Устройство « Контролер « Порт « Шина « ЦПУ

Копирование дискет

Вывод информации на печатающее устройство

PRINT - команда печати, формат команды:

[путь]PRINT [путьFILENAME]......[путьFILENAME10/Т/С/P/D:/ B:/Q:/U:/M:/S:], где [путьFILENAME1...[путьFILENAME10]- имя выводимых на печать файлов (до 10)

/Т - прекращения режима печати. Очередь распечатываемых файлов ликвидируется полностью. Текущая печать прерывается, выдается сообщение о завершении печати и происходит сдвиг бумаги к новой странице;

/С - исключение из очереди файла, стоящего перед параметром, и всех последующих, пока не встретится параметр /Р;

/Р - добавление в существующую очередь файла, стоящего перед параметром, и всех последующих файлов, пока не встретится параметр /С

/D: имя - определяется устройство печати в качестве имени используется зарезервированное слово, определяющее принтер или коммуникационное устройство. При первом выполнении команды и пропущенном параметре появляется запрос для определения печатающего устройства;

/В: число- величина буферной памяти <16348 (512 байт)

/Q: число - максимальное число файлов в очереди 4<=число<=32 (по умолчанию 10);

/U: число - количество тактовых импульсов ожидания готовности печатающего устройства 1<число<255 (по умолчанию 1);

/М: число - число тактовых импульсов, в течение которых команда ожидает распечатку одного символа 2<число<255 (2);

/S: число - время, используемое планировщиком MS-DOS для команды PRINT 1<число< 255.

Группа параметров команды PRINT /D:/B:/Q:/U:/M:/S: определяется только во время первого выполнения команды. Когда параметр не указан, то его значение принимается по умолчанию, или система задает дополнительные вопросы для уточнения неизвестных параметров. Если в последующих вызовах команды PRINT будет указан какой-либо из этих параметров, то появится сообщение об ошибке.

Команда копирует содержимое одной дискеты на другую по дорожкам. DISKCOPY - копирование дискет, формат команды:

DISKCOPY [d1:] [d2:][/1], где d1 - имя дисковода, на который устанавливается дискета-источник; d2 - имя дисковода, на который будет копироваться информация;

/1 - копируется только одна сторона дискеты. Если указаны два одинаковых параметра или не указано ни одного, то копирование производится с заменой дискет на указанном/текущем дисководе.

Программа выдает в этом случае пользователю подсказки о необходимости установки на дисковод первой и второй дискет. Если выходная дискета не форматирована, то происходит автоматическое форматирование входной дискет в соответствии с параметрами входной дискеты.

Контр о ллер (другие названия – адаптер, плата, карта) – это специальный электронный блок, непосредственно управляющий работой устройства. Для установки контроллеров на материнской плате имеются специальные разъёмы – слоты.

Программное управление работой периферийного устройства производится через специализированную программу – драйвер, которая является компонентом операционной системы. Так как существует огромное количество разнообразных устройств, которые могут быть установлены в компьютер, то обычно к каждому устройству поставляется драйвер, взаимодействующий непосредственно с этим устройством.

Связь контроллеров с шинами осуществляется через коммуникационные п о рты. Порт – обычно соединение (физическое или логическое), через которое принимаются и передаются данные. Наиболее часто портом называют Аппаратный порт и Порт ввода-вывода.

Аппаратный порт – это аппаратура, дающая возможность подключения оборудования определённого типа. Сюда относятся:

- Последовательный порт или COM – порт (com munications port). Служит для подключения к компьютеру достаточно «медленных» устройств. Информация через него передаётся по одному биту, бит за битом (в отличие от параллельного порта). Сейчас почти не используется.

- Параллельный порт или LPT–порт (Line Print Terminal). Обеспечивает параллельный интерфейс. В основном использовался для подключения к компьютеру принтера, сканера и других внешних устройств (часто использовался для подключения внешних устройств хранения данных), однако применялся и для других целей (например, для связи между двумя компьютерами, подключения каких-либо механизмов телесигнализации и телеуправления и т.п.).

- Порт PS/2. Служил для подключения клавиатуры и мыши.

- Игровой порт. Служит для подключения джойстика, руля и др. игровых устройств.

- USB–порт (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) Универсальный последовательный порт для подключения самых разнообразных устройств, который сейчас призван заменить все остальные.

Порт ввода-вывода – используется в микропроцессорах (например, Intel) и микроконтроллерах при обмене данными с аппаратурой. Порт ввода-вывода сопоставляется с тем или иным устройством и позволяет программам обращаться к нему для обмена данными.

Чтобы устройства, входящие в состав компьютера, могли взаимодействовать с центральным процессором, в IBM–совместимых компьютерах предусмотрена система прерываний (interrupts). Система прерываний позволяет процессору приостановить текущее действие и переключиться на другие в ответ на поступивший запрос, например, на нажатие клавиши на клавиатуре. Ведь с одной стороны желательно, чтобы процессор был занят возложенной на него работой, а с другой — необходима его мгновенная реакция на любой требующий внимания запрос устройства. Прерывания обеспечивают немедленную реакцию системы на «желание» устройства выполнить свою функцию.

В целом архитектура компьютера строится в соответствии с семью классическими принципами.

1. Компьютер состоит из процессора, памяти и внешних устройств.

2. Единственным источником активности (не считая стартового и аварийного вмешательства человека) является процессор, который, в свою очередь, управляется программой, находящейся в памяти компьютера.

3. Память состоит из ячеек, каждая из которых имеет свой адрес. Каждая ячейка хранит команду программы или некоторую единицу обрабатываемой информации, причём и команда и информация выглядят одинаково (машинное слово).

4. В любой момент процессор выполняет одну команду программы, адрес которой находится в специальном регистре процессора — счётчике команд (регистры – специальные ячейки процессора, предназначенные для обработки данных).

