Лекция Устройство пк классификация компьютеров
| Вид материала | Лекция |
- Лекция Классификация компьютеров > По каким критериям классифицируют компьютеры?, 230.39kb.
- Лекция 11 Общие принципы организации и работы компьютеров , 109kb.
- Оболочка Norton Commander. Windows и программа, 26.31kb.
- Классификация периферийных устройств, 250.89kb.
- Лекции 7 8, 31.73kb.
- Модем. Классификация модемов. Устройство модема, 975.51kb.
- Назовите первое вычислительное устройство, 70.24kb.
- План-конспект для проведения занятия по тп с л/с дизелистов. Тема : «Устройство и эксплуатация, 55.25kb.
- Лекция №12. Классификация космических снимков Лекция №12. Классификация космических, 229.43kb.
- Лекция №4. Стандартные технологии локальных сетей, 49.96kb.
1 2
Память
Все компьютеры используют три вида памяти: оперативную, постоянную и внешнюю. Оперативная память (ОЗУ — оперативное запоминающее устройство) предназначена для хранения информации, к которой приходится часто обращаться, и обеспечивает режимы ее записи, считывания и хранения. Этот вид памяти называют также памятью с произвольным доступом (Random Access Memory, RAM). По способу хранения информации оперативная память бывает статической и динамической.
Постоянная память (ПЗУ — постоянное запоминающее устройство) обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в ходе выполнения микропроцессором различных программ. Постоянная память имеет также название ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, что обеспечиваются только режимы считывания и хранения. Постоянная память энергонезависима, т. е. может сохранять информацию и при отключенном питании. Все микросхемы постоянной памяти по способу занесения в них информации делятся на масочные, программируемые изготовителем (ROM), однократно программируемые пользователем (Programmable ROM) и многократно программируемые пользователем (Erasable PROM). Последние, в свою очередь, подразделяются на стираемые электрически и с помощью ультрафиолетового облучения. К элементам EPROM с электрическим стиранием информации относятся, например, микросхемы флэш-памяти (flash). От обычных EPROM они отличаются высокой скоростью доступа и быстрым стиранием записанной информации. Данный тип памяти сегодня широко используется для хранения BIOS и другой постоянной информации.
Различные типы оперативной и постоянной памяти можно выстроить в виде определенной иерархии по времени доступа к данным.
Оперативная память — совокупность специальных электронных ячеек, каждая из которых может хранить конкретную 8-значную комбинацию из нулей и единиц — 1 байт (8 бит). Каждая такая ячейка имеет адрес (адрес байта) и содержимое (значение байта). Адрес нужен для обращения к содержимому ячейки, для записи и считывания информации. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) хранит информацию только во время работы компьютера. Емкость оперативной памяти современного компьютера 32-128 Мбайт.
При выполнении микропроцессором вычислительных операций должен быть в любой момент обеспечен доступ к любой ячейке оперативной памяти. Поэтому ее называют памятью с произвольной выборкой — RAM (Random Access Memory). Оперативная память выполнена обычно на микросхемах динамического типа с произвольной выборкой (Dynamic Random Access Memory, DRAM). Каждый бит такой памяти представляется в виде наличия (или отсутствия) заряда на конденсаторе, образованном в структуре полупроводникового кристалла.
Статическая память
Статическая память (SRAM) в современных ПК обычно применяется в качестве кэш-памяти второго уровня для кэширования основного объема ОЗУ. Статическая память выполняется обычно на основе ТТЛ-, КМОП- или БиКМОП-микросхем и по способу доступа к данным может быть как асинхронной, так и синхронной. Асинхронным называется доступ к данным, который можно осуществлять в произвольный момент времени. Асинхронная SRAM применялась на материнских платах для третьего — пятого поколения процессоров. Время доступа к ячейкам такой памяти составляло от 15 нс (33 МГц) до 8 нс (66 МГц).
Синхронная память обеспечивает доступ к данным не в произвольные моменты времени, а синхронно с тактовыми импульсами. В промежутках между ними память может готовить для доступа следующую порцию данных.
Динамическая память.
Динамическая память (DRAM) в современных ПК используется обычно в качестве оперативной памяти общего назначения, а также как память для видеоадаптера. Из применяемых в современных и перспективных ПК типов динамической памяти наиболее известны DRAM и FPM DRAM, EDO DRAM и BEDO DRAM, EDRAM и CDRAM, Synchronous DRAM, DDR SDRAM и SLDRAM, видеопамять MDRAM, VRAM, WRAM и SGRAM, RDRAM.В памяти динамического типа биты представляются в виде отсутствия и наличия заряда на конденсаторе в структуре полупроводникового кристалла. Конструктивно она выполняется в виде модуля SIMM (Single in line memory module). Каждый бит информации записывается в отдельной ячейке памяти, состоящей из конденсатора и транзистора. Наличие заряда на конденсаторе соответствует 1 в двоичном коде, отсутствие — 0. Транзистор при переключении дает возможность считывать бит информации или записывать новый бит в пустую ячейку памяти.
Поиск ячейки по адресу осуществляется специальными дешифрующими схемами, которые образуют матрицу, то есть пересекают кристалл памяти двумя полосами — по горизонтали и вертикали. Когда центральный процессор сообщает адрес ячейки, горизонтальные дешифраторы указывают нужный столбец, а вертикальные — строку. На пересечении находится искомая ячейка. После нахождения ячейки происходит выборка их нее байта данных.
