Материнская плата. Технические средства реализации информационных процессов

Память

Технические средства реализации информационных процессов

Информационные процессы в компьютере реализуются с помощью технических средств и соответствующих программ. Структурная схема технических средств компьютера приведена на рис. 5.7.

системный блок материнская плата внешние устройства

Рис. 5.7. Структурная схема персонального компьютера

5.4. Архитектура компьютера. Центральные устройства. Внешние устройства

5.4.1. Архитектура компьютера

В настоящее время существует много типов компьютеров. Каждый тип чем то отличается от другого. Различать их можно по их архитектуре. Рассмотрения одной лишь только его структурной схемы явно недостаточно, так как она принципиально мало чем отличается для разных ма­шин. У всех компьютеров есть оперативная память, процессор, внешние устрой­ства. Различными являются способы, средства и используемые ресурсы, с помо­щью которых компьютер функционирует как единый механизм. Чтобы собрать воедино все понятия, характеризующие компьютер с точки зрения его функцио­нальных программно-управляемых свойств, существует специальный термин — архитектура ЭВМ.

Архитектура ЭВМ — это абстрактное представление ЭВМ, которое отражает ее структурную, схемотехническую и логическую организацию. Понятие архитекту­ры ЭВМ является комплексным и включает в себя:

- структурную схему ЭВМ;

- средства и способы доступа к элементам структурной схемы ЭВМ;

- организацию и разрядность интерфейсов ЭВМ;

- набор и доступность регистров;

- организацию и способы адресации памяти;

- способы представления и форматы данных ЭВМ;

- набор машинных команд ЭВМ;

- форматы машинных команд;

- обработку нештатных ситуаций (прерываний).

К числу общих архитектурных свойств и принципов ЭВМ этой архитектуры можно отнести:

1. Принцип хранимой программы. Согласно ему, код программы и ее данные на­ходятся в одном адресном пространстве в оперативной памяти.

2. Принцип микропрограммирования. Суть этого принципа заключается в том, что машинный язык все-таки еще не является той конечной субстанцией, которая физически приводит в действие процессы в машине. В состав процессора вхо­дит блок микропрограммного управления. Этот блок для каждой машинной команды имеет набор действий-сигналов, которые нужно сгенери­ровать для физического выполнения требуемой машинной команды. Здесь уместно вспомнить характеристику ЭВМ 1-го поколения. В них для генера­ции нужных сигналов необходимо было осуществить ручное программирова­ние всех логических схем — поистине адская и неблагодарная работа!

3. Линейное пространство памяти — совокупность ячеек памяти, которым по­следовательно присваиваются номера (адреса) 0, 1,2,....

4. Последовательное выполнение программ. Процессор выбирает из памяти коман­ды строго последовательно. Для изменения прямолинейного хода выполнения программы или осуществления ветвления необходимо использовать специаль­ные команды. Они называются командами условного и безусловного перехода.

5. С точки зрения процессора, нет принципиальной разницы между данными и командами. Данные и машинные команды находятся в одном пространстве памяти в виде последовательности нулей и единиц. Это свойство связано с предыдущим. Процессор, исполняя содержимое некоторых последователь­ных ячеек памяти, всегда пытается трактовать его как коды машинной коман­ды, а если это не так, то происходит аварийное завершение программы, содер­жащей некорректный фрагмент. Поэтому важно в программе всегда четко разделять пространство данных и команд.

6. Безразличие к целевому назначению данных. Машине все равно, какую логи­ческую нагрузку несут обрабатываемые ею данные.

В любой ЭВМ имеются средства для ввода программ и данных к ним. Информа­ция поступает из подсоединенных к ЭВМ периферийных устройств (ПУ) ввода. Результаты вычислений выводятся на периферийные устройства вывода. Связь и взаимодействие ЭВМ и ПУ обеспечивают порты ввода и порты вывода. Терми­ном порт обозначают аппаратуру сопряжения периферийного устройства с ЭВМ и управления им. Совокупность портов ввода и вывода называют устройством вво­да/вывода (УВВ) или модулем ввода/вывода ЭВМ (МВВ).