5. Обработка информации происходит только в регистрах процессора. Информацию в процессор можно ввести из любой ячейки памяти или внешнего устройства и, наоборот, можно направить из процессора в любую ячейку или на внешнее устройство.

6. В каждой команде программы зашифрованы следующие предписания:

- а) из каких ячеек памяти взять обрабатываемую информацию;

- б) какие операции совершить со взятой информацией;

- в) в какие ячейки памяти направить полученную информацию;

- г) как изменить содержимое счётчика команд, чтобы знать, откуда взять для выполнения следующую команду.

7. Процессор исполняет программу команда за командой в соответствии с изменением содержимого счётчика команд в памяти, пока не получит команду остановиться.

В настоящее время активно используется принцип открытой архитектуры компьютера, который был заложен ещё при разработке IBM PC. В IBM PC была предусмотрена возможность усовершенствования отдельных компонентов компьютера и использования новых устройств. Фирма IBM обеспечила возможность сборки компьютера из независимо изготовленных устройств. Этот принцип, при котором методы сопряжения различных устройств с IBM PC были стандартизованы, и был назван принципом открытой архитектуры.

Реализация этого принципа проста. На системной (или материнской) плате компьютера размещают только те блоки, которые выполняют обработку информации. Схемы, управляющие всеми другими устройствами компьютера — монитором, дисками и т.д., реализованы на отдельных платах, которые вставляются в стандартные разъёмы (слоты) на системной плате.

При таком подходе фирмы IBM к разработке компьютеров другие фирмы получили возможность разрабатывать различные дополнительные устройства, а пользователи — самостоятельно модернизировать и расширять возможности компьютеров по своему усмотрению. Сейчас многие фирмы производят IBM–совместимые компьютеры и комплектующие к ним.

______________________________________________________________________________________________________

02 СОСТАВ КОМПЬЮТЕРА

Минимальная конфигурация компьютера включает в себя системный блок, монитор, клавиатуру и мышь. Но, как правило, в архитектуру зачастую включаются дополнительные устройства, существенно расширяющие его функциональные возможности. Ниже показана упрощённая схема компоновки компьютера.

______________________________________________________________________________________________________

03 ШИННЫЙ ИНТЕРФЕЙС

В архитектуре компьютера шина – это подсистема передачи данных между функциональными блоками. Обычно шина управляется драйвером. К шине можно подключить несколько устройств по одному набору проводников. Каждая шина определяет свой набор соединений для физического подключения устройств.

ВНУТРЕННЯЯ ШИНА (Local Bus) используется для подключения внутренних устройств, таких как видеоадаптеры, звуковые платы и т.п.

ФРОНТАЛЬНАЯ ШИНА (Front Side Bus – FSB) – интерфейс, соединяющий центральный процессор ПК с чипсетом материнской платы и оперативной памятью. Частота фронтальной шины напрямую влияет на скорость операций с нею. Пропускная способность шины при частоте 100 МГц составляет порядка 800 Мбайт/с. Рабочие частоты FSB – 133 МГц и более.

ШИНА ПАМЯТИ – это шина, по которой память обменивается данными с графическим процессором. За один раз по этой шине может быть передано 128 или 256 бит. Для видеокарт нижней и средней категории достаточно 128 бит. Для более производительных видеокарт (nVidia GeForce FX5900 и выше, ATi Radeon 9700 и выше) ширина шины памяти должна составлять 256 бит.

ШИНА SMBus (System Management Bus) – двухпроводной интерфейс для обмена данными между микросхемами различных системных компонентов компьютера, а также связи их с самим компьютером. Основное назначение интерфейса – управление подсистемой питания и сопутствующими подсистемами.

ШИНА I2C (рус. ай–ту–си/и–два–цэ) – последовательная шина данных для связи интегральных схем, разработанная фирмой Philips как простая шина внутренней связи для управляющей электроники. Название представляет собой аббревиатуру слов Inter–Integrated Circuit. Используется для соединения низкоскоростных периферийных компонентов с материнской платой, встраиваемыми системами и мобильными телефонами.

ШИНА ISA (Industry Standard Architecture) – основная шина на античных компьютерах типа PC AT. Предельная пропускная способность – 5.55 Мб/с. Конструктив – 62–контактный разъём с прилегающим к нему 36–контактным разъемом расширения. Разрядность 8 или 16. Устаревшая шина.

ШИНА LPC (Low Pin Count) – шина для подключения устройств, не требующих большой пропускной способности к ЦПУ. Обычно контроллер шины LPC расположен в Южном мосте на материнской плате. Введена фирмой Intel в 1998 для замены шины ISA, остававшейся стандартом до 1997. Хотя LPC физически сильно отличается от ISA, программная модель периферийных контроллеров, подключаемых через LPC, осталась прежней. Это позволило без доработок использовать на компьютерах с LPC ПО, разработанное для управления контроллерами, которые подключались к шине ISA. Основное преимущество шины LPC: для работы требуется лишь 7 сигналов, что позволяет отказаться от разводки от 30 до 72 проводников, которые пришлось бы развести при использовании шины ISA.

ШИНА ГРАФИЧЕСКОГО КОНТРОЛЛЕРА – интерфейс для подключения видеокарты к отдельной магистрали AGP (Accelerated Graphic Port), имеющей выход непосредственно на системную память. В системной памяти размещаются преимущественно параметры трёхмерных объектов (текстуры, альфа-канал, z–буфер), требующие быстрого доступа со стороны как процессора, так и видеоадаптера. Интерфейс выполнен в виде отдельного разъема, в который устанавливается AGP-видеоадаптер. Разработан на базе PCI фирмой Intel. Пропускная способность шины – 500 Мб/с.

