Geum.ru

Машинная программа. 9 Классификация вычислительных устройств. 11 Основные устройства компьютера, его архитектура. 13

Вид материалаПрограмма
1.5. Основные устройства компьютера, его архитектура.
1.5.1. Оперативная память.
1.5.2. Центральный процессор.
1.5.3. Системные шины.
1.5.5. Устройства ввода информации.
1.5.6. Внешние запоминающие устройства.
1.5.7. Устройства вывода информации.
1.5.8. Некоторые другие устройства.
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   35

1.5. Основные устройства компьютера, его архитектура.


Рассмотрим более детально, из каких устройств состоит компьютер и как эти устройства взаимодействуют друг с другом. Для нашего рассмотрения наиболее интересен вопрос устройства миникомпьютеров: персональных компьютеров, серверов, рабочих станций, ноутбуков. Современные компьютеры конструируются на основе идеологии открытых систем. Согласно этой идеологии отдельные устройства, составляющие компьютер, достаточно независимы друг от друга, могут иметь различную конструкцию и выпускаться различными фирмами. Однако они должны удовлетворять строгим предписаниям, касающимся взаимодействия друг сдругом. Эти предписания относятся как к техническим характеристикам устройств (например, величина напряжения на выходных контактах, форма и количество контактов в разъеме), так и содержания сигналов, которыми обмениваются устройства компьютера. Те компоненты устройства, назначением которых является взаимодействие с другими устройствами, называются его интерфейсом, а те правила, которым интерфейс обязан удовлетворять, называются протоколами.

Для устройств одинакового предназначения может существовать несколько протоколов. В этом случае можно объединять в одно целое только те устройства, которые работают по одинаковым протоколам. Например, очевидно, что в корпус компьютера можно вставить только те детали, которые подходят по размерам к специальным креплениям. Менее очевидны протоколы, относящиеся к синтаксису построения сигналов, которыми обмениваются устройства между собой. Большинство современных устройств могут работать с несколькими информационными протоколами.

Между собой все устройства компьютера соединяются шинами. (Более точно говорить о каналах связи, так как существуют и беспроводные соединения). В миникомпьютерах обычно все внешние устройства подсоединены к единому каналу связи, который называется общей шиной. Если ограничиться персональным компьютером, то в его состав могут входить устройства ручного ввода – клавиатура и мышь, устройство графического ввода – сканер, устройства вывода – монитор, принтер, графопостроитель (плоттер), внешние накопители информации – жесткий диск (винчестер), дисковод для гибкого диска (флоппи-диска), CD-ROM, звуковые колонки, сетевой выход. В более мощных компьютерах используются специализированные внешние устройства.

Фактически устройства компьютера подключены к шине не непосредственно, а через промежуточные устройства, которые называются контроллерами или адаптерами. Использование контроллеров и адаптеров вызывается двумя обстоятельствами. Во-первых, характеристики сигналов в каналах связи отдельного устройства компьютера и в общей шине различны, и поэтому необходимо преобразование сигнала из одного вида в другой. Во-вторых, контроллер берет на себя некоторые стандартные операции процесса обмена информацией (такие, как опрос готовности устройства или контроль правильности передачи), освобождая от этих функций центральный процессор. Фактически контроллеры и адаптеры имеют свой процессор (который зачастую можно даже программировать) и представляют собой самостоятельный компьютер в миниатюре.

Выше уже было сказано, что весь комплекс средств, предназначенных для обеспечения связи конкретного устройства компьютера с другими устройствами, назывыается интерфейсом. Интерфейс включает в себя и соединительные каналы, и контроллеры или адаптеры, и алгоритмы, обеспечивающие управление устройством. От характеристик интерфейса зависит быстродействие и надежность устройства. Интерфейс стандартизирован согласно протоколам, описывающим устройства такого функционального предназначения. Стандартизация касается как технических параметров устройства, так и команд управления устройством. Схемы управления обычно помещаются внутри устройства.

Тип интерфейса, в котором общая шина используется всеми устройствами, подключенными к ней, на основе разделения времени, называется односвязным. При многосвязном интерфейсе одно устройство связывается с другими устройствами по нескольким независимым магистралям. Многосвязный интерфейс характеризуется тем, что каждое устройство снабжается одной выходной магистралью для выдачи информации и несколькими входными для приема информации от других устройств. Многосвязный интерфейс используется в больших и супербольших компьютерах. При неисправности какой - либо входной шины или сопряженных с ней согласующих устройств, оказывается отключенным только одно периферийное устройство. Интерфейс автоматически определяет неисправное ПУ и выбирает исправные и незанятые магистрали. Процессор в зависимости от заданной программы выбирает последовательность опроса датчиков, т.е. вырабатывает управляющие сигналы обмена информацией по выбранному каналу и осуществляет сбор и обработку данных.

По цифровому каналу связи сигнал может передаваться параллельно или последовательно. Параллельная передача цифрового сигнала требует отдельные линии для каждого разряда, но является более быстродействующей. При последовательной передаче цифровые сигналы передаются последовательно по одной линии связи. По способу передачи информации во времени интерфейс может быть синхронный и асинхронный. Синхронный интерфейс характерен временной привязкой к тактовым сигналам, а асинхронный не требует постоянной временной привязки. При синхронной передаче данных тактовые сигналы процессора задают временной интервал, в течение которого считывается информация с одного датчика. Временной интервал определяется наибольшим временем задержки в системе передачи данных и максимальным временем преобразования сигнала. Асинхронная передача данных характеризуется наличием управляющих сигналов "Готовность к обмену", вырабатываемым внешним устройством, "Начало обмена", "Конец обмена", "Контроль обмена", вырабатываемых процессором. При такой организации обмена автоматически устанавливается рациональное соотношение между скоростью передачи данных и величинами задержки сигналов в канале связи.