Введенная информация сначала запоминается в основной памяти, а затем переносится во вторичную память, для длительного хранения. Чтобы программа могла выполняться, команды и данные должны располагаться в основной памяти (ОП), организованной таким образом, что каждое двоичное слово хранится в от­дельной ячейке, идентифицируемой адресом, причем соседние ячейки памяти имеют следующие по порядку адреса. Доступ к любым ячейкам запоминающего устройства (ЗУ) основной памяти может производиться в произвольной последо­вательности. Такой вид памяти известен как память с произвольным доступом. ОП современных ЭВМ в основном состоит из полупроводниковых оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), обеспечивающих как считывание, так и запись информации. Для таких ЗУ характерна энергозависимость — хранимая информа­ция теряется при отключении электропитания. Если необходимо, чтобы часть ос­новной памяти была энергонезависимой, в состав ОП включают постоянные за­поминающие устройства (ПЗУ), также обеспечивающие произвольный доступ. Хранящаяся в ПЗУ информация может только считываться (но не записываться).

Размер ячейки основной памяти обычно принимается равным 8 двоичным раз­рядам — байту. Для хранения больших чисел используются 2,4 или 8 байтов, раз­мещаемых в ячейках с последовательными адресами. В этом случае за адрес числа часто принимается адрес его младшего байта. Так, при хранении 32-разрядного числа в ячейках с адресами 200, 201, 202 и 203 адресом числа будет 200. Такой прием называют адресацией по младшему байту. Возможен и противоположный подход — по меньшему из адресов располагается старший байт. Этот способ известен как адресация по стар­шему байту. Адресация по младшему байту характерна для микропроцессоров фирмы Intel и мини-ЭВМ фир­мы DEC, а по старшему байту — для микропроцессоров фирмы Motorola и уни­версальных ЭВМ фирмы IBM.

Для долговременного хранения больших программ и массивов данных в ЭВМ обыч­но имеется дополнительная память, известная как вторичная. Вторичная память энер­гонезависима и чаще всего реализуется на базе магнитных дисков. Информация в ней хранится в виде специальных программно поддерживаемых объектов — файлов.

Устройство управления (УУ) — важнейшая часть ЭВМ, организующая автома­тическое выполнение программ (путем реализации функций управления) и обес­печивающая функционирование ЭВМ как единой системы. Для пояснения функций УУ ЭВМ следует рассматривать как совокупность элементов, между которыми происходит пересылка информации, в ходе которой эта информация может под­вергаться определенным видам обработки. Пересылка информации между любы­ми элементами ЭВМ инициируется своим сигналом управления (СУ), то есть управ­ление вычислительным процессом сводится к выдаче нужного набора СУ в нужной временной последовательности. Основной функцией УУ является формирование управляющих сигналов, отвечающих за извлечение команд из памяти в порядке, определяемом програм­мой, и последующее исполнение этих команд. Кроме того, УУ формирует СУ для синхронизации и координации внутренних и внешних устройств ВМ.

Еще одной неотъемлемой частью ЭВМ является арифметико-логическое устрой­ство (АЛУ). АЛУ обеспечивает арифметическую и логическую обработку двух входных переменных, в результате которой формируется выходная переменная. Функции АЛУ обычно сводятся к простым арифметическим и логическим опера­циям, а также операциям сдвига. Помимо результата операции АЛУ формирует ряд, признаков результата (флагов), характеризующих полученный результат и со­бытия, произошедшие в процессе его получения (равенство нулю, знак, четность, перенос, переполнение и т. д.). Флаги могут анализироваться в УУ с целью приня­тия решения о дальнейшей последовательности выполнения команд программы.

УУ и АЛУ тесно взаимосвязаны и их обычно рассматривают как единое уст­ройство, известное как центральный процессор (ЦП) или просто процессор. Поми­мо УУ и АЛУ в процессор входит также набор регистров общего назначения (РОН), служащих для промежуточного хранения информации в процессе ее обработки.

5.4.2. Центральные устройства

Устройство компьютера представлено на рис. 5.7.