ШИНА AMR (Audio/Modem Riser Card) – единый интерфейс для работы с аналоговым звуковым сигналом, изобретенный Intel. Он может быть встроен в чипсет, либо выполнен в виде отдельного контроллера, в котором располагаются звуковой кодек или модемный кодек или оба вместе.

ШИНА PCI (Peripheral Component Interconnect) – разрядность 32 (расширенный вариант – 64), пропускная способность до 132 Мб/с. Относится к классу так называемых mezzanine –шин, то есть шин– пристроек, поскольку между внутренней шиной процессора и самой PCI находится специальная микросхема согласующего моста (bridge). Важным нововведением, стала поддержка так называемого режима Plug-and-Play, впоследствии оформившегося в промышленный стандарт на самоустанавливающиеся устройства. Его суть состоит в том, что после физического подключения внешнего устройства к разъему шины PCI происходит обмен данными между устройством и материнской платой, в результате которого устройство автоматически получает номер используемого прерывания, адрес порта подключения и номер канала прямого доступа к памяти (осуществляется программно, эти функции во многом были возложены на ОС).

ШИНА PCI Express – локальная шина. Программная модель PCI Express во многом унаследована от PCI, поэтому существующие системы и контроллеры могут быть доработаны для использования шины PCI Express заменой только физического уровня, без доработки ПО. Высокая производительность шины PCI Express позволяет использовать её вместо шин AGP и тем более PCI и PCI-X. Де–факто PCI Express заменила эти шины в персональных компьютерах.

ШИНА USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная магистраль) – интерфейс для подключения до 127 внешних устройств к одному USB–каналу (по принципу общей шины), реализации обычно имеют по два канала на контроллер. USB 3.0 позволяет передавать информацию со скоростью до 4.8 Гбит/с, что на порядок больше 480 Мбит/с, которые может обеспечить USB 2.0. Удобство шины состоит и в том, что она практически исключает конфликты между различным оборудованием, позволяет подключать и отключать устройства в «горячем» режиме (не выключая компьютер). И позволяет объединить несколько компьютеров в простейшую локальную сеть без применения специального оборудования и программного обеспечения.

ШИНА IEEE 1394 или FireWire – это последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами. Благодаря невысокой цене и большой скорости передачи данных эта шина становится новым стандартом шины ввода-вывода для PC. Её изменяемая архитектура и одноранговая топология делают FireWire идеальным вариантом для подключения жестких дисков и устройств обработки аудио- и видеоинформации. Эта шина также идеально подходит для работы мультимедийных приложений в реальном времени. Стандарт поддерживает пропускную способность шины на уровнях 100, 200 и 400 Мбит/с. В зависимости от возможностей подключенных устройств одна пара устройств может обмениваться сигналами на скорости 100 Мбит/с, в то время как другая на той же шине – на скорости 400 Мбит/с. Такие высокие показатели пропускной способности последовательной шины практически исключают необходимость использования параллельных шин, основной задачей которых станет передача потоков данных, например несжатых видеосигналов, внутри компьютера.

ВНЕШНИЕ ШИНЫ (External Bus). разработаны для подключения внешних устройств, например, сканеров.

ШИНА Advanced Technology Attachment или ATA (также известна, как PATA, IDE, EIDE, ATAPI) – шина для подключения дисковой и ленточной периферии.

ШИНА SATA (Serial ATA) – современный вариант ATA. Эта шина использует 7–контактный разъём вместо 40–контактного разъёма у PATA.

ШИНА SCSI (Small Computer System Interface), шина для подключения дисковых и ленточных накопителей.

ШИНА SAS (Serial Attached SCSI) – современный вариант SCSI.

______________________________________________________________________________________________________

04 СОСТАВ СИСТЕМНОГО БЛОКА

Системный блок – основная часть компьютера. Он состоит из металлического корпуса, в котором располагаются основные компоненты компьютера. С ним соединены кабелями клавиатура, мышь и монитор. Внутри системного блока расположены

- микропроцессор (ЦПУ), который выполняет все поступающие команды, производит вычисления и управляет работой всех подсистем компьютера;

- оперативная память, предназначенная для временного хранения программ и данных;

- шины, осуществляющие информационную связь между устройствами компьютера;

- коммуникационные порты;

- материнская плата, на которой находятся микропроцессор, внутренние шины, оперативная память, коммуникационные разъёмы, микросхемы управления различными компонентами компьютера, таймер, системы индикации и защиты;

- блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;

- вентиляторы для охлаждения греющихся элементов;

- устройства внешней памяти, к которым относятся накопители на гибких и жёстких магнитных дисках, дисководы СD/DVD, предназначенные для длительного хранения информации.

Аппаратной основой системного блока является материнская плата – самостоятельный элемент, который управляет внутренними связями и с помощью системы прерываний взаимодействует с внешними устройствами. На материнской плате расположены все важнейшие микросхемы.

______________________________________________________________________________________________________

05 ПРИНЦИП РАБОТЫ МАТЕРИНСКИХ ПЛАТ

Одним из основных элементов материнской платы компьютера является чип Северный мост (Northbridge). В ряде случаев его называют также контроллер–концентратор памяти (Memory Controller Hub, MCH).

MCH является системным контроллером на материнской плате платформы x86, к которому в рамках организации взаимодействия подключено следующее оборудование.

1. Через Front Side Bus — микропроцессор (ЦПУ). Если в составе процессора нет контроллера памяти, тогда через шину контроллера памяти подключена оперативная память.

2. Через шину графического контроллера — видеоадаптер (в материнских платах нижнего ценового диапазона видеоадаптер часто встроенный. В таком случае Северный мост, произведенный Intel, называется GMCH (chipset Graphics and Memory Controller Hub).