Всей работой компьютера управляет процессор. Выражается это в том, что только процессор может посылать сигналы по шине адреса и шине управления. Все прочие устройства могут только считывать информацию, идущую по этим шинам. При одновременном прохождении сигнала по адресной шине и шине управления то устройство или тот байт памяти, адрес которого передается, «узнает этот адрес» и активируется. Прочитав сигнал, который идет по шине управления, устройство решает, что ему следует предпринять – принять информацию, идущую по шине данных или, наоборот, послать информацию по шине данных.

Таким образом, вся работа компьютера фактически сводится к информационным потокам и операциям обработки информации в процессоре. Еще раз подчеркнем, что именно процессор определяет, когда, кому и какое сообщение должно быть передано. В свою очередь, процессор извлекает эту информацию из компьютерной программы и данных, используемых программой. И то, и другое лежит в оперативной памяти. Даже если первоначально эти данные лежат на внешнем носителе, прежде чем они могут быть использованы компьютером (процессором!), они должны быть переписаны в оперативную память.

1.5.1. Оперативная память.


Основная память компьютера включает ОЗУ - оперативное запоминающее устройство (или память прямого доступа, англ. Random Access Memory – RAM), и ПЗУ – постоянное запоминающее устройство (или память только для чтения, англ. Read-Only Memory – ROM). Оперативное запоминающее устройство или оперативная память является основным средством хранения информации при работе компьютера. Все данные, которые должны быть обработаны в компьютере, сначала должны быть помещены в оперативную память. В оперативной памяти также хранятся промежуточные и конечные результаты работы компьютера. Кроме того, в оперативной памяти располагаются все работающие программы.

От быстродействия ОЗУ, которое измеряется временем процессов перемещения информации из оперативной памяти в процессор и обратно, напрямую зависит быстродействие всего компьютера, поэтому одним из основных направлений в развитии вычислительной техники является повышение быстродействия ОЗУ. Технически ОЗУ устроено таким образом, что при выключении электрического питания информация в ячейках ОЗУ стирается. В выключенном компьютере информация хранится на внешних магнитных носителях информации, а при включении компьютера необходимые данные переписыаются с этих внешних носителей в оперативную память.

Постоянное запоминающее устройство содержит ту начальную программу, которая начинает работать при включении компьютера, и некоторые служебные программы операционной системы. В частности, в ПЗУ хранятся так называемые базовые программы ввода – вывода (англ. Base Input Output System - BIOS) и программы, предназначенные для проверки исправности и обслуживания аппаратуры самого компьютера. Они также выполняют первоначальную загрузку главной обслуживающей программы компьютера - так называемой операционной системы. Эти данные не уничтожаются при выключении компьютера.

Существуют перепрограммируемые ПЗУ, которые сохраняют информацию при отключении питания и допускают запись информации. При этом время записи во много раз больше времени считывания.

В персональном компьютере ОЗУ представляет собой автономное устройство, которое присоединяется к разъему на материнской плате компьютера. Оперативная память может состоять из нескольких блоков. ОЗУ представляет собой интегральную схему, эквивалентную последовательности триггеров. Триггером принято называть прибор, который может находиться в одном из двух состояний , одно из которых считается единицей, а другое - нулем. ПЗУ представляет собой интегральную схему, в которой программы зашифрованы соединениями, а не электрическими потенциалами, именно поэтому они сохраняются при выключении питания.

Запоминающие устройства ЭВМ, обладающие большим объемом памяти, как правило, обладают меньшим быстродействием (то есть для них увеличивается время чтения и записи информации в память). Наибольшим быстродействием обладают регистры процессора (регистры общего назначения – РОН). Быстродействие ОЗУ должно быть не меньше, чем быстродействие электронных схем операционной части. Объема памяти должно быть достаточно для записи программы решаемой задачи, а также исходных данных и промежуточных и конечных результатов. В то же время внешние запоминающие устройства обладают практически неограниченным объемом памяти, но зато и наименьшим быстродействием.

Для ускорения работы ОЗУ используется так называемая КЭШ-память процессора. Она имеет меньший объем, чем ОЗУ, но зато большее быстродействие. При наличии КЭШ-памяти данные из ОЗУ сначала переписываются туда, и лишь затем в процессор. При повторном обращении к памяти те данные, которые уже находятся в КЭШ-памяти, сразу переносятся в регистры процессора, за счет чего происходит экономия времени.

Если отвлечься от особенностей технической реализации, оперативную память можно представить в виде единой последовательности ячеек, в которые записаны отдельные байты информации. Каждая ячейка имеет свой номер, причем нумерация начинается с нуля. Номер ячейки является адресом байта. Эта общая последовательность конструктивно состоит из отдельных устройств. В частности, ПЗУ и память видеомонитора являются частью оперативной памяти. Соответственно та часть оперативной памяти, в которую можно записывать информацию и которую мы до сих пор называли ОЗУ, также составляет не всю оперативную память. При обмене информации с оперативной памятью центральный процессор должен указать адрес байта, который он желает прочитать из памяти или записать в память. Разумеется, из ПЗУ можно только читать данные. Прочитанные из памяти данные процессор записывает в свои регистры. Процессор непосредственно может обрабатывать только те данные, которые находятся в его регистрах, а в регистр может переписывать данные только из оперативной памяти или портов ввода-вывода. Все виды оперативной памяти называются устройствами внутренней памяти, и они обычно располагаются непосредственно на материнской плате компьютера. Регистры процессора конструктивно находятся внутри процессора.

