Технические средства информатизации РОСОБРАЗОВАНИЕ НИЖНЕВАРТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СОЦИАЛЬНО-ГУМАНИТАРНЫЙ КОЛЛЕДЖ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИНФОРМАТИЗАЦИИ учебное пособие Нижневартовск 2007 Технические средства информатизации. Учебное пособие./ Составитель А.Н. Попов. – Нижневартовск: НГСГК, - 2007, с. Данное учебное пособие предназначено для изучения дисциплины «Технические средства информатизации» в средних специальных учебных заведениях на специальности 2203- «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем». Содержание. Введение. 4 Раздел 1. Информация и технические средства её обработки. 7 Тема 1.1. Информация. 7 Тема 1.2. Общая характеристика и классификация технических средств информатизации. 14 Раздел 2. Технические характеристики современных компьютеров. 20 Тема 2.1. Общие сведения об электронных вычислительных машинах (ЭВМ). 20 Тема 2.2. Внутренняя структура вычислительной машины. 40 Раздел 3. Накопители информации. 67 Тема 3.1. Накопители на магнитных дисках. 70 Тема 3.2. Накопители на компакт-дисках. 82 Тема 3.3. Другие виды накопителей. 99 Раздел 4. Устройства обработки и отображения видеоинформации. Устройства обработки и воспроизведения аудиоинформации. 107 Тема 4.1 Мониторы. 107 Тема 4.2. Проекционные аппараты. 131 Тема 4.3. Видеоадаптеры. 144 Тема 4.4. Устройства обработки и воспроизведения аудиоинформации. 169 Раздел 5. Печатающие устройства. 187 Тема 5.1. Принтеры ударного типа. 188 Тема 5.2. Струйные принтеры. 194 Тема 5.3. Фотоэлектронные и термические принтеры. 201 Тема 5.4. Плоттеры. 209 Раздел 6 Устройства подготовки и ввода информации. 216 Тема 6.1. Клавиатура. 216 Тема 6.2. Оптико-механические манипуляторы.. 221 Тема 6.3. Сканеры.. 226 Тема 6.4. Цифровые камеры и дигитайзеры. 243 Раздел 7. Средства копирования и размножения. Офисное оборудование. 249 Тема 7.1. Копировальная техника. Цифровые технологии копироания. 249 Тема 7.2. Уничтожители документов — шредеры. 264 Раздел 8. Технические средства систем дистанционной передачи информации. 270 Тема 8.1. Структура и основные характеристики систем передачи. 270 Тема 8.2. Локальные вычислительные сети. 289 Тема 8.3. Системы пейджинговой, сотовой и спутниковой связи. 295 Список литературы.. 315 Введение. Учебная дисциплина «Технические средства информатизации» является общепрофессиональной, формирующей базовый уровень знаний для освоения других общепрофессиональных и специальных дисциплин, таких, как «Компьютерное моделирование», «Компьютерные телекоммуникационные сети», «Инструментальные и программные средства вычислительных систем». Дисциплина раскрывает вопросы, связанные с классификацией технических средств и их общей характеристикой, рассматривает средства копирования и размножения, средства настольной электронной типографии, офисное оборудование, методы и средства мультимедиа; телекоммуникации и средства связи. Учебное пособие составлено в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта среднего профессионального образования к минимуму содержания и уровню подготовки выпускников по специальности 2203- «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем», утверждённой приказом Министерства образования и науки Российской Федерации, в соответствии с учебным планом и программой учебной дисциплины по специальности. Окружающий нас мир существует в трёх основных формах: вещество, энергия, информация. Всё многообразие материальных объектов состоит из вещества. Все материальные объекты взаимодействуют друг с другом и поэтому обладают энергией. Каждый объект несет информацию о себе, своих свойствах и качествах (форма, цвет, запах и др.). Кроме этого человек (а также другие живые организмы) могут собирать, обрабатывать, хранить и передавать информацию, использовать информацию для своего существования и развития. В данный исторический период человечество включилось в глобальный процесс, называемый информатизацией. Информация становится главным ресурсом научно-технического и социально-экономического развития мирового сообщества и существенно влияет на ускоренное развитие науки, техники и различных отраслей хозяйства, играет значительную роль в процессах образования, общения между людьми, в других социальных областях. Если до середины XX века жизнеобразующие процессы, протекающие вокруг человека претерпевали незначительные изменения, то в настоящее время человек окружен таким количеством информации, которая, в свою очередь, стремительно меняется и обновляется, что знания, полученные 3-5 лет назад становятся устаревшими и неактуальными. Человек чтобы быть востребованным, идти в ногу со временем должен постоянно совершенствовать свои способности, получать новые знания и обновлять имеющиеся. Поэтому встаёт вопрос о том, чтобы студенты овладели методологией усвоения новых знаний, могли заниматься самообразованием с целью идти в ногу со временем. При работе с информацией, в процессе её получения, переработки, сортировки, хранения и передачи ведущую роль играют технические средства информатизации (ТСИ). А значит, овладение приёмами работы с данными средствами имеет первостепенное значение. Диапазон современных ТСИ крайне широк: от компьютера с привычными периферийными устройствами до средств связи, устройств копирования и уничтожения документов. Не менее разнообразны физические принципы, положенные в основу функционирования этих устройств. Специалисты в области автоматизированных систем обработки информации и управления, а также программного обеспечения вычислительной техники и автоматизированных систем, в какой бы области они ни работали, должны не только выступать в качестве пользователей, но и быть знакомы с принципом действия, конструкцией, технологией производства, правилами эксплуатации и основами выбора технических средств информатизации. Характерной особенностью технических средств информатизации являются постоянное развитие, совершенствование, появление новых устройств, реализующих ранее невиданные возможности. Некоторые образцы техники морально устаревают, не успев попасть на рынок. В Разделе 1 раскрывается понятие информации, её свойства, способы представления и измерения. Также изложены общие характеристики технических средств информатизации как устройств, обеспечивающих обмен информацией с компьютером. Раздел 2 посвящен техническим характеристикам современных компьютеров, их составу и архитектуре. Разделы 3 – 6 посвящены устройствам ввода/вывода, хранения и обработки текстовой, числовой, аудио- и видеоинформации на различных носителях. Раздел 7 посвящен средствам копирования и уничтожения информации на твердых носителях. В Разделе 8 рассмотрены современные системы дистанционной передачи информации. Учебное пособие позволит студенту самостоятельно изучать материал курса, выполнять практические задания и проверить уровень усвоения материала с помощью контрольных заданий и тестов. Применение таких пособий развивает самостоятельную деятельность в овладении новыми знаниями, продвигает обучаемого на новую ступень осознанием своих способностей и своего места в новом информационном обществе. Раздел 1. Информация и технические средства её обработки. Тема 1.1. Информация. План: 1. Определение информации. Количество информации. Единицы измерения количества информации. 