Название чипа как «Северный мост» можно объяснить представлением архитектуры чипсета в виде карты. В результате процессор будет располагаться на вершине карты, на севере (см. рисунок).

Исходя из назначения, Северный мост определяет параметры (возможный тип, частоту, пропускную способность) следующих элементов:

— системной шины и, косвенно, процессора;

— оперативной памяти, её максимального объёма);

— подключённого видеоадаптера.

Во многих случаях именно параметры и быстродействие Северного моста определяют выбор реализованных на материнской плате шин расширения (PCI, PCI Express) системы.

В свою очередь, Северный мост соединён с остальной частью материнской платы через согласующий интерфейс и Южный мост. Когда технологии производства не позволяют скомпенсировать возросшее, вследствие усложнения внутренней схемы, тепловыделение чипа, современные мощные микросхемы Северного моста помимо пассивного охлаждения (радиатора) для своей бесперебойной работы требуют использования индивидуального вентилятора или системы жидкостного охлаждения, что в свою очередь увеличивает энергопотребление всей системы и требует более мощного блока питания.

Под Северным мостом согласно нашей схеме на материнской плате расположен Южный мост.

Южный мост (Southbridge) — функциональный контроллер. Он также известен под именем контроллер–концентратор ввода–вывода (I/O Controller Hub, ICH).

Обычно это одна микросхема, которая связывает «медленные» (по сравнению со связкой «ЦПУ – ОЗУ») взаимодействия (например, Low Pin Count, Super I/O или разъёмы шин для подключения периферийных устройств) на материнской плате с ЦПУ через Северный мост.

Если взять функциональность, то Южный мост включает в себя

— контроллеры внутренних шин;

— контроллер прямого доступа к памяти (DMA);

— контроллер прерываний;

— контроллеры дисковых накопителей;

— часы реального времени (Real Time Clock);

— управление питанием (Power management);

— энергонезависимую память BIOS (CMOS);

— звуковой контроллер.

Южный мост также может включать в себя сетевой контроллер Ethernet, контроллеры USB, FireWire и др. Реже Южный мост включает в себя поддержку клавиатуры, мыши и последовательных портов, но обычно эти устройства подключаются с помощью другого устройства — Super I/O (суперконтроллера ввода–вывода).

Поддержка шины PCI включает в себя традиционную спецификацию PCI, но может также обеспечивать и поддержку шины PCI Express. Хотя поддержка шины ISA используется достаточно редко, она всё таки является неотъемлемой частью современного Южного моста. Шина SMBus используется для связи с другими устройствами на материнской плате (например, для управления вентиляторами). Контроллер DMA позволяет устройствам на шине ISA или LPC получать прямой доступ к оперативной памяти, обходясь без помощи центрального процессора.

Контроллер прерываний обеспечивает механизм информирования ПО, исполняющегося на ЦПУ, о событиях в периферийных устройствах. IDE–интерфейс позволяет «увидеть» системе жёсткие диски. Шина LPC обеспечивает передачу данных и управление SIO (это такие устройства, как клавиатура, мышь, параллельный, последовательный порт, инфракрасный порт и флоппи–контроллер) и BIOS ROM (флэш).

Функции управления питанием позволяют перевести компьютер в «спящий режим» или выключить его.

Системная память CMOS, поддерживаемая питанием от батареи, позволяет создать ограниченную по объёму область памяти для хранения системных настроек (настроек BIOS).

Северный и Южный мосты материнской платы вместе составляют одно целое устройство управления всей системой, — «глаза», «уши» и «руки» ЦПУ. Общее название этих двух чипов — чипсет.

Таким образом, чипсет (chipset) — набор микросхем, спроектированных для совместной работы с целью выполнения определённого набора функций. В компьютерах чипсет, размещаемый на материнской плате, выполняет роль связующего компонента, обеспечивающего совместную работу подсистем памяти, центрального процессора (ЦПУ), ввода—вывода и других устройств.

Чаще всего чипсет современных материнских плат компьютеров состоит из двух основных микросхем Северного и Южного моста (иногда объединяемых в один чип, т.н. системный контроллер–концентратор (System Controller Hub, SCH):

Иногда в состав чипсета включают микросхему Super I/O, которая подключается к Южному мосту по шине Low Pin Count и отвечает за низкоскоростные порты: RS232 (COM), LPT, PS/2.

Существуют также чипсеты, заметно отличающиеся от традиционной схемы. Например, когда функциональность Северного моста (соединение с видеокартой и памятью) полностью встроена в сам процессор; тогда чипсет может состоять из одного Южного моста, соединенного с ЦПУ через соответствующую шину.

Создание полноценной вычислительной системы для компьютера на базе, состоящих из столь малого количества микросхем (чипсет и микропроцессор) является следствием развития техпроцессов микроэлектроники развивающихся по закону Мура.

В создании чипсетов, обеспечивающих поддержку новых процессоров, в первую очередь заинтересованы фирмы–производители процессоров. Основными производителями чипсетов для архитектуры x86 являются: Intel, NVidia, ATI/AMD: (после перекупки в 2006 году ATI вошла в состав Advanced Micro Devices), Via, SiS.

______________________________________________________________________________________________________

06 ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР

Центральный процессор – это центральное устройство компьютера, которое выполняет операции по обработке данных и управляет периферийными устройствами. У компьютеров четвёртого поколения и старше функции центрального процессора выполняет микропроцессор на основе СБИС, содержащей несколько миллионов элементов, конструктивно созданный на полупроводниковом кристалле путём применения сложной микроэлектронной технологии.

В состав центрального процессора входят:

- устройство управления (УУ);

- арифметико–логическое устройство (АЛУ);

- запоминающее устройство (ЗУ) на основе регистров процессорной памяти и кэш–памяти процессора;

- генератор тактовой частоты (ГТЧ).