Кэш-память (cache memory) — запоминающее устройство с малым временем доступа (в несколько раз меньшим, чем время доступа к основной оперативной памяти), используемое для временного хранения промежуточных результатов и содержимого часто используемых ячеек.
Вообще кэшированием данных называется размещение данных в области памяти с более быстрым доступом. В качестве житейской аналогии можно привести библиотеку студента, у которого нужные каждый день учебники лежат на рабочем столе, изредка читаемые классики стоят на книжной полке, а старые ненужные тетради сложены в ящиках. В случае необходимости время доступа к этим источникам будет разным, однако и вероятность того, что потребуется учебник или старая тетрадь, тоже разная.
В
мире компьютерной памяти этот принцип применим потому, что более быстрая память обычно стоит существенно дороже более медленной, однако применение малого объема быстрой (но дорогой) кэш-памяти, в комплексе с большим объемом медленной (но дешевой) памяти позволяет создать приемлемое по цене и скорости решение. Применение кэширования особенно эффективно, когда доступ к данным осуществляется преимущественно в последовательном порядке. Тогда после первого запроса на чтение данных, расположенных в медленной (кэшируемой) памяти можно заранее выполнить чтение следующих блоков данных в кэш-память для того, чтобы при следующем запросе на чтение данных почти мгновенно выдать их из кэш-памяти. Такой прием называется упреждающим чтением.
Упреждающее чтение применяется во всех современных жестких дисках, имеющих от 64 до 1024 Кбайт кэш-памяти, выполненной на основе динамической RAM. Считываемые с диска данные с некоторым запасом помещаются в кэш-память диска и определенное время там хранятся. При повторном обращении к тем же данным они считываются уже из кэш-памяти, что происходит в 10-1000 раз быстрее.
Кэширование данных применяется также в процессорах. Внутри кристалла процессора находится малый объем (от 1 до 1024 Кбайт) очень быстрой статической памяти, работающей на частоте процессора. Эта память используется для кэширования существенно более медленной оперативной памяти, выполненной на основе динамической RAM. Таким образом, в различных ситуациях одна и та же память может быть как кэшем, так и кэшируемой памятью.
Чипсетом (chipset) материнской платы называют набор микросхем, управляющий процессором, оперативной памятью и ПЗУ, кэш-памятью, системными шинами и интерфейсами передачи данных, а также рядом периферийных устройств.
Чипсеты конструктивно привязаны к типу используемого процессора, причем за время жизненного цикла процессора успевает смениться несколько поколений чипсетов для него, причем первые чипсеты позволяют использовать преимущества нового процессора лишь отчасти, а последние позволяют выжать из процессора максимальную производительность и использовать широкий спектр процессоров.
BIOS (Basic Input Output System — базовая система ввода-вывода) — часть программного обеспечения микрокомпьютеров, поддерживающая управление адаптерами внешних устройств, тестирование и начальную загрузку компьютера.
BIOS можно рассматривать и как составную часть аппаратных средств, и как один из программных модулей операционной системы. BIOS встроена в ПК и содержит программы управления клавиатурой, видеокартой, дисками, портами и другими устройствами до загрузки какой-либо операционной системы.
BIOS также содержит программу тестирования при включении питания компьютера (POST, Power On Self Test) и программу начального загрузчика. Большинство современных видеоадаптеров, а также многие SCSI-контроллеры имеют собственную BIOS, которая обычно дополняет системную. В общем BIOS можно рассматривать как связующее звено между конкретными особенностями реализации аппаратуры в ПК и стандартными требованиями операционной системы.
Система BIOS в современных компьютерах реализована в виде микросхемы ПЗУ (ROM), установленной на системной плате компьютера. Для хранения ROM BIOS в материнских платах для пятого и более поздних поколений процессоров применяются электрически перепрограммируемые запоминающие устройства (EEPROM или Flash EEPROM), в более старых платах или в видеокартах — устройства с ультрафиолетовым стиранием (EPROM). Такие элементы BIOS называют Flash-BIOS. Теперь пользователь может оперативно обновлять BIOS, загружая новейшую версию из Интернета или с дискеты. Многие современные материнские платы комплектуются двумя микросхемами BIOS, что позволяет хранить в них различные настройки и повышает надежность системы.
Под не совсем точным термином CMOS RAM (Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS или КМОП) понимается энергонезависимая память, в которой хранится информация о текущей дате, показаниях часов, конфигурации компьютера (количестве оперативной памяти, типах накопителей). Неточность термина в том, что КМОП — это не название устройства, а всего лишь технология изготовления микросхемы (это напоминает распространенную ошибку:... радиостанция FM-диапазона...», в то время, как FM — это способ модуляции сигнала, никак не связанный с диапазоном). Поэтому в документации часто употребляются также термины EEPROM или non-volatile RAM.
В системе BIOS имеется программа Setup, которая может изменять содержимое CMOS-памяти, то есть задавать параметры конфигурации системы. Вызывается эта программа определенной комбинацией клавиш: Del — для AWARD BIOS и Ins или F2 — для некоторых версий AMI BIOS. Вообще, при начальной загрузке на экране, как правило, пишется название клавиши, которую следует нажать для запуска программы Setup.