Наибольший номер ячейки ОЗУ равен величине ОЗУ минус единица. Адрес ячейки ОЗУ при работе компьютера передается по адресной шине. Адресная шина имеет такое количество разрядов, чтобы по ней мог пройти наибольший возможный адрес байта ОЗУ. При 20-разрядной шине это число 220-1 = 1 048 576, а при 32 разрядной шине – число 232-1, что больше четырех миллиардов. При современных объемах памяти 20-разрядной шины совершенно недостаточно даже для персональных компьютеров, и приходится прибегать к всевозможным ухищрениям. Для суперкомпьютеров недостаточно и 32-разрядной адресной шины.

1.5.2. Центральный процессор.


Центральный процессор - это то устройство компьютера, которое выполняет обработку информации в соответствии с заложенной в нем программой. Программа находится в оперативной памяти и состоит из отдельных команд, понятных для процессора. В каждой команде содержатся сведения о том, откуда взять исходные данные, какую операцию над ними выполнять и куда поместить результат. Процессор выполняет следующие функции:
  • чтение и дешифрацию команд из оперативной памяти;
  • чтение данных из оперативной памяти и портов ввода – вывода;
  • запись данных в оперативную память или их пересылка в порты ввода – вывода;
  • прием и обработку запросов и команд от адаптеров внешних устройств;
  • выработку управляющих сигналов для всех прочих устройств компьютера.

Функционально процессор состоит из двух компонент: операционной части и интерфейсной части. Операционная часть включает устройство управления, арифметико-логическое устройство и процессорную память (регистры общего назначения). Интерфейсная часть включает микросхемы управления шиной и портами, а также адресные и командные регистры.

Устройство управления является наиболее сложной частью процессора. Оно вырабатывает сигналы, которые управляют всеми устройствами компьютера и процессором в частности. Большинство операций в процессоре выполняется параллельно, а синхронизируются они с помощью тактовых импульсов, передаваемых с определенной тактовой частотой. Рабочая тактовая частота процессора обычно больше, чем частота, вырабатываемая генератором тактовых импульсов. Технически тактовые сигналы процессора получаются из тактовых сигналов генератора тактовых импульсов путем деления частоты сигналов. Более конкретно устройство управления выполняет следующие функции:
  • выбирает из адресного регистра адрес в ОЗУ очередной выполняемой команды;
  • выбирает из ОЗУ очередную команду;
  • с помощью дешифратора операций анализирует код команды и идентифицирует выполняемую ею операцию и ее признаки;
  • считывает соответствующую выбранной операции микропрограмму процессора, задающую последовательность управляющих сигналов, которые будут задавать и синхронизировать работу по выполнению данной операции;
  • считывает адреса в ОЗУ участвующих в операции операндов и в случае необходимости переписывает данные из ОЗУ в регистры общего назначения;
  • выполняет операцию;
  • записывает результаты операции обратно в ОЗУ;
  • формирует адрес следующей команды.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций. Операнды операции перед этим должны быть размещены в регистрах общего назначения. Результат также помещается в регистр общего назначения. Само АЛУ представляет собой микросхему, на вход которой подаются операнды операции, а на выходе получается результат. Обычно для повышения общего быстродействия процессор может выполнять сложение и умножение только целых чисел, а для сложения и умножения чисел с плавающей запятой приходится составлять микропрограммы. Регистры общего назначения используются для хранения начальных, конечных и промежуточных данных при работе процессора.

Схема управления шиной и портами выполняет следующие функции:
  • формирует адрес порта и управляющую информацию для него (например, переключение порта на прием или передачу);
  • принимает информацию от порта о его состоянии или его готовности;
  • подготавливает все устройства и микросхемы к обмену данными между процессором и портом ввода – вывода.

Схема управления шиной посылает по управляющей шине сигнал о том, что готовится операция ввода или вывода, а по адресной шине адрес порта. То устройство, которое содержит соответствующий адрес, дает ответ о готовности, после чего по шине данных осуществляется сам процесс ввода или вывода данных.

1.5.3. Системные шины.


Системная шина представляет собой совокупность линий для передачи сигналов, объединённых по их назначению (данные, адреса, управление). Основной функцией системной шины является обмен информацией между процессором и остальными электронными компонентами компьютера. По системным шинам осуществляется передача информации (по шине данных), адресация устройств (по шине адреса) и обмен специальными служебными сигналами (по шине управления).

По шине данных происходит обмен информацией между процессором и оперативной памятью и между процессором и портами ввода-вывода. Важнейшей характеристикой шины данных является разрядность. В современных персональных компьютерах используется 64-разрядная шина данных (хотя эта информация очень быстро может устареть). По 64-разрядной шине одновременно можно передавать 8 байт данных.

По шине адреса процессор посылает адрес той ячейки памяти, которая должна участвовать в обмене. Если по одной из линий шины управления прошел сигнал о переключении на порт ввода-вывода, то адрес в адресной шине интерпретируется как номер порта. Разрядность адресной шины определяет максимально доступный номер байта оперативной памяти. В современных персональ

Шина управления состоит из линий, предназначенных для передачи различных управляющих сигналов. Кроме линии переключения между ОЗУ и портами ввода-вывода и линии переключения чтения-записи следует упомянуть линии аппаратных прерываний  и линии требования внешними устройствами прямого доступа к памяти. Передачей информации по системной шине управляет одно из подключённых устройств или специально предназначенное для этого устройство, называемое арбитром шины.