Центральный процессор является ядром компьютера. Связь между компонентами осуществляется посредством внешней шины. Внутри процессора имеются шины для взаимодействия между собой АЛУ, устройства управления и регистров памяти. Внешняя шина процессора состоит из линий, по которым передаются данные, адреса и команды управления. Поэтому общая шина подразделяется на шину данных, шину адреса и шину управления. Разрядность шины определяет максимальное количество одновременно передаваемых бит, отчего зависит производительность компьютера. Чем больше разрядность шины, тем выше производительность компьютера.

Скорость передачи данных по шине определяется тактовой частотой. Чем выше тактовая частота, тем выше производительность компьютера.

Поскольку данные в процессе работы хранятся в оперативной памяти, важным параметром является скорость записи в память и чтения из памяти.

Из внешних устройств очень большое влияние на производительность оказывает видеоконтроллер или видеокарта. При большом потоке видеоданных требуется видеокарта с большим быстродействием.

Основным функциональным компонентом компьютера является системная или материнская плата. Главным элементом системной платы является процессор.

На материнской плате находится микросхема кеш-памяти, предназначенной для хранения системного программного обеспечения – базовой системы ввода-вывода.

Память. Память компьютера включает в себя оперативную память, постоянную память и память на внешних устройствах.

Оперативная память (ОЗУ, RAM) предназначается для хранения текущих данных, выполняемых программ, а также копий отдельных модулей операционной системы. После отключения питания, оперативная память стирается.

Постоянная память используется для хранения информации, которая не должна меняться в ходе работы компьютера (ПЗУ, ROM). Здесь хранится программное обеспечение базовой системы ввода-вывода, программы для тестирования

Кэш-память. Кэш-память расположена на кристалле центрального процессора предназначена для согласования скорости работы процессора с более медленными устройствами, такими как динамическая память.

5.4.3. Внешние устройства: накопители на гибких и жестких дисках, клавиатура, мышь, видеотерминал, принтер, диск CD-ROM, стример, сканер

Накопители. Одними из первых накопителей для персональных компьютеров были флоппи-дисководы. Сменными носителями являются гибкие магнитные флоппи-диски диаметром 3,5 дюйма (89 мм) и информационной емкостью 1,44 Мб. Информация на диск и с диска записывается и считывается с помощью магнитных головок. Привод похож на привод жесткого диска-винчестера. В состав дисковода входят два двигателя, один вращает диск, другой перемещает магнитную головку.

Винчестеры. Первый накопитель с жесткими магнитными дисками, названный в последствие винчестерским или просто винчестером, был разработан фирмой IBM.

Практически на всех современных жестких дисках есть собственная оперативная память, называемая кэш-памятью или просто кэш. Размер и структура кэш-памяти у разных производителей и для различных моделей кэш-память разная.

Основными характеристиками жесткого диска являются:

- информационная емкость;

- скорость вращения;

- время доступа;

- тип интерфейса

Скорость вращения. Обычно современные жесткие диски вращаются со скоростью 7200 об/мин. Чем выше скорость вращения, тем выше скорость обмена данными. Скорость более 7200 об/мин требует хорошей вентиляции для отвода тепла.

Жесткие диски поступают с завода-изготовителя уже отформатированными. Подключение накопителя к системной плате осуществляется с помощью 40-проводного кабеля, к которому можно подключить 2 винчестера.

Оптические накопители. Первая технология оптической записи появилась в 1961 году в Стэндфорском университете США.

В 1980 году компания Philips и Sonyпредставили новый стандарт лазерного диска – CD-DA. Он определял способ записи и обработки звука. Первые диски этой технологии были однократно записываемыми и требовали специального оборудования для записи.

CD-ROM дисководы с помощью 40-проводного кабеля подключаются к компьютеру через IDE-интерфейс.

Следующим шагом в развитии оптических накопителей стало появление CD-RW-дисководов, позволяющих выполнять многократную запись на диски CD-RW. Каждый сеанс записи называется сессией, а диск – мультисессионным. Наличие несколько сессий допустимо не во всех стандартах записи.