При загрузке и выполнении контроля оборудования BIOS подает на динамик компьютера звуки, по которым можно диагностировать проблему. Если все в порядке, то подается длинный гудок; если неисправна видеокарта — то 1 длинный и 2 коротких гудка; если неисправна память — то повторяющиеся короткие гудки. Более подробно эти коды расписаны в руководстве к материнской плате. Если неисправен процессор, то никаких гудков не будет, поскольку программа POST выполняется именно процессором.
Системную шину можно упрощенно представить как совокупность сигнальных линий, объединенных по их назначению (данные, адреса, управление), которые также имеют вполне определенные электрические характеристики и протоколы передачи информации. Основной обязанностью системной шины является передача информации между процессором (или процессорами) и остальными электронными компонентами компьютера. По этой шине осуществляется не только передача информации, но и адресация устройств, а также происходит обмен специальными служебными сигналами. Используемые в настоящее время шины отличаются по разрядности, способу передачи сигнала (последовательные или параллельные), пропускной способности, количеству и типу поддерживаемых устройств, а также протоколу работы. Как правило, шины ПК можно представить в виде некой иерархической структуры — шинной архитектуры. Особенностью современных ПК является наличие шины ISA, унаследованной от самых первых моделей IBM PC. Кроме нее, в ПК применяются шины EISA, MCA, VLB, PCI, PCMCIA (CardBus) и AGP.
Шины могут быть синхронными (осуществляющими передачу данных только по тактовым импульсам) и асинхронными (осуществляющими передачу данных в произвольные моменты времени), а также использовать различные схемы арбитража (то есть способа совместного использования шины несколькими устройствами).
Е
сли обмен информацией ведется между периферийным устройством и контроллером, то соединяющая их линия передачи данных называется интерфейсом передачи данных, или просто интерфейсом. Среди применяемых в современных и перспективных ПК интерфейсов можно отметить EIDE, SCSI, SSA и Fibre Channel, USB, FireWire (IEEE 1394) и DeviceBay.
Среди интерфейсов передачи данных особняком стоят порты ввода/вывода, использующиеся для подключения низкоскоростных периферийных устройств: последовательный порт (COM), параллельный порт (LPT), игровой порт/MIDI порт и инфракрасный порт (IrDA).
Параллельный порт (LPT) в IBM PC-совместимом компьютере чаще всего используется для подключения принтера, поэтому его называют также портом принтера. Персональный компьютер работает максимум с тремя параллельными портами, которые имеют логические имена LPT1, LPT2 и LPT3. Подсоединение кабеля к адаптеру параллельного интерфейса производится через 25-контактный разъем типа DB-Shell (DB-25), а со стороны принтера используется специальный 36-контактный разъем типа Centronics. Поскольку частота передаваемых сигналов может достигать десятков кГц, длина таких кабелей обычно не превышает трех метров. Известно несколько модификаций параллельных скоростных интерфейсов, например EPP (Enhanced Parallel Port) и ECP (Extended Capabilities Port). Эти интерфейсы обеспечивают скорость до 2-5 Мбайт/с и поддерживают двустороннюю передачу данных. В настоящее время обе модификации объединены в одном стандарте IEEE 1284.
Последовательный интерфейс используется для большинства периферийных устройств, таких как плоттер, удаленный принтер, мышь, внешний модем. До настоящего времени для последовательной связи IBM PC-совместимых компьютеров используются адаптеры с интерфейсом RS-232С (новое название EIA-232D). В современном IBM PC-совместимом компьютере может использоваться до четырех последовательных портов, имеющих логические имена соответственно COM1, COM2, COM3 и COM4. Основой последовательного адаптера является микросхема UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) — универсальный асинхронный приемопередатчик. Обычно используется микросхема UART 16550A. Она имеет 16-символьный буфер на прием и на передачу и, кроме того, может использовать несколько каналов прямого доступа в память DMA. При передаче микросхема UART преобразует параллельный код в последовательный и передает его побитно в линию, обрамляя исходную последовательность битами старта, останова и контроля. При приеме данных UART преобразует последовательный код в параллельный (разумеется, опуская служебные символы). Непременным условием правильной передачи (приема) является одинаковая скорость работы приемного и передающего UART, что обеспечивается стабильной частотой кварцевого резонатора. Основным преимуществом последовательной передачи является возможность пересылки данных на большие расстояния, как правило, не менее 30 метров. В IBM PC-совместимых персональных компьютерах из 25 сигналов, предусмотренных стандартом RS-232, используются в соответствии с EIA только 9; таким образом, в данном интерфейсе применяются как 25-, так и 9-контактные разъемы типа DB-Shell.
В спецификации PC99 (см. Настольный ПК) подчеркивается, что единственным устройством, использующим последовательный и параллельный порты, в новых ПК может быть только принтер. Остальные устройства должны использовать шины FireWire или USB.
Универсальная последовательная шина USB (Universal Serial Bus) по спецификации РС97 является обязательным элементом современного ПК. Она должна постепенно заменить все ранее существовавшие интерфейсы для подключения перефирийных устройств ( параллельный и последовательный п
орты, разъемы PS/2 для мыши и клавиатуры, интерфейс SCSI).