Все современные персональные компьютеры располагают комбинированными системными шинами, такими как ISA (Industry Standart Architecture - стандартная промышленная архитектура), EISA (Extanded Industry Standart Architecture – расширенная стандартная промышленная архитектура) или PCI (Peripheral Component Interconnect – связь периферийных компонент). Одна из шин называется первичной системной (EISA, ISA), а другая (PCI) вторичной системной.

Архитектура системной шины определяется типом процессора, применяемым набором микросхем и количеством и разрядностью периферийных устройств, подключаемых к шине. Так системные шины платформы Pentium (т.е. PCI) обеспечивают обмен центрального процессора с оперативной памятью 64-разрядами данных, при этом адресация данных осуществляется 32-разрядным адресом. С периферийными устройствами шина ISA поддерживает обмен 16-разрядным кодом данных и 16-разрядным адресным кодом данных, шина EISA - 32-разрядным кодом данных и 32-разрядным адресным кодом.

Часто используется в качестве критерия сравнения возможностей шин различной архитектуры максимальная пропускная способность шины. Её можно рассчитать, умножив её рабочую частоту на количество байт, передающихся в одном такте (ширину полосы пропускания). Например, системная шина PCI процессора Pentium имеет пропускную способность 533 Мбайт/с. Аналогично скорость обмена по шине ISA может достигать 16 Мбайт/с, по шине EISA - 33 Мбайт/с.

Если процессор имеет тактовую частоту выше частоты системной шины и/или способен исполнять несколько инструкций в одном такте, он может полностью использовать пропускную способность шины. Это приводит к задержкам, существенно снижающим производительность процессора. Увеличение пропускной способности требует увеличения либо тактовой частоты, либо разрядности шины данных.

1.5.4. Монитор.


Монитор (дисплей) компьютера предназначен для вывода на экран текстовой и графической информации. Экран монитора представляет собой прямоугольную таблицу из светящихся точек разного цвета. Однако в реальности точки группируются, причем в разных режимах по-разному. Мониторы персональных компьютеров могут работать в двух режимах: текстовом или графическом. В текстовом режиме экран монитора делится строками и столбцами на клетки (в персональных компьютерах экран чаще всего состоит из 25 строк и 80 столбцов). Каждая клетка предназначена для одного символа. Все возможные символы сведены в специальную таблицу, содержащую чаще всего 256 символов. Таблица символов включает большие и малые латинские буквы, цифры, определённые символы, символы кириллицы, а также псевдографические символы, используемые для вывода на экран таблиц и диаграмм, построения рамок вокруг участков экрана и так далее. Технически каждый символ представляет собой картинку в клетке, нарисованную отдельными точками монитора. Эти картинки хранятся в специальной памяти монитора и рисуются аппаратными средствами монитора. Каждой ячейке экрана может соответствовать свой цвет (отдельно цвет символа и цвет фона), что позволяет выводить на экран цветные надписи.

В текстовом режиме для полного описания экрана (в случае 25 строк и 80 столбцов) необходимо задать 25*80 = 2000 символов, и для каждого из них, кроме того, указать цвет символа и цвет фона. Всего различных цветов в текстовом режиме 16, и поэтому для задания цвета достаточно 4 разряда, то есть полбайта. Итого, для одного символа нужно иметь один байт для кода символа и один байт для цветов символа и фона. Всего на один экран требуется 4000б. Реально в текстовом режиме поддерживается не одна, а несколько видеостраниц размером 4000б каждая, описывающих разные варианты видеоэкрана. Для быстрой смены экрана монитора необходимо задать полный вид экрана на одной из запасных видеостраниц, а затем просто переключить монитор на эту страницу, и на экране при очередном выводе изображения появится полностью новая картинка.

В графическом режиме экран состоит из точек, полученных разбиением экрана на большое количество строк и столбцов. Эти точки называются пикселами. Количество пикселов на экране называется разрешающей способностью монитора в данном режиме. Сейчас мониторы персональных компьютеров могут работать в режимах 480*640, 600*800, 768*1024, 864*1152 или 1024*1280 пикселов. Каждый пиксел может быть окрашен в один из возможных цветов. В различных режимах работы монитора число различных цветов может составлять 24=16, 28 =256, 216 = 65536 или 224 = 16 777 216. Для описания цвета пиксела в этих режимов нужно выделить соответственно полбайта, один байт, два байта и три байта. Из окрашенных пикселов составляется любое изображение, в том числе надписи.

Информация, задающая изображение на экране монитора, хранится в памяти специального вида, которая называется видеопамятью. Логически видеопамять представляет собой участок оперативной памяти и характеризуется выделенным диапазоном адресов. Физически это отдельное устройство, вмонтированное в монитор (в отличие от остальной оперативной памяти, которая монтируется на материнской плате в системном блоке). Когда монитор работает в текстовом режиме, он через определенные промежутки времени (примерно 70 раз в секунду) считывает информацию из соответствующего участка памяти и воспроизводит ее на экране. При этом изображения символов хранятся в специальной таблице изображений символов. Каждый символ в этой таблице все равно строится из точек – пикселов. Например, при разрешающей способности экрана 600*800 и при размерах экрана в текстовом режиме 25*80 на каждый символ приходится прямоугольник размером 24*10 пикселов.