ФЛЕШ-ПАМЯТЬ. Это разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти. Имеет ограничение на перезапись (обычно до 10 тысяч раз). При выключении электроэнергии содержимое памяти сохраняется. Флеш-память более компактна, дешева (с учетом стоимости дисководов) и обеспечивает более быстрый доступ. Широко используется в портативных устройствах: цифровых фотокамерах и видеокамерах, цифровых магнитофонах, в программируемых калькуляторах, для резервного копирования информации на компьютерах.

Стирание информации в флеш-памяти происходит либо для всей памяти одновременно, либо для достаточно больших блоков. Для некоторых применений это неудобно. Поэтому имеются схемы с блочной структурой, в которых весь массив делится на блоки, стираемые независимо друг от друга. Объем таких блоков сильно разнится: от 256 байт до 128 Кбайт.

Типы съемной флеш-памяти. По конструктивному исполнению и интерфейсам: Compact Flash Typel (CF1), Compact Flash Typel (CF11), Memory Stick, SecureDigital (SD), miniSD, xD-Picture Card (xD), MultiMediaCard (MMC), RS-MMC, SmartMedia Card (SMC), USB-flash.

Периферийные устройства.

Клавиатура. Предназначена для ввода информации. С помощью клавиатуры вводятся данные и команды для выполнения, производится управление работой компьютера во время выполнения программы. В настоящее время в основном используются клавиатуры мембранного типа, в которых при нажатии клавиши происходит замыкание с помощью верхней мембраны токопроводящих площадок на нижней мембране, соответствующих данной клавише. Связь между клавиатурой и клавиатурным портом компьютера осуществляется посредством 4-х проводного кабеля. По двум проводам подается питание +5В, по остальным передаются данные и сигналы синхронизации.

Мышь. При перемещении мыши на экране отображается положение указателя мыши. Сейчас используются оптические мыши вместо механических. Светоизлучающий диод освещает поверхность, по которой перемещается мышь, отраженный свет формирует изображение на сенсоре. Оптическая мышь может работать практически на любой поверхности, что затруднительно для механической мыши.

Джойстик. Часто используются в компьютерных играх. Джойстик имеет рукоятку-рычаг, связанную с двумя переменными резисторами. Эти резисторы позволяют отслеживать передвижение в двух координатах, информация о положении которых поступает на соответствующие аналоговые входы игрового компьютера.

Видео мониторы .

CRT-мониторы. Это мониторы на электронно-лучевых трубках. Принцип действия заключается в том, что управляемый пучок электронов попадает на экран, покрытый люминофором и вызывает его свечение. На смену его пришли LCD-мониторы.

LCD - мониторы. Это жидкокристаллические мониторы. Основной тип покупаемых сейчас мониторов. В качестве экрана жидкокристаллических мониторов используются активные LCD-матрицы. Кристаллы в ячейках работают как оптический затвор, пропуская или закрывая свет от лампы за матрицей. Управление выполняется отдельно для каждого элемента (пикселя) экрана. Каждый пиксель экрана состоит из трех ячеек, отображающий красный, синий и зеленый цвет.

В LCD-мониторе источником для создания изображения является внешний источник света. Лампы находятся в корпусе монитора, за матрицами.

Наиболее качественную технологию IPS изготовления мониторов предложила фирма Hitachi. Единственный недостаток цена.

Наиболее популярные мониторы производятся сейчас на основе TN+Film – матриц.

В жидкокристаллических мониторах в качестве интерфейса с видеокартой используется стандартный аналоговый и цифровой интерфейс (DVI). В отдельных мониторах могут присутствовать разъемы обеих интерфейсов, в других же может быть только более современный DVI.

Принтеры. Предназначены для вывода информации из компьютера. Принтеры подразделяются по формату печати. Наиболее распространены устройства, поддерживающие форматы А4 и А3. В составе принтера есть своя память, в которую записывается поступающий от компьютера поток информации, что позволяет принтеру работать автономно после получения задания на печать. В последнее время большинство моделей принтеров оснащаются USB интерфейсом.