Стандарт USB был разработан в 1995 году консорциусом компаний Compaq, DEC, IBM, Microsoft, NEC, Northern Telecom, и летом 1996 года на рынке появились первые компьютеры с портами USB. Шина USB представляет собой последовательный интерфейс передачи данных для средне- и низкоскоростных периферийных устройств (для устройств, требующих более высокой скорости обмена предлагается шина FireWire). Шина USB рассчитана на подключение до 127 устройств, при этом поддерживается их автоопределение Plug-n-play, а также так называемое «горячее» подключение, то есть подключение к работающему компьютеру без его перезагрузки. Скорость передачи данных по USB составляет 12 Мбит/с (т. е. не более 1,5 Мбайт/с), причем для медленных устройств выделен подканал на 1,5 Мбит/с. В качестве кабеля используется витая пара. Длина сегмента USB может достигать 5 метров.
Устройства USB бывают двух видов: концентратор (hub) для подключения других устройств и обычное устройство. Концентраторы могут быть отдельными устройствами или (что встречается чаще) частью других устройств с автономным питанием, например, мониторов.
С интерфейсом USB выпускаются модемы, клавиатуры, мыши, CD-ROM, джойстики, ленточные и дисковые накопители, сканеры и принтеры, цифровые камеры, мониторы (не для передачи сигнала, а для управления настройками монитора) и другие устройства. В компьютере Apple iMac, например, шина USB служит единственным интерфейсом для подключения медленных периферийных устройств.
Поддержка USB на уровне материнских плат реализована во всех современных ПК на базе пятого и шестого поколения процессоров x86, однако поддержка со стороны BIOS и операционной системы в полном объеме реализована только в Windows 98 и Windows NT 5.0. В октябре 1999 года был согласован предварительный вариант стандарта USB 2.0, предусматривающий скорость обмена данных 360-480 Мбит/с.
Для связи портативных компьютеров с настольными, а также для подключения к ним лазерных принтеров используется беспроводный интерфейс, работающий в инфракрасном диапазоне. Принцип работы инфракрасного порта довольно прост: светодиод (LED), работающий в инфракрасном диапазоне, излучает последовательность импульсов, которую принимает соответствующий фотодиод и затем преобразует обратно в электрические сигналы. Подобная связь имеет ряд преимуществ: низкую цену, невысокое энергопотребление и отсутствие вредных высокочастотных излучений.
Интерфейс SCSI был разработан в конце 1970-х годов организацией Shugart Associates. Первоначально известный под названием SASI (Shugart Associates System Interface), он после стандартизации в 1986 году уже под именем SCSI (читается «скази») стал одним из промышленных стандартов для подключения периферийных устройств — винчестеров, стримеров, сменных жестких и магнитооптических дисков, сканеров, CD-ROM и CD-R, DVD-ROM и т. п.
Интерфейс SCSI является параллельным. К шине одновременно может быть подключено до восьми устройств, включая основной контроллер SCSI (или хост-адаптер). Контроллер SCSI является по сути самостоятельным процессором и имеет свою собственную BIOS (которая иногда может размещаться в BIOS материнской платы). Он выполняет все операции по обслуживанию и управлению шиной SCSI, освобождая от этого центральный процессор.
Физически интерфейс SCSI представляет собой плоский кабель с 25- или 50-контактными разъемами для подключения периферийных устройств. Шина SCSI содержит восемь линий данных, сопровождаемых линией контроля четности, и девять управляющих линий. Стандарт SCSI определяет два способа передачи сигналов — однополярный, или асимметричный (Single ended) и дифференциальный (Differential). В первом случае имеется один провод с нулевым потенциалом («земля»), относительно которого передаются сигналы по линиям данных с уровнями сигналов, соответствующим ТТЛ-логике. При дифференциальной передаче сигнала для каждой линии данных выделено два провода, и сигнал на этой линии получается вычитанием потенциалов на их выходах. При этом достигается гораздо лучшая помехозащищенность, что позволяет увеличить длину кабеля.
Для интерфейса SCSI необходимо наличие терминаторов — согласующих сопротивлений, которые поглощают сигналы на концах кабеля и препятствуют образованию эха. Для интерфейса SCSI вообще характерна высокая чувствительность к качеству изготовления кабелей и к их длине, которая может быть различной в зависимости от версии интерфейса.
Программное обеспечение для интерфейса SCSI не оперирует физическими характеристиками накопителя (то есть числом цилиндров, головок и т. д.), а имеет дело только с логическими блоками данных, поэтому в одной SCSI-цепочке с легкостью уживаются, например, сканер, жесткий диск и накопитель CD-R.
Опрос устройств производится контроллером SCSI сразу после включения питания. При этом для устройств SCSI реализовано автоконфигурирование устройств (Plug-n-play) по протоколу SCAM (SCSI Configured AutoMagically), в котором значения SCSI ID выделяются автоматически. Для стандартизированного управления SCSI-устройствами наиболее широко применяется программный интерфейс ASPI (Advanced SCSI Programming Interface).
Существует более десятка различных версий интерфейса SCSI. Наиболее существенные из них — SCSI-1, Fast SCSI, Fast Wide SCSI, Ultra SCSI, Ultra 2 SCSI.