2. Способы представления информации для ввода в ЭВМ. 1. Определение информации. Количество информации. Единицы измерения количества информации. В настоящее время наука пытается найти общие свойства и закономерности, присущие многогранному понятию информация, но пока это понятие во многом остается интуитивным и получает различные смысловые наполнения в разных отраслях человеческой деятельности: · в обиходе информацией называют любые данные или факты, которые кого-либо интересуют. Например, сообщение о каких-либо событиях, о чьей-либо деятельности и т. п. «Информировать» в этом смысле означает «сообщить нечто, неизвестное раньше»; · в технике под информацией понимают сообщения, передаваемые в форме знаков или сигналов; · в кибернетике под информацией понимают ту часть знаний, которая используется для ориентирования, активного действия, управления, т. е. в целях сохранения, совершенствования, развития системы. Термин «информация» имеет корень «form» (форма), что разумно трактовать как «информирование — придание формы, вывод из состояния неопределенности, бесформенности», поэтому логично подходить к определению понятия «количество информации» , исходя из того, что информацию, содержащуюся в сообщении, можно трактовать в смысле ее новизны или, иначе, уменьшения неопределенности знаний «приемника информации» об объекте. Американский инженер Р. Хартли в 1928 г. рассматривал процесс получения информации как выбор одного сообщения из конечного заданного множества N равновероятных сообщений, а количество информации I , содержащееся в выбранном сообщении, определял как двоичный логарифм N : I = log 2 N . Допустим, нужно угадать одно число из набора чисел от единицы до ста. По формуле Хартли можно вычислить, какое количество информации для этого требуется: I=log2 100≈6,644. Таким образом, сообщение о верно угаданном числе содержит количество информации, приблизительно равное 6,644 единицы информации. Другие примеры равновероятных сообщений: при бросании монеты - «выпала решка», «выпал орел»; на странице книги - «количество букв четное», «количество букв нечетное». Существуют и другие подходы к определению количества информации. Важно помнить, что любые теоретические результаты применимы лишь к определенному кругу случаев, очерченному первоначальными допущениями. Можно рассмотреть обратную задачу: «Какое количество различных двоичных чисел N можно записать с помощью I двоичных разрядов?» В общем случае количество различных двоичных чисел (кодов) можно определить по формуле: N =2 I Данная формула является очень значимой, она связывает между собой количество возможных исходов N и количество информации I (является обратной формуле Хартли). В качестве единицы информации Клод Шеннон предложил принять один бит (англ. bit — binary digit — двоичная цифра). Бит в теории информации — количество информации, необходимое для различения двух равновероятных сообщений («орел—решка», «чет—нечет» и т. п.). В вычислительной технике битом называют наименьшую «порцию» памяти компьютера, необходимую для хранения одного из двух знаков 0 и 1, используемых для машинного представления данных и команд. За единицу информации можно было бы выбрать количество информации, необходимое для различения, например, десяти равновероятных сообщений. Это будет не двоичная (бит), а десятичная (дит) единица информации. Поскольку бит — слишком мелкая единица измерения, на практике чаще применяется более крупная единица — байт , равная восьми битам. В частности, восемь бит требуется для того, чтобы закодировать любой из 256 символов основного компьютерного кода ASCII (256 = 28 ). Используются также более крупные производные единицы информации: Килобайт (Кбайт) = 1024 байт = 210 байт; Мегабайт (Мбайт) = 1024 Кбайт = 220 байт; Гигабайт (Гбайт) = 1024 Мбайт = 230 байт. В последнее время в связи с увеличением объемов обрабатываемой информации входят в употребление такие производные единицы, как: Терабайт (Тбайт) = 1024 Гбайт = 240 байт; Петабайт (Пбайт) = 1024 Тбайт = 250 байт; Экзобайт = 1018 Мбайт и пр. Для описания скорости передачи данных можно использовать термин бод. Число бод равно количеству значащих изменений сигнала (потенциала, фазы, частоты), происходящих в секунду. Первоначально бод использовался в телеграфии. Для двоичных сигналов нередко принимают, что бод равен биту в секунду, например, 1200 бод = 1200 бит/с. Однако единого мнения о правильности использования этого термина нет, особенно при высоких скоростях, где число битов в секунду не совпадает с числом бод. 2. Способы представления информации для ввода в ЭВМ. Современные технические средства информатизации выполняют функции обработки и хранения числовой, текстовой, графической, звуковой и видеоинформации с помощью компьютера. Для работы с информацией, столь разной по физической сущности, необходимо привести ее к единой форме. Все эти виды информации кодируются в последовательности электрических импульсов: есть импульс — 1, нет импульса — 0, т.е. в последовательности нулей и единиц. Такое кодирование информации в компьютере называется двоичным кодированием, а логические последовательности нулей и единиц — машинным языком. Двоичное кодирование числовой информации заключается в том, что числа в компьютере представлены в виде последовательностей 0 и 1, или бит. В начале 1980-х гг. процессоры компьютеров были 8-разрядными, за один такт работы процессора компьютер мог обработать 8 бит, т.