По аналогичной схеме работает монитор персонального компьютера в графическом режиме, только в этом случае 70 раз в секунду полностью перерисовывается каждый пиксел экрана. При 224 цветах для задания цвета одного пиксела требуется 3 бита, поэтому при разрешающей способности экрана 1024*1280 пикселов для полного задания экрана необходимо 3*1024*1280 байтов или почти 4Мгб. Ясно, что такой режим возможен только при видеопамяти 8мгб или 16мгб. При меньшей видеопамяти используется меньшее количество цветов. В остальном принцип работы монитора такой же. Каждый квант времени графическая страница видеопамяти переносится на экран. При изменении содержимого графической страницы видеопамяти автоматически меняется изображение на экране. Возможно сначала построить новое изображение на запасной странице видеопамяти, а затем переключить монитор на вывод этой страницы, в результате изображение на экране мгновенно изменится.

Следует отметить, что описанный принцип работы реализован в мониторе не программным, а аппаратным образом, что позволяет успевать рисовать экран в режиме реального времени.

1.5.5. Устройства ввода информации.


Устройства ввода информации в компьютер очень разнообразны. К ним относятся клавиатура, мышь, трекбол, джойстик, сканер, диджитайзер, устройство распознавания речи и т.д. Кроме того, существуют специализированные устройства ввода, автоматически преобразуюшие информацию для ввода ее в компьютер, например, датчики от технических устройств.

Клавиатура является пока основным устройством ввода информации в персональный компьютер. В техническом аспекте это устройство представляет собой совокупность механических датчиков, воспринимающих давление на клавиши и замыкающих тем или иным способом определённую электрическую цепь. В логическом плане клавиатура просто передает в компьютер сообщения о действиях пользователя. Типов действия всего два: нажать клавишу и отпустить ее.

Фактически в компьютер передается номер клавиши и вид действия. Для того, чтобы увеличить количество возможных номеров клавиш для передачи в компьютер, в клавиатуре аппаратно реализована возможность менять номер клавиши в том случае, если при этом будут нажаты другие специально выделенные для этого клавиши, такие, как «Shift», «Ctrl» или «Alt» (это в клавиатуре, предназначенной для IBM PC). Кроме того, другие клавиши, такие как «Caps Lock» или «Num Lock» меняют состояние клавиатуры, заставляя ее выдавать при нажатии клавиши другой номер.

Передаваемый в компьютер номер клавиши занимает один байт и поэтому его величина изменяется от 0 до 255. Вариантов нажатия клавиш с учетом комбинаций значительно больше. Поэтому в компьютер передается либо номер нажатия, отличный от нуля, либо передаются два числа, первое из которых равняется нулю (что и служит признаком чтения следующего числа). Таким образом, возможных вариантов нажатий клавиш всего не более 510.

Расположение клавиш на клавиатуре и их номера видоизменялись с течением времени. Надо сказать, что эволюция клавиатур для IBM PC не была долгой. Сначала использовались 83-х клавишные клавиатуры, затем вместе с АТ появилась 84-х клавишная. Подавляющее большинство современных IBM PC совместимых используют расширенную клавиатуру. Основные улучшения по сравнению с АТ-клавиатурой касается общего числа клавиш (101 и выше) и их расположения. Стандартным является расположение QWERTY, содержащее порядка 60 клавиш с буквами, цифрами, знаками пунктуации и другими символами и ещё около 40 функциональных клавиш.

В настоящее время наиболее распространены два вида клавиатур: с механическими и мембранными переключателями. В первом случае датчик представляет собой традиционный механизм с контактами из специального сплава. Несмотря на то, что эта технология используется уже несколько десятилетий, фирмы-производители постоянно работают над её модификацией и улучшением. Стоит отметить, что в клавиатурах известных фирм контакты переключателей позолоченные, что значительно улучшает электрическую проводимость. Технология, основанная на мембранных переключателях, считается более прогрессивной, хотя особых преимуществ не даёт.

Мыши и трекболы являются координаторными устройствами ввода информации в компьютер. Разумеется, полностью заменить клавиатуру они не могут. Технически мышь содержит резиновый шарик в нижней части и две или три кнопки управления. При перемещении шарика по твердой поверхности шарик крутится и передает вращение на два колесика (иногда три), одно из которых соответствует горизонтальному перемещению, а другое – вертикальному. Перемещение мыши по столу отражается пропорциональным перемещением на экране специального указателя – курсора мыши. При положении курсора в определенном месте экрана пользователь может нажать или отпустить одну из кнопок мыши.

Логически мышь передает в компьютер сообщения о следующих событиях: поворот колесика на определенное минимальное значение угла, нажатие и отпускание кнопки мыши. Эти сообщения передаются в компьютер в виде кодов, там обрабатываются и затем реализуются в форме адекватных действий. От минимального угла зависит разрешение мыши. Оно измеряется в количестве различаемых точек на дюйм (cpi). Современные мыши имеют обычно оптимальное аппаратное разрешение 400 cpi. Когда фирмы декларируют разрешение на уровне 1800 cpi, то речь идёт о программном разрешении.

Трекбол представляет собой «перевёрнутую» мышь: трекбол закреплен, а крутится у него только его шар. Это позволяет существенно повысить точность управления курсором.

Джойстик представляет собой рычаг, закрепленный на подставке, способный перемещаться на шарнирах в двух направлениях. Подобно мыши, он передает в компьютер сдвиги в каждом направлении и нажатие на клавишу на верхушке джойстика.