Спецификация шины PCI (Revision 1.0) была представлена компанией Intel в июне 1992 года как процессорно-независимая шина. Учитывая опыт эксплуатации шины VL-bus (см. Шина VESA), разработчики PCI отказались от использования шины процессора и ввели еще одну «мезанинную» (mezzanine) шину. Благодаря этому шина может работать параллельно с шиной процессора (например, процессор работает оперативной памятью, а в это время по шине PCI идет обмен данными с видеоадаптером или жестким диском). Важным фактором, способствовавшим широкому распространению PCI, стало то, что компания Intel объявила стандарт шины PCI открытым и передала его некоммерческой организации PCI SIG (PCI Special Interest Group), которая начала вести все работы по его поддержке и дальнейшему развитию.
Шина PCI является синхронной 32- или 64-разрядной шиной, работающей на частоте 33 или 66 МГц. В современных ПК пока используется 32-разрядная 33 МГц шина PCI, хотя есть и исключения: наборы микросхем для ПК Micron Samurai и Intel 450NX AGPSet поддерживают 64-разрядную шину, в рабочих станциях Digital и Sun также используется 64-разрядная шина PCI. Для уменьшения числа контактов в PCI применено мультиплексирование (передача адреса и данных по одним и тем же линиям в разные моменты времени). PCI позволяет использовать платы с напряжением питания 5 и 3,3 В. Шина поддерживает несколько арбитров шины (multiply bus master). При передаче данных поддерживается кэширование и блочная передача. Шина PCI поддерживает автоматическое определение и конфигурирование плат расширения (Plug-n-play). Спецификация PCI позволяет создавать на одной плате многофункциональные устройства с числом функций до восьми (например, модем, звук, сетевой интерфейс и т. п.).
Шина PCI в настольном конструктиве имеет 4 124/188-контактных разъема (32/64-разрядная версия) или 8 разъемов в конструктиве CompactPCI, применяемом в промышленных и военных компьютерах. Если необходимо большее количество разъемов, то применяются микросхемы моста PCI-PCI (при этом пропускная способность шины уменьшается). Максимально возможная скорость передачи данных по шине PCI составляет от 132 Мбайт/с для 32-бит/33 МГц до 528 Мбайт/с для 64-бит/66 МГц реализаций шины.
Видеоадаптер (синоним — видеокарта) предназначен для хранения видеоинформации и ее отображения на экране монитора. Он непосредственно управляет монитором, а также процессом вывода информации на экран с помощью изменения сигналов строчной и кадровой развертки ЭЛТ монитора, яркости элементов изображения и параметров смешения цветов. Основными узлами современного видеоадаптера являются собственно видеоконтроллер, видео BIOS, видеопамять, специальный цифроаналоговый преобразователь RAMDAC (Random Access Memory Digital to Analog Converter), кварцевый генератор (один или несколько) и микросхемы интерфейса с системной шиной (ISA, VLB, PCI, AGP или другой). Важным элементом видеоподсистемы является собственная память. Для этой цели используется память видеоадаптера, которая часто также называется видеопамятью, или фрейм-буфером, или же часть оперативной памяти ПК (в архитектуре с разделяемой памятью UMA).
Все современные видеоподсистемы могут работать в одном из двух основных видеорежимов: текстовом или графическом. В текстовом режиме экран монитора разбивается на отдельные символьные позиции, в каждой из которых одновременно может выводиться только один символ. Для преобразования кодов символов, хранимых в видеопамяти адаптера, в точечные изображения на экране служит так называемый знакогенератор, который обычно представляет собой ПЗУ, где хранятся изображения символов, «разложенные» по строкам. При получении кода символа знакогенератор формирует на своем выходе соответствующий двоичный код, который затем преобразуется в видеосигнал. Текстовый режим в современных операционных системах используется только на этапе начальной загрузки.
В графическом режиме для каждой точки изображения, называемой пикселом, отводится от одного (монохромный режим) до 32-бит (цветной). Графический режим часто называют режимом с адресацией всех точек (All Points Addresable), поскольку только в этом случае имеется доступ к каждой точке изображения. Максимальное разрешение и количество воспроизводимых цветов конкретной видеоподсистемы в первую очередь зависят от общего объема видеопамяти и количества бит, приходящихся на один элемент изображения. Существует несколько стандартов видеокарт.
За время существования IBM PC-совместимых персональных компьютеров сменилось несколько поколений видеоадаптеров и связанных с ними стандартов представления изображения. Основным параметром в этих стандартах является разрешение (количество символов, или пикселов по горизонтали и вертикали), количество одновременно отображаемых на экране цветов и частота кадровой развертки (которая представляет собой частоту перерисовки изображения на экране монитора, выполняемую устройством развертки).
Накопители.
Для хранения программ и данных в персональных компьютерах используют различного рода накопители, общая емкость которых, как правило, в сотни раз превосходит емкость оперативной памяти. По отношению к компьютеру накопители могут быть внешними и встраиваемыми (внутренними). Внешние накопители имеют собственный корпус и источник питания, что экономит пространство внутри корпуса компьютера и уменьшает нагрузку на его блок питания. Встраиваемые накопители крепятся в специальных монтажных отсеках (drive bays), что позволяет создавать компактные системы, которые совмещают в системном блоке все необходимые устройства. Сам накопитель можно рассматривать как совокупность носителя и соответствующего привода. Различают накопители со сменными и несменными носителями.
Ниже перечислены наиболее распространенные устройства хранения информации.