е. максимальное обрабатываемое целое десятичное число не могло превышать 11111111 в двоичной системе. При дальнейшем повышении разрядности процессоров до 64-разрядных возросла и величина максимального числа, обрабатываемого за один такт. При двоичном кодирование текстовой информации используют для кодирования каждого символа 1 байт (8 двоичных разрядов), что позволяет закодировать N=28=256 различных символов, которых обычно бывает достаточно для представления текстовой информации: прописные и заглавные буквы русского и латинского алфавита, цифры, знаки, графические символы. Присвоение символу конкретного двоичного кода произведено в соответствии с принятым соглашением, зафиксированным в кодовой таблице. В различных кодировках одному и тому же двоичному коду соответствуют различные символы. Каждая кодировка задается своей собственной кодовой таблицей. В задачу пользователя не входит решение проблемы перекодировки текстовых документов. При работе в приложениях Windows предусмотрена возможность автоматической перекодировки документов, созданных в приложениях MS-DOS. При работе в Internet с использованием браузеров Internet Explorer и Netscape Communication происходит автоматическая перекодировка Web-страниц. При двоичном кодировании текстовой информации каждому символу соответствуют своя уникальная последовательность из восьми нулей и единиц, свой уникальный двоичный код от 00000000 до 11111111 (десятичный код от 0 до 255). Первые 33 кода (с 0 по 32) соответствуют не символам, а операциям (перевод строки, ввод пробела и т.д.). Коды с 33 по 127 являются интернациональными и соответствуют символам латинского алфавита, цифрам, знакам арифметических операций и знакам препинания. Коды с 128 по 255 являются национальными, т.е. в национальных кодировках одному и тому же коду соответствуют различные символы. В настоящее время существуют пять различных кодовых таблиц для русских букв, поэтому тексты, созданные в одной кодировке, не будут аналогично отображаться в другой. Одним из первых стандартов кодирования русских букв на компьютерах был код КОИ-8 (код обмена информацией 8-битный), который применяется на компьютерах с операционной системой UNIX. Наиболее распространенной является стандартная кириллическая кодировка Microsoft Windows, обозначаемая СР1251 (СР — Code Page — кодовая страница), которую поддерживают все Windows-приложения, работающие с русским языком. В среде операционной системы MS-DOS используется «альтернативная» кодировка, в терминологии фирмы Microsoft — кодировка СР866. Для компьютеров Macintosh фирма Apple разработала свою собственную кодировку русских букв (Мас). Международная организация по стандартизации (International Standards Organization, ISO) утвердила в качестве стандарта для русского языка кодировку, называемую ISO 8859-5. Новый международный стандарт Unicode отводит на каждый символ не один байт, а два, и потому с его помощью можно закодировать не 256 символов, a N=216 = 65 536 различных символов. Эту кодировку поддерживает платформа Microsoft Windows @ Office 97. Как определить числовой код символа. Проще всего, конечно, воспользоваться кодовой таблицей, но если ее нет под рукой, а есть компьютер на платформе Windows, загрузите текстовый редактор Word . Выберете команду меню [Вставка-Символ…] . На экране появится диалоговое окно <Символ> Центральную часть диалогового окна занимает таблица символов для определенного шрифта (например, Times New Roman Cyr). Символы располагаются последовательно слева направо и построчно, начиная с символа Пробел в левом верхнем углу и кончая буквой я в правом нижнем углу таблицы. Для определения числового кода символа в кодировке Windows (СР1251) достаточно с помощью мыши или клавиш управления курсором выбрать нужный символ (например, заглавную букву А русского алфавита) и затем активизировать кнопку Клавиша. Появится диалоговое окно <Настройка>, в котором в нижнем левом углу содержится десятичный числовой код данного символа, в данном случае 192. Как определить символ по числовому коду. Запустите любое приложение на платформе Windows&Office, например, Блокнот. С помощью дополнительной цифровой клавиатуры при нажатой клавише {Alt} введите число 0224, отпустите клавишу {Alt} , в документе появится символ а. Повторите процедуру для числовых кодов от 0225 до 0233, в документе появится последовательность из 10 символов (абвгдежзий) в кодировке Windows (CP1251). С помощью дополнительной цифровой клавиатуры при нажатой клавише {Alt} введите число 224, отпустите клавишу {Alt} , в документе появится символ р. Повторите процедуру для числовых кодов от 225 до 233, в документе появится последовательность из 10 символов (рстуфхцчшщ) в кодировке MS-DOS (CP866). Двоичное кодирование графической информации представляет собой достаточно сложный процесс, поскольку такая информация весьма разнообразна: от простых чертежей до видеофильмов. Однако любая графическая информация на экране монитора представляется в виде изображения, которое формируется из точек (пикселов). В случае обычного черно-белого изображения (без градаций серого цвета) каждая точка экрана может иметь лишь два состояния — «черная» или «белая», т.е. для хранения ее состояния необходим 1 бит. Цветные изображения могут иметь различную глубину цвета, определяемую числом бит на точку: 4, 8, 16, 24. Каждый цвет можно рассматривать как возможное состояние точки, и тогда по формуле N=2 I может быть вычислено количество цветов, отображаемых на экране монитора. Размер изображения определяется числом точек по горизонтали и по вертикали. В современных персональных компьютерах (ПК) обычно используются четыре основных размера изображения, или разрешающих способностей экрана: 640 х 480, 800 х 600, 1024 х 768 и 1280x1024 точки. Графический режим вывода изображения на экран определяется разрешающей способностью экрана и глубиной цвета . Полная информация обо всех точках изображения, хранящаяся в видеопамяти, называется битовой картой изображения. Для формирования на экране монитора графического изображения любого типа в видеопамяти компьютера должна храниться информация о каждой его точке, глубине ее цвета. Необходимый для этого объем видеопамяти рассчитывается следующим образом: объем видеопамяти = число точек х глубина цвета. Например, для графического режима 800x600 точек и глубине цвета 16 бит на точку требуемый объем видеопамяти будет равен 800 х 600 х 16 бит = 7 680 000 бит = 960 000 байт = 937,5 Кбайт. При компьютерной обработке так называемого «живого видео», т.