Сканер предназначен для ввода в компьютер текстовой и графической информации непосредственно с изображения. Изображение разбивается на точки, которые считываются с помощью оборудования, аналогичного тому, которое употребляется при ксерокопировании. Если сканируется текст, то он обрабатывается специальными программами распознавания текста. Эти программы очень сложны.

Электронный планшет (или диджитайзер) является координирующим преобразователем, который используется в основном для задач САПР. В состав диджитайзера помимо самого планшета входит специальный указатель с датчиком. Горизонтальное и вертикальное перемещения датчика передаются в компьютер для определения координат считываемой на планшете точки. Сама точка считывается с помощью оборудования, аналогичного тому, которое употребляется при ксерокопировании.

Устройство распознавания речи передает в компьютер звуки, закодированные особым образом. Там они распознаются с помощью специальной программы и преобразуются в текст.

1.5.6. Внешние запоминающие устройства.


Данные, хранящиеся в оперативной памяти компьютера, не сохраняются при выключении электропитания. Уже в самых первых компьютерах возникла необходимость постоянного хранения данных. Для этого использовались перфокарты и перфоленты, затем магнитные ленты и магнитные барабаны. К настоящему времени для постоянного хранения данных используются магнитные и лазерные диски. Устройства для чтения и записи на такие диски называются устройствами внешней памяти. Любой персональный компьютер включает накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) и накопители на жестких магнитных дисках (НМД или винчестер). Большинство содержат также устройство для работы с лазерными дисками (CD-ROM).

В магнитных дисках информация записывается на вращающихся дисках, покрытых магнитным материалом. Поверхность диска условно разбита на концентрические круги – дорожки. Радиус диска называется цилиндром. Пересечение дорожки и цилиндра является элементарной единицей для хранения одного бита информации по принципу: «намагничено» – 1, «не намагничено» - 0. Таким образом, все дорожки имеют одинаковую емкость (содержат одинаковое число бит). Обычно дорожки делятся на блоки данных объемом 512 байт, иногда называемые секторами. Количество секторов, записываемых на одну дорожку, зависит от физических размеров пластины и плотности записи.

Для чтения или записи информации используется специальная магнитная головка, которая может перемещаться по радиальной оси к центру или от центра диска, останавливаясь над любой дорожкой диска. В НГМД магнитные головки касаются поверхности флоппи-дисков. Данные на дорожке просматриваются компьютером последовательно по мере вращения диска. Конструктивно НГМД выполнен таким образом, что установленные в нем магнитные диски можно менять. Сменные магнитные диски называются гибкими магнитными дисками или флоппи-дисками (их также называют дискетами). Гибкие дискеты позволяют переносить документы и программы с одного компьютера на другой, хранить информацию, не используемую постоянно на компьютере, делать архивные копии информации, содержащейся на жёстком диске.

Жесткий диск (винчестер) состоит на самом деле из нескольких (4-9) дисков с магнитным покрытием, вращающихся на общем валу. Для записи данных используются обе поверхности дисков. Вал постоянно вращается с высокой скоростью (обычно 3600 - 7200 оборотов в минуту). Данные записываются или считываются с помощью головок записи/считывания, по одной на каждую поверхность каждого диска. Специальный двигатель на каретке позиционирует головку над заданной дорожкой. Накопитель на магнитных дисках (НМД) представляет собой набор дисков, магнитных головок, кареток, линейных двигателей плюс воздухонепроницаемый корпус. Дисковым устройством называется НМД с относящимися к нему электронными схемами.

Производительность диска включает в себя три основных характеристики: время доступа, время ожидания и время передачи данных. Время доступа - это время, необходимое для позиционирования головок на соответствующую дорожку, содержащую искомые данные. Оно зависит от начального ускорения головки (порядка 6 мс) и числа дорожек, которые необходимо пересечь на пути к искомой дорожке. Среднее время перемещения головки между двумя случайно выбранными дорожками лежат в диапазоне 10-20 мс. Время перехода с дорожки на дорожку меньше 10 мс и обычно составляет 2 мс.

Временем ожидания называется среднее время оборота диска до появления под головкой диска нужного сектора. После этого данные могут быть записаны или считаны. Для современных дисков время полного оборота лежит в диапазоне 8-16 мс, а среднее время ожидания составляет 4-8 мс.

Время передачи данных, т.е. время, необходимое для физической передачи байтов, зависит от числа передаваемых байтов (размера блока), скорости вращения, плотности записи на дорожке и скорости электроники. Типичная скорость передачи равна 1-4 Мбайт/с.

Рассмотрим типичную подсистему ввода-вывода. Такая подсистема включает в себя четыре основных компонента: основной компьютер, главный адаптер, встроенный в дисковое устройство контроллер и собственно накопитель на магнитных дисках. Когда операционная система получает запрос от пользователя на выполнение операции ввода/вывода, она превращает этот запрос в набор команд главного адаптера. Эти команды пересылаются по системе шин в главный адаптер, после чего процессор отключается от дальнейших операций.

Главный адаптер запрашивает дисковый контроллер о его готовности. Если тот готов, то главный адаптер пересылает ему соответствующую команду. Если контроллер может выполнить команду немедленно, то он пересылает в главный адаптер запрошенные данные (при вводе) или свое состояние (при выводе). Команда ввода может быть обслужена немедленно, только если данные уже находятся в кэш-памяти контроллера. Если это не так, то нужные данные переписываются с диска в кэш-память контроллера. При записи подтверждение записи не поступает в контроллер до тех пор, пока данные действительно не перепишутся из кэш-памяти контроллера на поверхность диска.