Струйные принтеры. Общепризнано, что в качестве домашнего принтера использовать струйный принтер. Он дает высокое качество и возможность цветной печати при сравнительно небольшой цене по сравнению с принтерами других типов. Запись осуществляется путем направленного выброса капель из печатающей головки капель красителя (чернил).

При пьезоэлектрической технологии в печатающей головке принтера располагаются миниатюрные пьезопластины, управляемые электрическим сигналом. Капли чернил выбрасываются из печатающей головки за счет колебания пластин. Эта технология используется в струйных принтерах Epson, Brother. Относительные недостатки: стоимость и требовательность к качеству чернил.

В пузырьковой (электротермической) технологии капля выбрасывается за счет избыточного давления при очень быстром нагреве порции чернил. При этой технологии печатающие головки дешевле и поэтому чаще всего выполняются в едином корпусе со сменным картриджем. Пузырьковая технология применяется в принтерах фирм Hewlett Packard, Lexmark, Canon, Xerox. Технология цветной печати требует трехцветный картридж, содержащий чернила голубого, пурпурного и желтого цветов. Высокое качество фотографий можно получить только на специальной фотобумаге.

Лазерные принтеры. В лазерных принтерах для создания изображений используют электрографический принцип. Печатаемое изображение с помощью лазерного луча наносится на светочувствительный барабан в виде электростатического потенциала. Электростатическое изображение наносится лазерным лучом построчно. После формирования каждой строки специальный прецизионный шаговый двигатель поворачивает барабан для формирования последующей строки. При вращении заряженные строки барабана оказываются в контейнере с тонером, частицы которого притягиваются к заряженным участкам. Чем больше заряд, тем больше частиц притягивается. При дальнейшем вращении барабана тонер переносится на бумагу и закрепляется на ней за счет нагрева тонера до температуры плавления и фиксации их специальными валиками.

Безусловным лидером на рынке лазерных принтеров является фирма Hewlett Packard. Хорошо известна также продукция Canon, Xerox.

LED-принтеры. В этих принтерах полупроводниковый лазер заменен линейкой мельчайших светодиодов. Конструкция принтера в этом случае упрощается. Изображение формируется построчно, но по отдельному пикселю.

Выбор принтера. Лазерные принтеры обеспечивают высокое качество и высокую скорость печати. Струйные принтеры имеют высокое качество, высокую скорость, но имеют высокую стоимость расходных материалов. Целесообразно иметь два принтера. Один лазерный для печати черно-белых документов и цветной струйный (печати относительно мало, поэтому будет и небольшой расход материалов).

Сканеры. В составе современного мультимедийного компьютера используется устройство для ввода изображений сканер. Сканером называется устройство, позволяющее вводить в компьютер изображение в виде текстов, рисунков, фотографий, слайдов и другой графической информации. Наиболее популярными являются сканеры планшетного типа.

В планшетном сканере оригинал кладется на стекло, освещается специальной лампой и сканируется при помощи подвижного линейного датчика.

К основным характеристикам сканера относятся:

- оптическое разрешение;

- глубина цвета;

- динамический диапазон (диапазон оптических плотностей).

Оптическое разрешение определяет уровень детализации объекта при сканировании и измеряется в точках на дюйм (dpi). Чем выше это показатель, тем более детально будет передан объект.

Глубина цвета. Определяет количество распознаваемых цветов. У современных сканеров эта характеристика имеет 48 бит.

Динамический диапазон. Оптическая плотность это характеристика оригинала, выражаемая пропорциональным отношением света, падающего на оригинал, к свету отраженному. Минимально возможное значение (для идеально белого оригинала) – 0,0 D, максимальное значение – 4,0 D (для абсолютно черного). Динамический диапазон сканера указывает, какой диапазон оптических плотностей оригинала сканер может распознать, не потеряв оттенков. Большинство планшетных сканеров имеет динамический диапазон в пределах от 1,7 D (офисные модели) до 3,4 D (полупрофессиональные модели). Большинство бумажных оригиналов, будь то фотография или журнальная вырезка, обладают оптической плотностью не более 2,5 D. Наиболее распространенным интерфейсом для подключения сканеров к компьютеру в настоящее время является USB. Широко распространены сканеры Hewlett Packard, Epson, Canon.