е. видеоизображения естественных объектов, представляющих собой отдельные кадры, сменяющие друг друга с частотой 25 Гц, производится двоичное кодирование и запоминание в видеопамяти графической информации каждого кадра. С начала 90-х гг. персональные компьютеры получают широкие возможности для работы со звуковой информацией . Каждый компьютер, имеющий звуковую плату, может сохранять звук в виде файлов и воспроизводить его. С помощью специальных программных средств (редакторов аудиофайлов) открываются широкие возможности по созданию, редактированию и прослушиванию звуковых файлов. В дальнейшем создаются программы распознавания речи и появляется возможность голосового управления компьютером. При двоичном кодировании аналогового звукового сигнала непрерывный сигнал дискретизируется (оцифровывается), т. е. заменяется серией отдельных выборок (см. рис. 2.1). Качество двоичного кодирования зависит от двух параметров: количества распознаваемых дискретных уровней сигнала и количества выборок в секунду. Различные звуковые карты могут обеспечить как 8-, так и 16-битные выборки. При замене непрерывного звукового сигнала его дискретным представлением в виде ступенек 8-битные карты позволяют закодировать 256 различных уровней дискретизации звукового сигнала, соответственно 16-битные — 65 536 уровней. Частота дискретизации аналогового звукового сигнала (количество выборок в секунду) также может принимать различные значения (5,5, 11, 22 и 44 кГц). Таким образом, качество звука в дискретной форме может быть очень плохим (качество радиотрансляции) при 8 битах и 5,5 кГц и весьма высоким (качество аудио СD) при 16 битах и 44 кГц. Можно оценить объем моноаудиофайла с длительностью звучания 1с при среднем качестве звука (16 бит, 22 кГц). Для этого 16 бит на одну выборку необходимо умножить на 22 000 выборок в секунду, что дает в результате 43 Кбайта. Тема 1.2. Общая характеристика и классификация технических средств информатизации. План: 1. Технические средства информатизации – аппаратный базис информационных технологий. 2. Классификация ТСИ. 1. Технические средства информатизации – аппаратный базис информационных технологий. В процессе своего развития человеческое общество прошло этапы проникновения в тайны материи, научилось управлять различными видами энергии и, наконец, вступило в эпоху информатизации. До середины XIX в., когда доминирующими были процессы сбора и накопления информации, средства информатизации представляли собой перо, чернильницу и бумагу. На смену примитивным средствам информационной техники в конце XIX в. пришли механические: пишущая машинка, телефон, телеграф, что послужило базой для принципиальных изменений в технологии обработки информации. Лишь спустя много лет информационные процессы запоминания и передачи информации были дополнены процессами ее обработки. Это стало возможным с появлением во второй половине XX в. такой информационной техники, как электронные вычислительные машины (ЭВМ), положившие начало информационным технологиям. Информационные технологии базируются на следующих технических достижениях: — новые средства накопления информации на машиночитаемых носителях (магнитные ленты, кинофильмы, магнитные и лазерные диски и т.п.); — системы дистанционной передачи информации (локальные вычислительные сети, сети передачи данных, телефонная сеть, радиосвязь, спутниковая связь и др.); — автоматизированная обработка информации с помощью компьютера по заданным алгоритмам. Естественно, что информационные технологии строятся на сочетании аппаратных средств, программных средств и творческой мысли создателей как этих средств, так и компьютерных технологий. Специалисты называют аппаратные средства компьютерной техники Hardware (скобяные товары или жесткая проволока), а программное обеспечение — Software (мягкая проволока). Сочетание «Hardware&Software», переводимое как «твердый и мягкий», — профессиональный термин. В России программы на профессиональном сленге иногда называют новым словом «софтвер», а компьютер и периферию — «железом». Приоритетность роли программных или аппаратных средств в информационных технологиях не подлежит обсуждению, поскольку без программного обеспечения любой самый совершенный компьютер представляет собой набор электронных плат. Технические средства информатизации представляют собой совокупность компьютерной техники и ее периферийных устройств — Hardware, обеспечивающих сбор, хранение и переработку информации, и коммуникационной техники (телефон, телеграф, радио, телевидение, спутниковая связь, сети ЭВМ), осуществляющей дистанционную передачу информации. Создание электронно-вычислительных машин в середине XXв. является одним из самых выдающихся достижений в истории человечества. Постоянное развитие индустрии компьютерной техники и других технических средств информатизации за короткий срок превратилось в один из определяющих факторов научно-технического прогресса. Многие крупные научно-технические проекты современности в области космических исследований, атомной энергетики, экологии не могли бы претворяться в жизнь без применения технических средств информатизации. На протяжении последних десятилетий информационные технологии, базирующиеся на современных технических средствах информатизации, все активней вторгаются в различные сферы человеческой деятельности. Несомненна тесная взаимосвязь совершенствования программного обеспечения, технических средств информатизации и наукоемких технологий, на базе которых они производятся. Разработка нового программного обеспечения требует создания все более совершенных технических средств, что, в свою очередь, стимулирует разработку новых высокопроизводительных и экономичных технологических процессов для производства технических средств информатизации. 2. Классификация ТСИ. Современные технические средства информатизации в общем случае можно представить в виде информационно-вычислительного комплекса, содержащего собственно компьютер с его основными устройствами, а также дополнительные, или периферийные устройства. Классификация технических средств информатизации дана на рис. 1.1. К числу основных устройств персонального компьютера , располагающихся в его системном блоке, относят материнскую плату, процессор, видеоадаптер (видеокарту), звуковую карту, средства обработки видеосигнала, оперативную память, TV-тюнер. В системном блоке располагаются также приводы и дисководы для накопителей информации различных типов: на гибких и жестких дисках, компакт-дисках типа CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD. Все разнообразие функций, выполняемых периферийными устройствами при решении различных задач, можно разделить на несколько групп, как показано на рис. 1.1. Устройства отображения информации служат для обработки видеоинформации и ее представления для визуального восприятия. Это прежде всего мониторы, изготовленные на базе широкого