Устройство управления организует процесс выполнения программ и координирует взаимодействие всех устройств ЭВМ во время её работы.

Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические операции над данными: сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение и др.

Запоминающее устройство – это внутренняя память процессора. Регистры служат промежуточной быстрой памятью. Используя их процессор выполняет расчёты и сохраняет промежуточные результаты. Для ускорения работы с оперативной памятью используется сверхбыстрая кэш–память, в которую с опережением «подкачиваются» команды и данные из оперативной памяти, необходимые процессору для последующих операций.

Генератор тактовой частоты генерирует электрические импульсы, синхронизирующие работу всех узлов компьютера. В ритме ГТЧ работает центральный процессор.

К основным характеристикам процессора относятся:

- Быстродействие (вычислительная мощность) – это среднее число операций процессора в секунду.

- Тактовая частота равна количеству тактов в секунду. Такт – это промежуток времени между началом текущего импульса ГТЧ и началом следующего. Сравнение быстродействия компьютеров по тактовым частотам их процессоров уместно только в том случае, если оба процессора устроены примерно одинаково (изготовлены одним производителем). В противном случае можно получить абсолютно неправильные выводы. Кроме того, производительность современной компьютерной системы определяется не только быстродействием отдельно взятого процессора, но и скоростями работы остальных узлов компьютера и способами организации всей системы в целом. Так, чрезмерно быстрый процессор будет вынужден простаивать, ожидая медленно работающую память. Часто простое увеличение объема ОЗУ дает гораздо больший эффект, чем замена процессора более быстрым. Например, увеличение тактовой частоты в два раза увеличивает общую производительность системы на 15–20%, а увеличение вдвое объема ОЗУ ускоряет работу компьютера на 50%.

- Разрядность — максимальное количество битов, которые могут обрабатываться одновременно. Разрядность процессора — длина машинного слова — определяется разрядностью регистров процессора и разрядностью шины данных. Теоретически их величины могут не совпадать, но практически их делают одинаковыми. Например, если регистр имеет разрядность 2 байта, то разрядность процессора равна 16 (2´8); если 4 байта, то 32; если 8 байтов, то 64.

При разработке новых микропроцессоров разработчики стремятся к постоянному улучшению их характеристик. Для сравнения: прапрадедушка современных микропроцессоров (Intel, 1971 г.) был 4–разрядный, и его тактовая частота составляла 750 КГц, а современный процессор той же фирмы с разрядностью 64 имеет тактовую частоту до нескольких ГГц. Лидирующее место среди производителей процессоров занимают две фирмы: Intel и AMD. За ними закрепилось базовое название, переходящее от модели к модели. У Intel – это Pentium и модель с урезанной кэш–памятью Pentium Celeron; у AMD – это Athlon и модель с урезанной кэш–памятью Duron.

Для математических вычислений и обработке вещественных данных к основному микропроцессору добавляют математический сопроцессор. Начиная с модели 80486DX процессор и сопроцессор выполняют на одном кристалле.

______________________________________________________________________________________________________

07 УСТРОЙСТВА ПАМЯТИ

Памятью компьютера называется совокупность устройств для хранения программ, вводимой информации, промежуточных результатов и выходных данных. Классификация памяти представлен на рисунке:

Внутренняя память предназначена для хранения относительно небольших объёмов информации при её обработке микропроцессором.

Внешняя память предназначена для длительного хранения больших объёмов информации независимо от того включен или выключен компьютер.

Энергозависимой называется память, которая стирается при выключении компьютера.

Энергонезависимой называется память, которая не стирается при выключении компьютера.

К энергонезависимой внутренней памяти относится постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Содержимое ПЗУ устанавливается на заводе–изготовителе и в дальнейшем не меняется. Эта память составлена из микросхем, как правило, небольшого объёма. Обычно в ПЗУ записываются программы, обеспечивающие минимальный базовый набор функций управления устройствами компьютера. При включении компьютера первоначально управление передается программе из ПЗУ, которая тестирует компоненты компьютера и запускает программу–загрузчик операционной системы.

К энергозависимой внутренней памяти относятся оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), видеопамять и кэш - память. В ОЗУ в двоичном виде запоминается обрабатываемая информация, программа её обработки, промежуточные данные и результаты работы. ОЗУ обеспечивает режимы записи, считывания и хранения информации, причём в любой момент времени возможен доступ к любой произвольно выбранной ячейке памяти. Это отражено в англоязычном названии ОЗУ – RAM (Random Access Memory – память с произвольным доступом). Доступ к этой информации в ОЗУ осуществляется очень быстро. Эта память составлена из сложных электронных микросхем и расположена внутри корпуса компьютера. Часть оперативной памяти отводится для хранения изображений, получаемых на экране монитора, и называется видеопамять. Чем больше видеопамять, тем более сложные и качественные картинки может выводить компьютер. Высокоскоростная кэш-память служит для увеличения скорости выполнения операций компьютером и используется при обмене данными между микропроцессором и RAM. Кэш-память является промежуточным запоминающим устройством (буфером). Существует два вида кэш-памяти: внутренняя, размещаемая внутри процессора и внешняя, размещаемая на материнской плате.

Внешняя память может быть с произвольным доступом и с последовательным доступом. Устройства памяти с произвольным доступом позволяют получить доступ к произвольному блоку данных примерно за одно и то же время доступа.

Выделяют следующие основные типы устройств памяти с произвольным доступом:

1. Накопители на жёстких магнитных дисках (винчестеры, НЖМД) – несъемные жесткие магнитные диски. Ёмкость современных винчестеров от сотен мегабайт до терабайт. На современных компьютерах это основной вид внешней памяти. Первые жесткие диски состояли из 2 дисков по 30 Мбайт и обозначались 30/30, что совпадало с маркировкой модели охотничьего ружья «Винчестер» – отсюда пошло такое название этих накопителей.