Винчестеры (hard discs)
Жесткие диски -- наиболее быстрые из внешних устройств хранения информации. Кроме того, информация, хранящаяся на винчестере, может быть считана с него в произвольном порядке (диск -- устройство с произвольным доступом).
Емкость диска современного персонального компьютера составляет десятки гигабайт. В одной ЭВМ может быть установлено несколько винчестеров.
Оптические диски (cdroms)
Лазерные диски, как их еще называют, имеют емкость до 750 мегабайт и обеспечивают только считывание записанной на них однажды информации в режиме произвольного доступа. Скорость считывания информации определяется устройством, в которое вставляется компакт-диск (cdrom drive).
Магнито-оптические диски
В отличие от оптических дисков магнито-оптические диски позволяют не только читать, но и записывать информацию.
Флоппи диски (floppy discs)
В основе этих устройств хранения лежит гибкий магнитный диск, помещенный в твердую оболочку. Для того чтобы прочитать информацию, хранящуюся на дискете, ее необходимо вставить в дисковод (floppy disc drive) компьютера. Емкость современных дискет всего 1.44 мегабайта. По способу доступа дискета подобна винчестеру.
Zip and Jaz Iomega discs
Это относительно новые носители информации, которые призваны заменить гибкие магнитные диски. Их можно рассматривать, как быстрые и большие по емкости (100 мегабайт -- Zip, 1 гигабайт -- Jaz) дискеты.
Магнитные ленты (magnetic tapes)
Современные магнитные ленты, хранящие большие объемы информации (до нескольких гигабайт), внешне напоминают обычные магнитофонные кассеты и характеризуются строго последовательным доступом к содержащейся на них информации
Жесткий диск.
Жесткий диск (винчестер), устройство для постоянного хранения информации, используемой при работе с компьютером. Свое название «жесткий» получил в отличие от носителей информации на гибких магнитных лентах и дисках.
Принципы современной технологии изготовления жесткого диска были разработаны в 1973 американской фирмой Ай-Би-Эм (IBM). Новое устройство, которое могло хранить до 16 килобайт информации, имело 30 цилиндров (дорожек) для записи, каждый из которых был разбит на 30 секторов. Поэтому оно получило название 30/30. Известные винтовки винчестер имеют калибр 30/30, поэтому жесткие диски тоже стали называться «винчестерами». Кроме того, разрабатывался жесткий диск в американском городе Винчестере.
Как правило, жесткий диск несъемный, но существуют модели съемных (removable) винчестеров. Жесткий диск смонтирован на оси-шпинделе, который приводится в движение специальным двигателем. Он содержит от одного до десяти дисков (platters). Скорость вращения двигателя для обычных моделей может составлять 3600, 4500, 5400, 7200, 10000, 12000 об/мин. Сами диски представляют собой обработанные с высокой точностью керамические или алюминиевые пластины с магнитным покрытием — тонким слоем окиси железа (в более ранних моделях) или окиси хрома (в более поздних моделях). Каждый диск (platter) разбит на последовательно расположенные дорожки-секторы, соответствующие зонам остаточной намагниченности, созданной головками. Объем памяти сектора равен 512 байтам.
Головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками первоначально были заключены в герметически закрытый корпус, называемый модулем данных. При установке этого модуля на дисковод он автоматически соединялся с системой, подающей очищенный воздух. В современных винчестерах пакет дисков уже постоянно крепится на дисководе, система не герметична, а принудительная вентиляция отсутствует. Толщина воздушной подушки, создаваемой аэродинамикой вращающегося диска и формой головки, гораздо тоньше человеческого волоса.
Важнейшей частью винчестера являются головки чтения и записи (read-write head). Как правило, они находятся на специальном позиционере (head actuator). Для перемещения позиционера используются преимущественно линейные двигатели (типа voice coil — «звуковая катушка»). В винчестерах применяется несколько типов головок: монолитные, композитные, тонкопленочные, магниторезистивные (MR, Magneto-Resistive), а также головки с сильным магниторезистивным эффектом (GMR, Giant Magneto-Resistive).
Магниторезистивная головка, разработанная IBM в начале 1990-х годов, представляет собой комбинацию из двух головок: тонкопленочной для записи и магниторезистивной для чтения. Подобные головки позволяют почти в полтора раза увеличить плотность записи. Еще больше позволяют повысить плотность записи GMR-головки. Головки не касаются поверхностей дисков, а перемещаются над ними на расстоянии долей микрона.
Внутри любого винчестера обязательно находится электронная плата, которая расшифровывает команды контроллера жесткого диска, стабилизирует скорость вращения двигателя, генерирует сигналы для головок записи и усиливает их от головок чтения. Под пакетом дисков со шпинделем размещается двигатель. В более ранних моделях винчестеров для привода позиционеров применялся шаговый двигатель, поэтому расстояние между дорожками определялось величиной его шага. В современных моделях используется линейный двигатель, который не имеет дискретности, характерной для шагового двигателя. Поэтому наведение магнитных головок на дорожку производится точнее, что обеспечивает большую плотность записи на дисках.