спектра современных технологий. Формирование объемных изображений осуществляется с помощью шлемов виртуальной реальности , 3D-очков и 3D-мониторов различного принципа действия. Для решения задач, связанных с демонстрацией информации на экране для большой аудитории, применяют оверхед-проекторы, жидкокристаллические панели и мультимедийные проекторы . Для обеспечения взаимосвязи между компьютером и устройством отображения информации служит видеоадаптер, выполняющий преобразование цифрового сигнала, циркулирующего внутри ПК, в аналоговые электрические сигналы, подаваемые на монитор. Для компьютерной обработки сигналов таких устройств, как телевизионный тюнер, видеомагнитофон, видеокамера, т. е. преобразования их из аналоговой в цифровую форму, применяют специальные средства обработки видеосигнала, например, видеобластер . Звуковая и акустическая системы компьютера обеспечивают обработку и воспроизведение аудиоинформации. Устройства ввода информации представляют собой совокупность устройств управления и ввода данных. Эти функции выполняют клавиатура, мышь, джойстик . Для ввода информации в ПК все более широко применяются световое перо, сканер, цифровая камера, дигитайзер . Особым разнообразием конструктивных решений отличаются сканеры. Они бывают планшетные, роликовые, барабанные, проекционные, ручные и многофункциональные. Печатающие устройства (принтеры) служат для вывода на твердые, как правило, бумажные носители текстовой информации. По принципу действия принтеры весьма разнообразны: ударные, струйные, лазерные, светодиодные, термические. Для вывода графической информации в виде чертежей используют плоттеры. Функционирование пишущих блоков плоттеров основано на тех же принципах, что и принтеров, а по конструкции они подразделяются на планшетные и рулонные. Средства телекоммуникаций предназначены для дистанционной передачи информации. К ним относятся пейджеры, радиотелефоны, персональные терминалы для спутниковой связи, обеспечивающие передачу звуковой и текстовой информации. Факсимильные аппараты, осуществляющие процесс дистанционной передачи изображения и текста, подразделяются на термографические, электрографические, струйные, лазерные, фотографические, электрохимические и электромеханические. Модемы в основном используются для обмена информацией между компьютерами через телефонную линию и конструктивно выполняются как внешними, функционирующими автономно, так и внутренними, встраиваемыми в аппаратуру. Широко распространенными средствами работы с информацией на твердых носителях являются многочисленные устройства копировальной техники : электрографические, термографические, диазографические, фотографические, электронно-графические. Для уничтожения конфиденциальной информации на твердых носителях используются специальные устройства — шреддеры . Контрольные вопросы: 1. Что принято за единицу измерения количества информации? 2. Какие единицы измерения информации вам известны, их соотношение? 3. Каким образом можно измерить количество информации? Привести формулы, связывающие между собой количество возможных исходов N и количество информации I 4. Как кодируются символы текста? 5. Какие существуют кодировки русских букв? 6. Чем различаются существующие кодировки русских букв? 7. В чем разница между традиционными 8-битными кодировками и новой кодировкой Unicode? 8. От каких параметров зависит качество двоичного кодирования звука? 9. Каким образом производится двоичное кодирование графической информации? 10. Что входит в состав технических средств информатизации? 11. Привести классификацию ТСИ. Упражнения. Упражнение 1. 1). Какое количество информации получит второй игрок в игре «Угадай число», если первый игрок загадал число: 32, 128? 2). Какое количество информации необходимо для кодирования одной точки изображения при палитре из 16 цветов? Упражнение 2. Используя Таблицу символов, запишите последовательность десятичных числовых кодов в кодировке Windows (CP1251) для слова компьютер. Упражнение 3. Используя Таблицу символов, а затем Калькулятор, запишите последовательность двоичных числовых кодов в кодировке Windows (СР1251) для слова бит. Упражнение 4. Используя Блокнот, определите, какие слова в кодировке Windows (СР1251) заданы последовательностями числовых кодов: 225, 224, 233, 242 11011101,11000010,11001100 Упражнение 5. Используя Блокнот, определите, какие слова в кодировке MS-DOS (СР866) заданы последовательностями числовых кодов: 161, 160, 169, 226 10011101, 10000010, 10001100 Упражнение 6. В последнее время начал использоваться графический режим с глубиной цвета 32 бит Определите: 1). Какое количество цветов отображается на экране при этой глубине цвета? 2). Какой объем видеопамяти необходим для реализации данной глубины цвета при различных разрешающих способностях экрана? Упражнение 7. 1). Какое количество уровней звукового сигнала кодируется в устаревших 8-битных звуковых картах? 2). Рассчитайте объем моноаудиофайла длительностью 10 секунд при 16-битном кодировании и частоте дискретизации 44 Кгц. Раздел 2. Технические характеристики современных компьютеров. Тема 2.1. Общие сведения об электронных вычислительных машинах (ЭВМ). План: 1. Важнейшие этапы истории вычислительной техники. 2. Устройство и принцип действия ЭВМ. 3. Классификация ЭВМ. 1. Важнейшие этапы истории вычислительной техники Создание электронно-вычислительных машин в середине XXв. по праву относят к числу самых выдающихся достижений в истории человечества. Вычислительная техника расширила интеллектуальные возможности человека и превратилась в один из решающих факторов научно-технического прогресса. При этом ее развитие неразрывно связано с развитием техники и технологии в ряде промышленных отраслей. История использования механических и полуавтоматических средств для арифметических операций насчитывает не одно тысячелетие. Первые вычислительные устройства были созданы еще в Древней Греции. В 1642 г. французский математик Блез Паскаль (1623— 1662) создал механический арифмометр , позволявший выполнять четыре арифметических действия. Немецкий философ и математик Готфрид Вильгельм фон Лейбниц (1646—1716) изобрел механическую счетную машину , выполняющую сложение и умножение. Англичанин Чарльз Бэббидж (1792—1871) разработал концепцию вычислительной машины с гибкой схемой программирования и запоминающим устройством. Программы вводились с помощью перфокарт — карточек из плотного материала, на которых информация представлялась в виде комбинации отверстий и хранилась в «складе» (памяти) в виде исходных