайт. В заключение следует отметить, что самые популярные принтеры ПК (их доля составляет не менее 30 %) выпускает японская фирма Seiko Epson. Язык управления этими принтерами (ESC/P) стал фактическим стандартом. Широко используются также принтеры фирм Star Micronics, Hewlett Packard, Xerox, Man-nesmann, Citizen, Panasonic и др.

В печатающей головке струйных принтеров вместо иголок имеются тонкие трубочки - сопла, через которые на бумагу выбрасываются мельчайшие капельки красителя (чернил). Это безударные печатающие устройства. Матрица печатающей головки обычно содержит от 12 до 64 сопел. В последние годы в их совершенствовании достигнут существенный прогресс: созданы струйные принтеры, обеспечивающие разрешающую способность до 20 точек/мм и скорость печати до 500 зн./с при отличном качестве печати, приближающемся к качеству лазерной печати. Имеются цветные струйные принтеры.

Кроме матричных игольчатых принтеров есть еще группа матричных термопринтеров, оснащенных вместо игольчатой печатающей головки головкой с термоматрицей и использующих при печати специальную термобумагу или термокопирку (что, безусловно, является их существенным недостатком).

Сканеры

Сканер - это устройство ввода в ЭВМ информации непосредственно с бумажного документа. Можно вводить тексты, схемы, рисунки, графики, фотографии и другую графическую информацию. Сканеры являются важнейшим звеном электронных систем обработки документов и необходимым элементом любого "электронного стола". Записывая результаты своей деятельности в файлы и вводя информацию с бумажных документов в ПК с помощью сканера с системой автоматического распознавания образов, можно сделать реальный шаг к созданию систем безбумажного делопроизводства.

Сканеры весьма разнообразны, и их можно классифицировать по целому ряду признаков. Сканеры бывают черно-белые и цветные. Черно-белые сканеры могут считывать штриховые изображения и полутоновые. Штриховые изображения не передают полутонов или, иначе, уровней серого. Полутоновые позволяют распознать и передать 16, 64 или 256 уровней серого. Цветные сканеры работают и с черно-белыми, и с цветными оригиналами. В первом случае они могут использоваться для считывания и штриховых, и полутоновых изображений.

В цветных сканерах используется цветовая модель RGB: сканируемое изображение освещается через вращающийся RGB-светофильтр или от последовательно зажигаемых трех цветных ламп; сигнал, соответствующий каждому основному цвету, обрабатывается отдельно. Число передаваемых цветов колеблется от 256 до 65536 (стандарт High Color) и даже до 16,7 млн. (стандарт True Color).

Разрешающая способность сканеров составляет от 75 до 1600 dpi (dot per inch). Конструктивно сканеры бывают ручные и настольные. Настольные, в свою очередь, делятся на планшетные, роликовые и проекционные. Ручные сканеры конструктивно самые простые: они вручную перемещаются по изображению. С их помощью за один проход вводится лишь небольшое количество строчек изображения (их захват обычно не превышает 105 мм). У ручных сканеров имеется индикатор, предупреждающий оператора о превышении допустимой скорости сканирования. Эти сканеры имеют малые габариты и низкую стоимость. Скорость сканирования 5-50 мм/с (зависит от разрешающей способности).

Файл, создаваемый сканером в памяти машины, называется битовой картой. Существуют два формата представления графической информации в файлах компьютера: растровый формат и векторный. В растровом формате графическое изображение запоминается в файле в виде мозаичного набора множества точек (нулей и единиц), соответствующих пикселям отображения этого изображения на экране дисплея. Редактировать этот файл средствами стандартных текстовых и графических процессоров не представляется возможным, ибо эти процессоры не работают с мозаичным представлением информации. В текстовом формате информация идентифицируется характеристиками шрифтов, кодами символов, абзацев и т. п. Стандартные текстовые процессоры предназначены для работы именно с таким представлением информации.

Следует также иметь в виду, что битовая карта требует большого объема памяти для своего хранения. Так, битовая карта с 1 листа документа формата А4 (204х297 мм) с разрешением 10 точек/мм и без передачи полутонов (штриховое изображение) занимает около 1 Мбайта памяти, она же при воспроизведении 16 оттенков серого - 4 Мбайта, при воспроизведении цветного качественного изображения (стандарт Kigh Color - 65536 цветов) - 16 Мбайт. Иными словами, при использовании стандарта True Color и разрешающей способности 50 точек/мм для хранения даже одной битовой карты может не хватить емкости НЖМД. Сокращение объема памяти, необходимой для хранения битовых карт, осуществляется различными способами сжатия информации, например TIFF (Tag Image File Format), CT1FF (Compressed TIFF), JPEG, PCX, GIF (Graphics Interchange Format - формат графического обмена) и др. (файлы с битовыми картами имеют соответствующие указанным аббревиатурам расширения).

Наиболее предпочтительным является использование сканера совместно с программами систем распознавания образов, например типа OCR (Optical Character Recognition). Система OCR распознает считанные сканером с документа битовые (мозаичные) контуры символов (букв и цифр) и кодирует их ASCII-кодами, переводя в удобный для текстовых редакторов векторный формат.

Некоторые системы OCR предварительно нужно обучить распознаванию - ввести в память сканера шаблоны и прототипы распознаваемых символов и соответствующие им коды. Сложности возникают 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 их памяти уже заранее помещены распознаваемые символы. Так, одна из лучших OCR - программный пакет TIGER 2.0 содержит прототипы 30 различных гарнитур, а для распознавания английских и русских букв использует встроенные электронные словари.

В последние годы появились интеллектуальные программы распознавания образов типа Omnifont, которые опознают символы не по точкам, а по характерной для каждого из них индивидуальной топологии. При наличии системы распознавания образов текст записывается в память ПК уже не в виде битовой карты, а в виде кодов, и его можно редактировать обычными текстовыми редакторами.

Сканер подключается к параллельному порту ПК. Для работы со сканером ПК должен иметь специальный драйвер, желательно драйвер, соответствующий стандарту TWAIN. В последнем случае возможна работа с большим числом TWAIN-совместимых сканеров и обработка файлов поддерживающими стандарт TWAIN программами, например распространенными графическими редакторами Corel Draw, Max Mate, Picture Publisher, Adobe PhotoShop, Photo Finish. Распознавание текста FineReader. Большинство драйверов ориентированы на работу с локальным компьютерным интерфейсом SCSI.

Библиографический список

1. Рудометов Е., Рудометов В. Архитектура ПК, комплектующие, мультимедиа. - СПб, 2000.
2. Гейн А.г., Сенокосов А. И. Информатика. - М.: Дрофа, 1998.
3. Кушниренко А.г. и др. Информатика. - М.: Дрофа, 1998.
4. Кузнецов А. А. и др. Основы информатики. - М.: Дрофа, 1998.
5. Лебедевг. В., Кушниренко А.г. 12 лекций по преподаванию курса информатики. - М.: Дрофа, 1998.