В ходе выполнения процедуры так называемого низкоуровневого форматирования (low-level formatting) на жесткий диск записывается информация, которая определяет разметку винчестера на цилиндры и секторы. Структура формата включает в себя различную служебную информацию: байты синхронизации, идентификационные заголовки, байты контроля четности. В современных винчестерах такая информация записывается однократно при изготовлении винчестера. Повреждение этой информации при самостоятельном низкоуровневом форматировании чревато полной неработоспособностью диска и необходимостью восстановления этой информации в заводских условиях.
Емкость винчестера измеряется в мегабайтах. К концу 1990-х годов средняя емкость жестких дисков для настольных систем достигла 15 гигабайт, а в серверах и рабочих станциях с интерфейсом SCSI применяются винчестеры емкостью свыше 50 гигабайт. В большинстве современных персональных компьютеров применяются жесткие диски емкостью от 10 до 100 гигабайт. Фирма IBM освоила выпуск самого маленького в мире жесткого диска, предназначенного для ручных компьютеров и цифровых фотоаппаратов. Его диаметр 25 мм, а объем памяти 340 Мбайт.
Гибкий диск.
В приводе флоппи-диска (гибкого диска, или просто дискеты) имеются два двигателя: один обеспечивает стабильную скорость вращения вставленной в накопитель дискеты, а второй перемещает головки записи-чтения. Скорость вращения первого двигателя зависит от типа дискеты и составляет от 300 до 360 об/мин. Двигатель для перемещения головок в этих приводах всегда шаговый. С его помощью головки перемещаются по радиусу от края диска к его центру дискретными интервалами. В отличие от привода винчестера головки в данном устройстве не «парят» над поверхностью флоппи-диска, а касаются ее. Работой всех узлов привода управляет соответствующий контроллер.
С
тандартным интерфейсом для всех приводов в IBM-совместимых компьютерах является SA-400 (Shugart Associates), контроллер которого соединен с накопителями посредством 34-контактного кабеля. На приводе дисков с форм-фактором 5,25 дюйма используется «ножевой» (печатный) разъем, а на приводе дисков 3,5 дюйма — обычный штырьковый разъем-вилка. Для подключения разных типов дисководов предназначены обычно комбинированные кабели с четырьмя разъемами, включенными попарно. На обычном интерфейсном кабеле для крайнего разъема проводники на контактах с 10-го по 16-й перекручены. При использовании «прямого» кабеля надо обязательно изменить установку перемычек на приводе, определяющих его номер (DS1-DS4). Некоторые BIOS компьютеров позволяют программно изменять назначение физического адреса: «первый» (A:) и «второй» (B:) привод. В отличие от винчестеров, для флоппи-дисководов порядок накопителя (A: или B:) определяется именно положением устройства на кабеле.Для каждого из типоразмеров дискет (5,25 или 3,5 дюйма) существуют свои специальные приводы соответствующего форм-фактора.
Первый образец дискеты был создан IBM в 1967 году. Она была диаметром 8 дюймов, имела емкость 100 Кбайт и получила название Flexible disk, то есть гибкий диск. Название флоппи-диск она получила позднее от английского слова flop, что означает «хлопать крыльями». Первый образец дискеты представлял собой круглую пластину с центральным, усиленным по краям отверстием. Конверт дискеты имел отверстия для шпинделя, который вращал носитель, прорезь для головок и оптопары для считывания индекса.
В 1976 году размер гибкого диска уменьшили до 5,25 дюйма и тогда появилось название уменьшительное название diskette — дискета. Сначала ее объем составлял 180 Кбайт, затем он вырос до 360 Кбайт и 1,2 Мбайт. Недостатком гибкого диска была слабая защита от механических повреждений.
В 1980 году Sony разработала дискету и дисковод на 3,5 дюйма. Носитель в ней был помещен в сплошной корпус из твердого пластика. Единственное отверстие для доступа головок к носителю было прикрыто металлической шторкой с возвратной пружиной. С этого времени дискета перестала быть гибкой.
В настоящее время дискеты используются как самое дешевое средство резервного копирования (объемом информации не более 10 Мбайт), а также для переноса данных с одного ПК на другие, в том числе с портативных на стационарные ПК.
Дискеты каждого типоразмера (5,25 и 3,5 дюйма) бывают обычно двусторонними (Double Sided, DS), односторонние давно стали анахронизмом. Плотность записи может быть различной: одинарной (Single Density, SD), двойной (Double Density, DD) и высокой (High Density, HD). Поскольку об одинарной плотности уже мало кто вспоминает, такую классификацию обычно упрощают, говоря только о двусторонних дискетах двойной плотности (DS/DD, емкость 360 или 720 Кбайт) и двусторонних дискетах высокой плотности (DS/HD, емкость 1,2, 1,44 или 2,88 Мбайта).
Дискеты бывают форматированные и неформатированные. Хотя форматированные в заводских условиях дискеты немного дороже неформатированных, пользователю не придется тратить время на их форматирование, а кроме того, они прошли дополнительное тестирование. Наиболее распространены 3,5-дюймовые дискеты. Их магнитный диск помещен в прочный пластмассовый корпус. Зона контакта магнитных головок с поверхностью диска закрыта специальной шторкой (задвижкой), отодвигаемой только внутри накопителя. Скорость чтения/записи для 3,5-дюймового дисковода составляет около 63 Кбайт/с, среднее время поиска — порядка 80 мс. На диске располагается 80 дорожек (хотя некоторые программы форматирования позволяют использовать технологические дорожки 80, 81 и 82 для повышения емкости диска).