данных и промежуточных результатов. Наиболее стремительным и последовательным развитием и внедрением вычислительных устройств ознаменовалась первая половина XX в. Возможность создания универсальной вычислительной машины обосновал английский математик Алан Мати-сон Тьюринг (1912—1954). В 1943 г. американец Говард Эйкен на основе уже созданных к этому времени электромеханических реле сконструировал и изготовил на одном из предприятий фирмы IBM вычислительную машину, названную «Марк-1». Применение электронных ламп при создании первых вычислительных машин способствовало прогрессу в этой области. В 1946 г. в США группой специалистов под руководством Джона Мочли и Преспера Экерта была создана первая вычислительная машина на основе электронных ламп , названная ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer — электронный числовой интегратор и вычислитель) и предназначенная для баллистических расчетов. Для выполнения других вычислений требовалось практически заново перестраивать машину. В 1949 г. был создан компьютер, в котором нашли воплощение принципы построения логической схемы вычислительной машины выдающегося математика Джона фон Неймана (1903—1957). Эта машина использовала гибкую запоминаемую программу, которую можно было изменять, не перестраивая всей машины. Компьютеры на электронных лампах были громоздкими и стоили очень дорого, поэтому были доступны только крупным компаниям и учреждениям. Изобретение в 1948 г. транзисторов , заменивших в компьютерах электронные лампы, развитие технологии их массового производства способствовали во второй половине 1950-х гг. существенному усовершенствованию, уменьшению размеров компьютеров и снижению их стоимости. Если компьютеры на электронных лампах занимали целые залы, то первый мини-компьютер, выпущенный фирмой Digital Equipment в 1965 г., был размером всего лишь с холодильник. Следующий шаг по пути миниатюризации и совершенствования компьютеров был связан с изобретением интегральных схем . В 1959 г. Роберт Нойс , впоследствии основатель фирмы Intel, предложил создавать на одной пластине как сами транзисторы, так и все соединения между ними, так называемые интегральные схемы, или чипы . Первый компьютер на интегральных схемах выпустила в 1968 г. фирма Burroughs . В 1970 г. конструкторы фирмы Intel создали интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ. Первый микропроцессор был способен одновременно обрабатывать только 4 бита информации. Но уже в 1973 г. был выпущен 8-битовый микропроцессор Intel-8008 , а в 1974 г. — усовершенствованный вариант Intel-8080, который до конца 1970-х гг. стал стандартом для индустрии микрокомпьютеров. На базе Intel-8080 в 1975 г. был создан первый коммерчески распространяемый компьютер «Альтаир 8800» , еще не укомплектованный клавиатурой и монитором, с оперативной памятью 256 байт. Персональный компьютер «Альтаир» завоевал популярность благодаря тому, что Пол Аллен и Билл Гейтс (будущие основатели фирмы Microsoft) создали для него интерпретатор языка Basic , что позволило пользователям достаточно просто общаться с компьютером. Компьютеры стали продаваться уже в полной комплектации, с клавиатурой и монитором. Спрос на них год от года увеличивался. В 1979 г. фирма IBM (International Business Machine Corporation) вышла на рынок персональных компьютеров . При этом было решено не создавать принципиально новый персональный компьютер, а использовать блоки, изготовленные другими фирмами. В качестве основного микропроцессора компьютера был выбран новейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intel-8088 с емкостью памяти 1 Мб, использовались комплектующие различных фирм, а программное обеспечение было поручено разработать небольшой тогда фирме Microsoft . В августе 1981 г. состоялась официальная презентация нового компьютера под названием IBM PC, который быстро занял ведущее место на рынке, став стандартом персонального компьютера. Сейчас компьютеры, совместимые с IBM PC, составляют более 90% всех производимых в мире персональных компьютеров. Популярность компьютеров IBM PC обусловлена тем, что фирма IBM при разработке руководствовалась принципом открытой архитектуры , т.е. изначально сделала компьютер не единым неразъемным устройством, а обеспечила возможность изменять его конфигурации из отдельных компонентов в зависимости от круга решаемых задач. Под архитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов построения ЭВМ, реализующих программное управление работой и взаимодействие основных ее функциональных узлов. Общие принципы построения ЭВМ, которые относятся к архитектуре: · структура памяти ЭВМ; · способы доступа к памяти и внешним устройствам; · возможность изменения конфигурации компьютера; · система команд; · форматы данных; · организация интерфейса. Архитектура регламентирует не все связи составных частей вычислительного средства, а наиболее важные, необходимые для более эффективного использования. Архитектуру вычислительного средства следует отличать от его структуры. Структура вычислительного средства определяет его конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки, узлы и т.д.) и описывает связи внутри системы. В соответствии с принципом открытой архитектуры на основной электронной плате компьютера IBM PC (системной, или материнской, плате) размещены только те блоки, которые осуществляют обработку информации (вычисления). Схемы, управляющие всеми остальными (периферийными) устройствами компьютера, — монитором, дисками, принтером и т.д., реализованы на отдельных платах (контроллерах), которые вставляются в стандартные разъемы на системной плате — слоты. К этим электронным схемам подводится электропитание из единого блока питания, а для удобства и надежности все это заключается в общий корпус — системный блок. Открытость архитектуры заключается в том, что для IBM PC-совместимых компьютеров все спецификации взаимодействия внешних устройств с контроллерами, контроллеров с системной платой (шиной) доступны. Основные этапы развития IBM PC-совместимых компьютеров и периферийных устройств даны в табл. 2.1. Таблица 2.1 Основные этапы развития IBM PC-совместимых компьютеров и периферийных устройств Год появления Компоненты ПК и периферийные устройства 1978 Процессор 8086 Память DRAM объемом 64 Кбайт Накопитель (FDD) на гибких дисках 5,25" емкостью 160 байт 1979 Процессор 8088 1981 Винчестер (HDD) емкостью 10 Мбайт Мониторы стандарта CGA Мониторы стандарта MDA 1982 Процессор 80286 Магнитооптические накопители Привод CD-ROM Игольчатый принтер 1983 Лазерный