После завершения операции ввода/вывода контроллер диска соединяется с главным адаптером, вслед за чем выполняется либо передача данных из контроллера в главный адаптер при вводе, либо указание результата операции при выводе. При выводе главный адаптер проверяет корректность завершения физической операции в контроллере и соответствующим образом информирует операционную систему. Можно сделать вывод, что ввод и вывод информации на внешний носитель содержат большое количество шагов, которые обычно не видны пользователю.

В лазерных дисковых накопителях используется чисто оптический способ кодирования информации. Аналогично магнитным дискам, лазерные диски разбиты на дорожки, однако запись единицы на дорожку диска производится за счет изменения отражающих свойств поверхности. Наиболее употребительны лазерные диски, основанные на механическом изменении рельефа дорожки. Луч лазера направляется на дорожку, проникает сквозь защитный слой пластика и попадает на отражающий слой алюминия на поверхности диска. При попадании луча на выступ, он отражается на детектор и проходит через призму, отклоняющую его на светочувствительный диод. Если луч попадает в ямку, он рассеивается и лишь малая часть излучения отражается обратно и доходит до светочувствительного диода. На диоде световые импульсы преобразуются в электрические, при этом яркий луч преобразуется в нули, слабый луч - в единицы. Таким образом, ямки воспринимаются дисководом как нули, а гладкая поверхность - как единицы

Существуют три разных типа лазерных накопителей. Диски первого типа можно только читать. Эти накопители работают как сменное ПЗУ и называются CD-ROM. Компакт-диски для накопителей CD-ROM изготавливаются промышленным способом, однако существует специальное устройство, позволяющее записывать лазерные диски самому. Второй тип лазерных накопителей позволяет записывать информацию на лазерный диск только один раз. Это так называемые WORM-накопители. Их удобно использовать для работы с большими объемами редко изменяющейся, но пополняющейся информации, такой как, например, каталоги больших библиотек. Самый удобный, но и самый дорогой тип лазерных накопителей - накопители с перезаписью. Они основаны на других физических принципах и при емкости и быстродействии, сравнимом с быстродействием НМД, пока стоят очень дорого. Однако высокая надежность и возможность смены дисков с данными делают их весьма привлекательными, если необходимо работать с очень большими объемами данных.

Очень редко теперь используются накопители на магнитной ленте или стримеры. По своему принципу действия эти устройства напоминают бытовые кассетные магнитофоны. Чаще всего стримеры используют для резервного копирования содержимого НМД, что позволяет избежать потери данных при выходе НМД из строя. Самые хорошие стримеры позволяют записать на одну кассету с магнитной лентой до 2 Гбайт информации, однако из-за высокой стоимости таких стримеров больше распространены стримеры с кассетами, рассчитанными на запись 150 или 250 Мбайт данных.

Операция ввода - вывода активизируется текущей командой программы или запросом от периферийного устройства ввода - вывода. При программном управлении передачей данных процессор "отвлекается" от выполнения основной программы на все время операции ввода - вывода, следовательно, снижается производительность компьютера. Для ввода блока данных необходимо слишком много операций, таких как преобразование форматов, адресация в памяти, определение начала и конца блока данных. В результате скорость передачи данных снижается.

Более выгоден обмен данными с использованием прямого доступа к памяти (DMA). При этом процессор освобождается от участия в передаче данных и может параллельно выполнять основную программу. Специальное устройство берет на себя управление обменом данных между оперативной памятью и внешними устройствами. Инициатором обмена данными в этом случае является периферийное устройство, которое посылает запрос об обмене данными на устройство DMA. Последнее, получив предварительно от процессора сигнал подтверждения, посылает в память сигнал чтения или записи и определяет ячейку памяти, с которой начнется обмен данными. Далее происходит обмен данными между оперативной памятью и внешним устройством.

1.5.7. Устройства вывода информации.


Устройства вывода информации предназначены для представления результатов работы компьютера в «человеческом» виде. Кроме видеомонитора, о котором шла речь выше, это принтер, предназначенный для бумажной печати тестовой и графической информации, плоттер (или графопостроитель), предназначенный для печати графиков и чертежей, и звуковые колонки.

Управление работой большинством устройств ввода-вывода компьютера осуществляется при помощи портов. Напомним, что портом называется виртуальная ячейка, соответствующая внешнему входу (или выходу) в компьютере. Конкретному устройству приписывается несколько портов, каждый из которых описывает один из элементов управления устройством. Для процессора операция ввода-вывода представляет собой просто пересылку данных из порта или в порт. Для внешнего устройства любой блок данных, переданный процессором в порт, является некоторой командой или данными, которые надо использовать по назначению (то есть назначению данного устройства). Посылая в определенные порты определенные данные, можно опросить устройство или перевести его в то или иное состояние. Например, посылая определенные числа в определенные порты, приписанные принтеру, можно узнать, подключен ли он, готов ли к печати, есть ли в нем бумага. Из другого порта читаются ответы принтера или сообщения, например, о том, что застряла бумага. Еще один порт предназначен для непосредственной передачи данных для печати.

Принтер является основным средством бумажного вывода. Принтеры бывают последовательные, строчные и страничные. По принципу действия различают принтеры ударного и безударного действия. По способу печати принтеры делятся на матричные и символьные.