Акустические системы. Акустические системы позволяют прослушивать музыку и речь, воспроизводимые звуковой картой. Колонки, содержащие встроенный усилитель, называются активными.

Устройство защиты. Внезапные отключения питающей электросети и кратковременные провалы питающего напряжения могут стать причиной потери данных в оперативной памяти и Кеш-памяти. Самую простую защиту обеспечивают сетевые фильтры. Они предохраняют компьютер от импульсных выбросов питающего напряжения а также от высокочастотных шумов. Для более надежной работы компьютера при отключении питающего напряжения применяются источники бесперебойного питания типа UPS, имеющие аккумуляторные батареи и преобразователь постоянного тока в переменный. В качестве интерфейса UPS с компьютером используется стандартный СОM-порт или USB.

5.4. 4. Характеристики и конструкция IBM-совместимого персонального компьютера

Центральное ядро компьютера состоит из оперативной памяти, в которой хранятся программы и данные, и центрального процессора, который выполняет программы, записанные в оперативно памяти, и управляет работой всех составных частей компьютера. Все остальные части нужны для связи центрального ядра с внешним миром, и их можно разделить на устройства ввода, устройства вывода и внешние запоминающие устройства.

Самые популярные устройства ввода у персонального компьютера - клавиатура и манипулятор типа мышь (или другие заменяющие его устройства), самые популярные устройства вывода - монитор и принтер. Компьютером, состоящим из центрального ядра, клавиатуры, монитора и принтера, теоретически пользоваться можно, но практически нереально - при каждом выключении забывает все, так как при обесточивании содержимое оперативной памяти стирается. Поэтому используются также внешние запоминающие устройства, которые не теряют информацию при выключении, а также обычно имеют значительно больший объем хранения информации, но меньшую скорость ее записи и считывания.

В начале компьютерного века для хранения информации во внешних запоминающих устройствах использовались в основном механические носители - бумажные ленты или карты, в которых в определенных местах пробивались отверстия. Сейчас в основном используются следующие три типа носителей:

диски с магнитной поверхностью, на которой биты информации кодируются наличием или отсутствием соответствующим образом намагниченного участка;

оптические носители - полупрозрачные пластины, на которых выжжены, выдавлены или «затемнены» «точки», кодирующие биты, считывание происходит оптическим образом, от луча лазера;

перезаписываемая оперативная память - разновидность оперативной памяти, в которой при снятии электропитания содержимое не стирается.

Обычно персональный компьютер состоит из системного блока, к которому подключаются монитор (иногда может быть конструктивно совмещен с системным блоком), клавиатура, мышь, принтеры и другие устройства. Многие устройства, такие, как накопители на гибких или жестких магнитных дисках, CD- и DVD-драйверы, могут быть как внутренними (находящимися внутри системного блока), так и внешними (подключающимися к системному блоку через разъемы). Обычно вариант с внешним подключением более дорогой и медленный, но более гибкий.

Основной и самый большой компонент системного блока PC-совместимых компьютеров -так называемая материнская плата. Она содержит ряд элементов, в том числе обеспечивающих передачу информации от одних устройств к другим, а также ряд гнезд, куда могут вставляться другие компоненты, в том числе: разъемы для подключения электропитания;

одно или несколько гнезд для установки центрального процессора;

гнезда, куда можно вставлять «планки» с оперативной памятью;

одно гнездо для подключения интерфейсного кабеля накопителя на гибких магнитных дисках. Этот интерфейсный кабель выполняется в виде плоского «шлейфа» с одним или

двумя разъемами для подключения накопителей на гибких дисков, поэтому более двух

встроенных накопителей на гибких дисках в одном компьютере быть не может;

два (иногда - больше) гнезда для подключения в аналогичного интерфейсного кабеля

накопителя на жестких магнитных дисках.

Дата добавления: 2014-01-06