принтер Струйный принтер 1984 Накопитель (FDD) на гибких дисках 5,25" емкостью 1,2 Мбайт Накопитель (FDD) на гибких дисках 3,5" емкостью 720 Кбайт Мониторы стандарта EGA Мышь 1985 Процессор 80386DX 1986 Накопитель (FDD) на гибких дисках 3,5" емкостью 1,4 Мбайт 1987 Винчестер (HDD) IDE Мониторы стандарта VGA 1988 Процессор 80386SX 1989 Процессор 80486DX Звуковая карта 1990 Мониторы стандарта SVGA 1991 Процессор 80486DX2 1992 TV-тюнер 1993 Процессор Pentium 60 1994 Процессор 80486DX4 1995 Процессор Pentium Pro Память FPM DRAM Накопитель DVD 1996 Процессор EDO DRAM 1997 Процессор Pentium II Процессор Pentium MMX Память SDRAM Накопитель Zip 1998 Процессор Celeron Память DDR SDRAM 1999 Процессор Pentium III Память RDRAM Память SLD RAM 2000 Chipset для RIMM-модулей памяти Процессор Athlon, Duron 2. Устройство и принцип действия ЭВМ На разных этапах развития техники и технологии компьютеры назывались по-разному: арифметическо-логическое устройство (АЛУ), программируемое электронно-вычислительное устройство (ПЭВМ или ЭВМ), вычислительная машина, компьютер. Основные принципы построения логической схемы и структура вычислительной машины, изложенные выдающимся математиком Джоном фон Нейманом , реализованы в первых двух поколениях ЭВМ. Классическая архитектура ЭВМ, построенная по принципу фон Неймана (фон-неймановская архитектура) и реализованная в вычислительных машинах первого и второго поколений , представлена на рис. 2.1 и содержит следующие основные блоки: · арифметическо-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции; · управляющее устройство (УУ), организующее процесс выполнения программ; · внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), или память, для хранения программ и данных; · оперативное запоминающее устройство (ОЗУ); · устройства ввода и вывода информации (УВВ). Рис. 2.1. Архитектура ЭВМ, реализующая принципы фон Неймана: Внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком. Например, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти; устройством ввода является клавиатура, а монитор и принтер — устройства вывода. Причем если монитор можно отнести к устройствам отображения информации, то принтер — типичное печатающее устройство. Взаимодействие основных устройств компьютера реализуется в определенной последовательности. В память компьютера вводится программа с помощью какого-либо внешнего устройства. Память компьютера состоит из некоторого числа пронумерованных ячеек. В каждой ячейке могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством — счетчиком команд в УУ . Управляющее устройство считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Как правило, после выполнения одной команды управляющее устройство начинает выполнять команду из ячейки памяти, которая находится непосредственно за ячейкой, где содержится только что выполненная команда. Управляющее устройство выполняет инструкции программы автоматически и может обмениваться информацией с оперативным запоминающим устройством и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, управляющее устройство может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода-вывода с внешним устройством. Все результаты выполненной программы должны быть выведены на внешние устройства компьютера, после чего компьютер переходит в режим ожидания каких-либо сигналов от внешних устройств. Схема устройства современных компьютеров несколько отличается от приведенной выше. Например, арифметическо-логическое и управляющее устройства объединены в единое устройство — центральный процессор — CPU (Central Processing Unit). Появление ЭВМ третьего поколения было обусловлено переходом от транзисторов к интегральным микросхемам. В них не только были значительно уменьшены размеры базовых функциональных узлов, но и появилась возможность существенно повысить быстродействие процессора. При этом возникло противоречие между высокой скоростью обмена информацией внутри ЭВМ и медленной работой устройств ввода/вывода. Решение проблемы было найдено путем освобождения центрального процессора от функций обмена и передачей их специальным электронным схемам управления работой внешних устройств. Такие схемы имели различные названия: каналы обмена, процессоры ввода/вывода, периферийные процессоры. В последнее время все чаще используется термин «контроллер внешнего устройства» , или «контроллер». Контроллер можно представить как специализированный процессор, управляющий работой какого-либо внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена. Например, контроллер дисковода (накопителя на магнитных дисках) обеспечивает позиционирование головки, чтение или запись информации. Результаты выполнения каждой операции заносятся во внутренние регистры памяти контроллера и могут быть в дальнейшем прочитаны центральным процессором. CPU, в свою очередь, выдает задание на выполнение контроллеру. Дальнейший обмен информацией может происходить под руководством контроллера, без участия CPU. Наличие таких интеллектуальных контроллеров — внешних устройств стало важной отличительной чертой ЭВМ третьего и четвертого поколений. Шинная архитектура ЭВМ, содержащей интеллектуальные контроллеры (К), представлена на рис. 2.2. Для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая магистраль — шина, состоящая из трех частей: шины данных, шины адреса и шины управления. Следует отметить, что в некоторых моделях компьютеров шины данных и адреса объединены: на шину сначала выставляется адрес, а потом данные. Сигналы по шине управления определяют, для какой цели используется шина в каждый конкретный момент. Такая открытость архитектуры ЭВМ позволяет пользователю свободно выбирать состав внешних устройств, т. е. конфигурировать компьютер. Рассмотрим функции основных устройств компьютера. Рис. 2.2. Шинная архитектура ЭВМ Процессор, или микропроцессор , является основным устройством ЭВМ и представляет собой функционально законченное устройство обработки информации. Он предназначен для выполнения вычислений по хранящейся в запоминающем устройстве программе и обеспечения общего управления ЭВМ. Быстродействие ЭВМ в значительной мере определяется скоростью работы процессора. Память ЭВМ содержит обрабатываемые данные и выполняемые программы, поступающие через устройство ввода/вывода. Память представляет собой сложную структуру, построенную по иерархическому принципу, состоящую из запоминающих устройств различных типов. Функционально она делится на две части — внутреннюю и внешнюю. Внутренняя память — это запоминающее устройство, напрямую связанное