В конце 1980-х годов фирма Toshiba за счет улучшения технологии производства и способов записи сумела повысить емкость дискеты до 2,88 Мбайт. Однако этот формат не прижился, и вплоть до конца 20 века, подавляющее большинство дискет имели емкомсть 1,44 Мбайт.
Как и любой другой магнитный дисковый носитель, гибкий диск дискеты разбит на концетрически расположенные дорожки, которые, в свою очередь, разьиты на секторы. Перемещение головки для доступа к различным дорожкам осуществляется при помощи специального привода позиционирования головки, который перемещает в радиальном направлении блок магнитных головок от одной дорожки к другой. Нумерация дорожек начинается с 0, а секторов с 1. Эта система впоследствии перешла на жесткие диски.
Принцип записи информации на дискету — такой же, как и в магнитофоне, при непосредственном механическом контакте головки с магнитным слоем, нанесенным на искусственную пленку. Однако в отличие от магнитофона запись здесь осуществляется без высокочастотного подмагничивания, а путем перемагничивания материала носителя до насыщения. Общие принципы принципы конструкции блока головок для считывания и записи информации с течением времени почти не изменились. Их особенность заключается в наличии двух головок стирания, расположенных по бокам сзади от головки записи/воспроизведения (так называемое туннельное стирание).
Компакт диск.
Компакт-диск — носитель информации в числовом виде, записанной на оптический (лазерный) диск. Наибольшее распространение получили компакт-диски для записи звука (аудиодиски) и компьютерные компакт-диски (CD-ROM, Compact Disk Read Only Memory — память на компакт-диске только для чтения). Технология оптического диска была разработана и продемонстрирована фирмой Philips в 1979 году.
Оптический компакт-диск состоит из прочной, прозрачной основы (поликарбонатной или полихлорвиниловой), отражающего и защитных слоев. В качестве отражающей поверхности обычно используется слой напыленного алюминия. Цифровая информация представляется на отражающей поверхности чередованием впадин (неотражающих пятен) и отражающих свет участков.
Компакт-диск имеет всего одну физическую дорожку в форме непрерывной спирали, идущей от наружного диаметра диска к внутреннему. Считывание информации с компакт-диска происходит при помощи лазерного луча, который, попадая на отражающий свет участок, отклоняется на фотодетектор, интерпретирующий сигнал как двоичную единицу. Луч лазера, попадающий во впадину, не отражается и фотодетектор фиксирует двоичный ноль.
Компьтерные компакт-диски содержат до 640 мегабайт информации, что достаточно для записи больших программных комплексов, игр, мультимедиа-программ. Большинство компьютерных компакт-дисков, как и все аудио-диски предназначены только для чтения информации. Запись данных на компакт-диски осуществляется при их изготовлении в заводских условиях. Но существуют специальные компакт-диски на которых можно записать (CD-R) и перезаписать информацию (CD-RW).
Информацию с компьютерных компакт-дисков считывает дисковод компакт-дисков. Современные персональные компьютеры непременно имеют привод компакт-дисков и при наличии звуковой карты могут проигрывать аудиодиски. Материнские платы нового поколения поддерживают загрузку компьютера с CD-ROM, что бывает удобно при установке новой операционной системы или при проверке компьютера на наличие вирусов.
В конце 1990-х годов появились компакт-диски нового поколения — DVD (Digital Versatile Disc — цифровой многоцелевой диск) с большой емкостью, которые применяются для записи полнометражных фильмов, звука сверхвысокого качества и мультимедийных компьютерных программ. Существуют несколько вариантов DVD, отличающихся по емкости: односторонние, двусторонние, однослойные и двухслойные. Односторонние однослойные DVD-диски имеют емкость 4,7 Гбайт информации, двухслойные — 8,5 Гбайт, двухсторонние однослойные вмещают 9,4 Гбайт, двухсторонние двухслойные — 17 Гбайт. Луч лазера в обычном приводе CD-ROM имеет длину волны 780 нм, а в устройствах DVD — от 635-до 650 нм, благодаря чему плотность записи существенно возросла.
CD-RW
В настоящее время массовому пользователю стали доступны приводы CD-ROM с возможностью записи (CD-R) и перезаписи (CD-RW) информации. Благодаря невысокой цене привода и чистых носителей для однократной записи, эти устройства стали широко применяться для архивирования данных, резервного копирования, хранения больших объемов информации и т. п. Привод CD-R (раньше применялось название WORM, Write Once — Read Many) позволяет также создать (или скопировать) аудиодиск, который можно будет воспроизводить на любой бытовой аудиоаппаратуре. Это позволяет, например, самостоятельно создавать диски со сборниками композиций любимых исполнителей без потери качества при переписи, поскольку запись осуществляется в цифровом виде.
Носители на CD с однократной записью обладают очень высокой надежностью. Срок хранения чистого диска до записи составляет от 5 до 10 лет, а записанный диск может храниться по разным оценкам от 70 до 200 лет. Стандартный объем диска составляет 74 минуты (при записи аудиоданных), или 650 Мбайт. Существуют диски диаметром 120 мм и емкостью 63 и 74 минуты, и с диаметром 80 мм и емкостью 18 и 21 минута. Важным достоинством CD-R дисков является возможность их чтения на любом приводе CD-ROM.