2. Накопители на гибких магнитных дисках (флоппи-дисководы, НГМД) – устройства для записи и считывания информации с небольших съёмных магнитных дисков (дискет), упакованные в пластиковый конверт со стороной 3,5 дюйма. Максимальная ёмкость такой дискеты – 1,44Мбайт. В настоящее время дискеты морально устарели и не используются.

3. Оптические диски – компьютерные устройства для чтения с компакт-дисков. CD–ROM диски получили распространение вслед за аудио-компакт дисками. Это пластиковые диски с напылением тонкого слоя светоотражающего материала, на поверхности которых информация записана с помощью лазерного луча. Лазерные диски являются наиболее популярными съёмными носителями информации. При размерах 12 см в диаметре их ёмкость достигает 700 Мбайт. В настоящее время более популярным становится формат компакт–дисков DVD, позволяющий при тех же размерах носителя разместить информацию объемом от 4,3 до 17 Гб. Кроме того, доступными массовому покупателю стали устройства записи на компакт диски. Данная технология получила название CD-RW и DVD-RW соответственно.

Устройства памяти с последовательным доступом позволяют осуществлять доступ к данным последовательно, т.е. для того, чтобы считать нужный блок памяти, необходимо считать все предшествующие блоки. Среди устройств памяти с последовательным доступом выделяют:

1. Накопители на магнитных лентах (НМЛ) – устройства считывания данных с магнитной ленты. Такие накопители достаточно медленные, хотя и большой ёмкости. Современные устройства для работы с магнитными лентами – стримеры – имеют увеличенную скорость записи 4–5 Мбайт в сек. Существуют также, устройства позволяющие записывать цифровую информацию на видеокассеты, что позволяет хранить на 1 кассете 2 Гбайта информации. Магнитные ленты обычно используются для создания архивов данных для долговременного хранения информации.

2. Перфокарты – карточки из картона и перфоленты – катушки с бумажной лентой, на которых информация кодируется путём пробивки (перфорирования) отверстий. Для считывания данных применяются устройства последовательного доступа. В настоящее время данные устройства морально устарели и не применяются, однако на МКС используются перфоленты на основе алюминиевых сплавов.

Различные виды памяти имеют свои достоинства и недостатки. Так, внутренняя память имеет хорошее быстродействие, но ограниченный объём. Внешняя память, наоборот, имеет низкое быстродействие, но неограниченный объём. Производителям и пользователям компьютеров приходится искать компромисс между объёмом памяти, скоростью доступа и ценой компьютера, так комбинируя разные виды памяти, чтобы компьютер работал оптимально. В любом случае, объём оперативной памяти является основной характеристикой ЭВМ и определяет производительность компьютера.

Кратко рассмотрим принцип работы оперативной памяти. Минимальный элемент памяти – бит способен хранить минимально возможный объем информации – одну двоичную цифру. Бит – очень маленькая информационная единица, поэтому биты в памяти объединяются в байты – восьмёрки битов, являющиеся ячейками памяти. Все ячейки памяти пронумерованы. Номер ячейки называют её адресом. Зная адрес ячейки можно совершать две основные операции:

1) прочитать информацию из ячейки с определенным адресом;

2) записать информацию в байт с определенным адресом.

Чтобы выполнить одну из этих операций необходимо, чтобы от ЦПУ к памяти поступил адрес ячейки, и чтобы байт информации был передан от процессора к памяти при записи, или от памяти к процессору при чтении. Все сигналы должны передаваться по проводникам, объединённым в шины.

По шине адреса передается адрес ячейки памяти, по шине данных – передаваемая информация. Как правило, эти процессы проходят одновременно.

Для работы ОЗУ используются еще 3 сигнала и, соответственно, 3 проводника. Первый сигнал называется запрос чтения, его получение означает указание памяти прочесть байт. Второй сигнал называется запрос записи, его получение означает указание памяти записать байт. Передача сразу обоих сигналов запрещена. Третий сигнал – сигнал готовности, используется для того, чтобы память могла сообщить ЦПУ, что она выполнила запрос и готова к приему следующего запроса.

______________________________________________________________________________________________________

08 УСТРОЙСТВА ВВОДА–ВЫВОДА

Компьютер обменивается информацией с внешним миром с помощью периферийных устройств. Только благодаря периферийным устройствам человек может взаимодействовать с компьютером, а также со всеми подключенными к нему устройствами. Любое подключенное периферийное устройство в каждый момент времени может быть или занято выполнением порученной ему работы или пребывать в ожидании нового задания. Влияние скорости работы периферийных устройств на эффективность работы с компьютером не меньше, чем скорость работы его центрального процессора. Скорость работы внешних устройств от быстродействия процессора не зависит. Наиболее распространённые периферийные устройства приведены на рисунке:

Периферийные устройства делятся на устройства ввода и устройства вывода. Устройства ввода преобразуют информацию в форму понятную машине, после чего компьютер может её обрабатывать и запоминать. Устройства вывода переводят информацию из машинного представления в образы, понятные человеку.

Самым известным устройством ввода информации является клавиатура (keyboard) – стандартное устройство, предназначенное для ручного ввода информации. Работой клавиатуры управляет контроллер клавиатуры, расположенный на материнской плате и подключаемый к ней через разъём на задней панели компьютера. При нажатии пользователем клавиши на клавиатуре, контроллер клавиатуры преобразует код нажатой клавиши в соответствующую последовательность битов и передает их компьютеру. Отображение символов, набранных на клавиатуре, на экране монитора называется эхом. Обычная современная клавиатура имеет, как правило, 101–104 клавиши, среди которых выделяют алфавитно–цифровые клавиши, необходимые для ввода текста, клавиши управления курсором и ряд специальных и управляющих клавиш. Существуют беспроводные модели клавиатуры, в них связь клавиатуры с компьютером осуществляется посредством инфракрасных лучей.