Матричные принтеры ударного действия содержат вертикальный ряд игл или молоточков (иногда 2 ряда), которые вколачивают краситель с ленты прямо в бумагу, формируя последовательно символ за символом. Игольчатые принтеры имеют приемлемое качество печати, невысокую цену самого устройства, а также расходных материалов и бумаги. Для этих принтеров обычно возможно использование как форматной, так и рулонной бумаги. Головка принтера может быть оснащена 9, 18 или 24 иголками.

Существуют модели принтеров как с широкой (А3), так и с узкой (А4) кареткой. Высокое качество печати достигается для 24-игольчатых принтеров. Скорость печати для высокопроизводительных моделей может составлять до 380 знаков в секунду. Более высокую производительность обеспечивают построчные (постраничные) матричные принтеры. Вместо маленьких точечно-матричных головок они используют длинные массивы с большим количеством игл, при этом достигается скорость порядка 1500 строк в минуту. Матричные ударные печатающие устройства создают много шума, что является существенным недостатком.

Струйные принтеры относятся к безударным печатающим устройствам и работают практически бесшумно. Струйные чернильные принтеры относятся к классу последовательных матричных безударных печатающих устройств. Они же в свою очередь подразделяются на устройства непрерывного и дискретного действия. Последние же могут использовать либо пузырьковую технологию, либо пьезоэффект. При печати высокого качества скорость вывода не превосходит обычно 2-3 (около 200 знаков в секунду), хотя максимальные значения могут достигать даже 7 страниц в минуту. Как правило, струйные принтеры позволяют эмулировать работу наиболее популярных моделей ударных устройств и поддерживать соответствующее программное обеспечение.

В лазерных принтерах используется электрографический способ создания изображения - примерно такой же, как и в ксероксах. Кроме лазерных существуют LED-принтеры, которые получили своё название из-за того, что полупроводниковый лазер в них был заменён «гребёнкой» мельчайших светодиодов.

Плоттер – это фактически большой принтер, специально ориентированный на построение чертежей. Он ориентирован на работу со специальными программами систем проектирования (САПР). Принципы его действия те же, что и у принтера.

Почти любой персональный компьютер имеет сейчас в своем составе специальную звуковую плату или аудио-адаптер или “саундбластер”. Аудио-адаптер представляет собой преобразователь цифровой информации в сигналы, которые генерируют звук в системе воспроизведения. Аудио-адаптер содержит аналого–цифровой преобразователь и цифро–аналоговый преобразователь. Аналого-цифровой преобразователь измеряет через определенные промежутки времени частоту и уровень звукового сигнала и превращает их в цифровой код. Полученный цифровой код записывается на внешний носитель.

Цифровые коды реального звукового сигнала хранятся в памяти компьютера. Поданный на цифро-аналоговый преобразователь цифровой сигнал преобразуется в аналоговые сигналы. После фильтрации их можно усилить и подать на акустические колонки для воспроизведения.

Важными параметрами аудио-адаптера являются частота квантования звуковых сигналов и разрядность квантования. Частоты квантования показывают, сколько раз в секунду берутся выборки сигнала для преобразования в цифровой код. Обычно они лежат в пределах от 4–5 Кгц до 45–48 Кгц. Разрядность квантования характеризует число кодируемых уровней звукового сигнала и измеряется степенью числа 2. Сейчас применяются в основном 16-разрядные аудио-адаптеры, имеющие 216 = 65536 ступеней квантования — как у звукового компакт–диска.

1.5.8. Некоторые другие устройства.


Наряду с устройствами, которые выполняют понятные и видимые функции, существует ряд вспомогательных микросхем, которые играют существенную роль в работе компьютера. Перечислим наиболее важные из них.

Математический сопроцессор предназначен для более быстрого (по сравнению с основным процессором) выполнения вычислений с вещественными (то есть не целыми) числами. Кроме того, он позволяет производить вычисления с гораздо большей точностью. Для передачи управления сопроцессору используются специальные машинные команды.

Генератор тактовых импульсов посылает сигналы всем устройствам компьютера через определенные промежутки времени. Число сигналов (тактов) в секунду называется тактовой частотой компьютера. Она измеряется в мегагерцах (миллионах тактов в секунду). Генератор тактовых импульсов необходим для синхронизации работы всех устройств компьютера.

Контроллер прерываний управляет обслуживанием прерываний. Прерывание – это сигнал, который аппаратура посылает в процессор, сообщая об изменениях в своем состоянии или запрашивая определенные действия со стороны процессора. Контроллер прерываний перехватывает этот сигнал, определяет уровень его приоритета и посылает процессору соответствующий сигнал прерывания. Процессор, получив этот сигнал, не выполняет очередную машинную команду, а запускает специальную подпрограмму обработки прерывания.

Контроллер прямого доступа к памяти (англ. Direct Memory Access – DMA) позволяет осуществлять обмен информации оперативной памятью с внешними устройствами без участия процессора. Контроллер DMA освобождает процессор от управления операциями ввода – вывода, позволяя осуществлять ввод – вывод параллельно с вычислениями в процессоре.

Таймер предназначается для преобразования тактовой частоты компьютера в сигналы произвольной частоты. С его помощью работа компьютера привязывается к реальному времени. Кроме того, с его помощью осуществляется генерация звука.

Контрольные вопросы по теме.
  1. Как связаны объем оперативной памяти и разрядность адресной шины?
  2. Почему оперативная память электрическая, а не магнитная?
  3. Можно ли вводить и выводить информацию без участия процессора?
  4. Что такое видеопамять и чем она отличается от остальной оперативной памяти?
  5. Зачем нужна постоянная память?
  6. Зачем в компьютере нужен генератор тактовых импульсов?
  7. Как управлять работой принтера?