Клавиатура проектируется таким образом, чтобы каждая клавиша выдерживала 30-50 миллионов нажатий.

К манипуляторам относят устройства, преобразующие движения руки пользователя в управляющую информацию для компьютера. Среди манипуляторов выделяют мыши, трекболы, джойстики.

Мышь предназначена для выбора и перемещения графических объектов экрана монитора. Для этого используется указатель, перемещением которого по экрану управляет мышь. Мышь позволяет существенно сократить работу человека с клавиатурой при управлении курсором и вводе команд. Особенно эффективно мышь используется при работе графическими редакторами, издательскими системами, играми. Современные операционные системы также активно используют мышь для управляющих команд.

У мыши могут быть одна, две или три клавиши. Между двумя крайними клавишами современных мышей часто располагают скрол. Это дополнительное устройство в виде колёсика, которое позволяет осуществлять прокрутку документов вверх–вниз и другие дополнительные функции.

Мышь состоит из пластикового корпуса, cверху находятся кнопки, соединенные с микропереключателями. Внутри корпуса старой мыши находился обрезиненный металлический шарик, нижняя часть которого соприкасалась с поверхностью стола или специального коврика. При движении мыши работают датчики продольного и поперечного перемещения. Датчики преобразуют движения в соответствующие импульсы, которые передаются по проводам в системный блок на управляющий контроллер. Контроллер передает обработанные сигналы операционной системе, которая перемещает графический указатель по экрану. В беспроводной мыши данные передаются с помощью инфракрасных лучей. В оптических мышах функции датчика движения выполняют приемники лазерных лучей, отражённых от поверхности стола.

Трекбол по функциям близок мыши, но шарик в нем больших размеров и расположен сверху. Перемещение указателя осуществляется вращением этого шарика рукой. Трекбол удобен тем, что его не требуется перемещать по поверхности стола, которого может не быть в наличии. Поэтому, по сравнению с мышью, он занимает на столе меньше места. Большинство переносных компьютеров оснащаются встроенным трекболом.

Джойстик представляет собой основание с подвижной рукояткой, которая может наклоняться в продольном и поперечном направлениях. Рукоятка и основание снабжаются кнопками. Внутри джойстика расположены датчики, преобразующие угол и направление наклона рукоятки в соответствующие сигналы, передаваемые операционной системе. В соответствии с этими сигналами осуществляется перемещение и управление графических объектов на экране.

Дигитайзер – это устройство для ввода графических данных, таких как чертежи, схемы, планы и т. п. Он состоит из планшета, соединенного с ним визира или специального карандаша. Перемещая карандаш по планшету, пользователь рисует изображение, которое выводится на экран.

Сканер – устройство ввода графических изображений в компьютер. В сканер закладывается лист бумаги с изображением. Устройство считывает его и пересылает компьютеру в цифровом виде. Во время сканирования вдоль листа с изображением плавно перемещается мощная лампа и линейка со множеством расположенных на ней в ряд светочувствительных элементов. Обычно в качестве светочувствительных элементов используют фотодиоды. Каждый светочувствительный элемент вырабатывает сигнал, пропорциональный яркости отражённого света от участка бумаги, расположенного напротив него. Яркость отражённого луча меняется из–за того, что светлые места сканируемого изображения отражают свет гораздо лучше, чем тёмные, покрытые краской. В цветных сканерах расположено три группы светочувствительных элементов, обрабатывающих соответственно красные, зеленые и синие цвета. Таким образом, каждая точка изображения кодируется как сочетание сигналов, вырабатываемых светочувствительными элементами красной, зеленой и синей групп. Закодированный таким образом сигнал передается на контроллер сканера в системный блок.

Различают сканеры ручные, протягивающие и планшетные. В ручных сканерах пользователь сам ведёт сканер по поверхности изображения или текста. Протягивающие сканеры предназначены для сканирования изображений на листах только определенного формата. Протягивающее устройство таких сканеров последовательно перемещает все участки сканируемого листа над неподвижной светочувствительной матрицей. Наибольшее распространение получили планшетные сканеры, которые позволяют сканировать листы бумаги, книги и другие объекты, содержащие изображения. Такие сканеры состоят из пластикового корпуса, закрываемого крышкой. Верхняя поверхность корпуса выполняется из оптически прозрачного материала, на который кладется сканируемое изображение. После этого изображение закрывается крышкой и производится сканирование. В процессе сканирования под стеклом перемещается лампа со светочувствительной матрицей.

Главные характеристики сканеров - это скорость считывания, которая выражается количеством сканируемых станиц в минуту (pages per minute – ppm), и разрешающая способность, выражаемая числом точек получаемого изображения на дюйм оригинала (dpi).

После ввода пользователем исходных данных компьютер должен их обработать в соответствии с заданной программой и вывести результаты в форме, удобной для восприятия пользователем или для использования другими автоматическими устройствам посредством устройств вывода.

Выводимая информация может отображаться в графическом виде, для этого используются мониторы, принтеры или плоттеры. Информация может также воспроизводиться в виде звуков с помощью акустических колонок или головных телефонов, регистрироваться в виде тактильных ощущений в технологии виртуальной реальности, распространяться в виде управляющих сигналов устройства автоматики, передаваться в виде электрических сигналов по сети.

Монитор (д исплей) является основным устройством вывода графической информации. Мониторы классифицируют по размеру диагонали экрана. Чем больше диагональ монитора, тем он дороже. По цветности мониторы бывают монохромные и цветные. Любое изображение на экране монитора образуется из светящихся разными цветами точек, называемых пикселями (это название происходит от PICture CELL – элемент картинки). Пиксел – это самый мелкий элемент, который может быть отображен на экране. Чем качественнее монитор, тем меньше размер пикселей, тем чётче и контрастнее изображение, тем легче прочесть самый мелкий текст, а значит, и меньше напряжение глаз. По принципу действия мониторы подразделяются на мониторы с электронно-лучевой трубкой (Catode Ray Tube, CRT) и жидкокристаллические – (Liquid Crystal Display, LCD).

В мониторах с электронно-лучевой трубкой изображение формируется с помощью зёрен люминофора – вещества, которое светится под воздействием электронного луча. Различают три типа люминофоров в соответствии с цветами их свечения: красный, зеленый и синий. Цвет каждой точки экрана определяется смешением свечения трёх разноцветных точек (триады), отвечающих за данный пиксел. Яркость соответствующего цвета меняется в зависимости от мощности электронного пучка, попавшего в соответствующую точку. Электронный пучок формируется с помощью электронной пушки.

При прохождении электрического тока через нагревательный элемент электронной пушки, начинают испускаться электроны. Под действием ускоряющего напряжения электроны разгоняются и достигают поверхности экрана, покрытой люминофором, который начинает светиться. Управление пучком электронов осуществляется отклоняющей и фокусирующей системой, которые состоят из набора катушек и пластин, воздействующих на электронный пучок с помощью магнитного и электрического полей. В соответствии с сигналами развертки, подаваемыми на электронную пушку, электронный луч побегает по каждой строчке экрана, последовательно высвечивая соответствующие точки люминофора. Дойдя до последней точки, луч возвращается к началу экрана. Таким образом, в течение определенного периода времени изображение перерисовывается. Частоту смены изображений определяет частота горизонтальной синхронизации. Это один из наиболее важных параметров монитора, определяющих степень его вредного воздействия на глаза. В настоящее время гигиенически допустимый минимум частоты горизонтальной синхронизации составляет 80 Гц, у профессиональных мониторов она составляет 150 Гц.

Современные CRT–мониторы имеют специальное антибликовое покрытие, уменьшающее отражённый свет. Кроме того, монитор покрывают антистатическим покрытием и пленкой, защищающей от электромагнитного излучения. Дополнительно на монитор можно установить защитный экран, который необходимо подсоединить к заземляющему проводу, что также защитит от электромагнитного излучения и бликов. Уровни излучения мониторов нормируются в соответствии с международными стандартами LR, MPR и MPR-II.

Жидкокристаллические мониторы имеют меньшие размеры, потребляют меньше электроэнергии, обеспечивают более чёткое статическое изображение. В них отсутствуют типичные для CRT–мониторов искажения. Принцип отображения на жидкокристаллических мониторах основан на поляризации света. Источником излучения здесь служат лампы подсветки, расположенные по краям жидкокристаллической матрицы. Свет от источника света однородным потоком проходит через слой жидких кристаллов. В зависимости от того, в каком состоянии находится кристалл, проходящий луч света либо поляризуется, либо не поляризуется. Далее свет проходит через специальное покрытие, которое пропускает свет только определенной поляризации. Там же происходит окраска лучей в нужную цветовую палитру. Жидкокристаллические мониторы практически не производят вредного для человека излучения.

Для получения копий изображения на бумаге применяют принтеры, которые классифицируются:

- по способу получения изображения: литерные, матричные, струйные, лазерные и термические;

- по способу формирования изображения: последовательные, строчные, страничные;

- по способу печати: ударные, безударные;

- по цветности: чёрно-белые, цветные.

Наиболее распространены принтеры лазерные и струйные принтеры. Струйный принтер относится к безударным принтерам. Изображение в нём формируется с помощью чернил, которые распыляются через капилляры печатающей головки.

Лазерный принтер также относится к безударным принтерам. Он формирует изображение постранично. Первоначально изображение создается на фотобарабане, который предварительно электризуется статическим электричеством. Луч лазера в соответствии с изображением снимает статический заряд на белых участках рисунка. Затем на барабан наносится специальное красящее вещество – тонер, который прилипает к фотобарабану на участках с неснятым статическим зарядом. Затем тонер переносится на бумагу и нагревается. Частицы тонера плавятся и прилипают к бумаге.

Для ускорения работы, принтеры имеют собственную память, в которой они хранят образ информации, подготовленной к печати.

К основным характеристикам принтеров можно относятся:

- ширина каретки, которая обычно соответствую бумажному формату А3 или А4;

- скорость печати, измеряемая количеством листов, печатаемых в минуту;

- качество печати, определяемое разрешающей способностью принтера;

- расход материалов: лазерным принтером – порошка, струйным принтером – чернил.

Плоттер (графопостроитель) – это устройство для отображения векторных изображений на бумаге, кальке, плёнке и других подобных материалах. Плоттеры снабжаются сменными пишущими узлами, которые могут перемещаться вдоль бумаги в продольном и поперечном направлениях. В пишущий узел могут вставляться цветные перья или ножи для резки бумаги. Графопостроители могут быть миниатюрными, и могут быть настолько большими, что на них можно вычертить кузов автомобиля или деталь самолета в натуральную величину.

______________________________________________________________________________________________________

09 ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Что такое классическая архитектура компьютера?

2. Что такое коммуникационный порт? Какие аппаратные порты Вы знаете?

3. Каковы назначение и характеристики микропроцессора?

4. Для чего служит память? Каких типов она бывает?

5. Зачем компьютеру память разных типов?

6. Что входит в видеосистему? Назовите её характеристики.

7. Что такое периферийные устройства?

8. Какие виды этих устройств вы знаете? В чём заключается принцип открытой архитектуры?

9. Какие компоненты ПК расположены в его системном блоке?

Дата добавления: 2014-01-06