с процессором и предназначенное для хранения выполняемых программ и данных, непосредственно участвующих в вычислениях. Обращение к внутренней памяти ЭВМ осуществляется с высоким быстродействием, но она имеет ограниченный объем, определяемый системой адресации машины. Внутренняя память, в свою очередь, делится на оперативную и постоянную (ПЗУ) память. Постоянная память обеспечивает хранение и выдачу информации. Содержимое постоянной памяти заполняется при изготовлении ЭВМ и не подлежит изменению в обычных условиях эксплуатации. В постоянной памяти хранятся часто используемые (универсальные) программы и данные, некоторые программы операционной системы, программы тестирования оборудования ЭВМ и др. При выключении питания содержимое постоянной памяти сохраняется. Такой вид памяти называется ROM (Read Only Memory — память только для чтения) , или постоянное запоминающее устройство. Значительная часть программ, хранящихся в ROM, связана с обслуживанием ввода/вывода, поэтому ее называют ROM BIOS (Basic Input-Output System — базовая система ввода/вывода) . Оперативная память , по объему составляющая большую часть внутренней памяти, служит для приема, хранения и выдачи информации. При выключении питания содержимое оперативной памяти в большинстве случаев теряется. Эта память называется оперативной, поскольку работает так быстро, что процессору практически не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в нее. Оперативная память обозначается RAM (Random Access Memory — память с произвольным доступом). Объем установленной в компьютере оперативной памяти определяет, с каким программным обеспечением можно на нем работать. При недостаточном объеме оперативной памяти многие программы либо не будут работать совсем, либо будут работать крайне медленно. Кэш-память — сверхбыстродействующая память, обеспечивающая ускорение доступа к оперативной памяти на быстродействующих компьютерах. Она располагается между микропроцессором и оперативной памятью и хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. При обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные уже содержатся в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается. CMOS-RAM — участок памяти для хранения параметров конфигурации компьютера. Называется так в связи с тем, что эта память обычно выполняется по технологии CMOS, обладающей низким энергопотреблением. Содержимое CMOS-RAM не измеяется при выключении электропитания компьютера. Эта память располагается на контроллере периферии, для электропитания которого используются специальные аккумуляторы. Для изменения параметров конфигурации компьютера в BIOS содержится программа настройки конфигурации компьютера Setup. Видеопамять в IBM PC-совместимых компьютерах — память, используемая для хранения изображения, выводимого на экран монитора. Эта память обычно входит в состав видеоконтроллера — электронной схемы, управляющей выводом изображения на экран монитора. Внешняя память предназначена для размещения больших объемов информации и обмена ею с оперативной памятью. Для построения внешней памяти используют энергонезависимые носители информации (диски и ленты), которые являются переносными. Емкость внешней памяти практически не имеет ограничений, а для обращения к ней требуется больше времени, чем к внутренней. ВЗУ по принципам функционирования разделяются на устройства прямого доступа (накопители на магнитных и оптических дисках) и устройства последовательного доступа (накопители на магнитных лентах). Устройства прямого доступа обладают большим быстродействием, поэтому они являются основными внешними запоминающими устройствами, постоянно используемыми в процессе функционирования компьютера. Устройства последовательного доступа используются в основном для резервирования информации. Устройства ввода/вывода служат для обеспечения общения пользователя с ЭВМ и относятся к периферийным, или внешним устройствам. На рис. 2.3 показаны связи между компьютером и различными периферийными устройствами. Необходимыми устройствами ввода/вывода являются монитор, клавиатура, мышь . Монитор принимает изображение от системного блока. Его экран является рабочим полем. С помощью клавиатуры в компьютер вводятся любые тексты, символы, подаются команды и осуществляется управление работой компьютера. Мышь — средство управления курсором на экране монитора. Сам по себе компьютер не обладает знаниями ни в одной области, все эти знания сосредоточены в программном обеспечении. Программное обеспечение можно разделить на следующие категории. Рис. 2.3. Связи между компьютером и периферийными устройствами Системные программы — выполняют функции обеспечения нормальной работы компьютера, его обслуживания и настройки. Среди системных программ особое место занимают операционные системы (ОС) для управления компьютером, запуска программ, обеспечения защиты данных, выполнения различных сервисных функций по запросам пользователя и программ. Каждая ОС состоит как минимум из трех обязательных частей. Ядро, или командный интерпретатор, обеспечивает «перевод» с программного языка на язык машинных кодов. Драйверы расширяют возможности ОС, позволяя ей работать с тем или иным внешним устройством. Драйверы для различных ОС часто поставляются вместе с новыми устройствами или контроллерами. Интерфейс — удобная графическая оболочка, с которой общается пользователь. Утилиты — комплекты полезных программ, предназначенных для обслуживания и совершенствования работы компьютера. Тесты — программы для тестирования как программного обеспечения, так и аппаратных ресурсов, которые иногда относят к утилитам. Прикладные программы — непосредственно обеспечивают выполнение необходимых пользователям работ. Наиболее популярными из прикладных программ являются офисные программы, посредством которых создаются и редактируются документы в виде текстов, электронных таблиц. В эту группу входят также системы машинного перевода; распознавания текста, графики со сканера; финансовые и бухгалтерские программы, программы для работы с Internet. К мультимедийным прикладным программам относятся программы для обработки и создания изображений, работы со звуком, а также проигрыватели (плейеры) и программы просмотра (вьюверы). Последние не обеспечивают редактирование звукового или видеофайла, но позволяют проиграть музыкальную композицию или вывести изображение на экран. К группе профессиональных прикладных программ относятся инструментальные системы программирования, обеспечивающие создание новых программ для компьютера; системы автоматизированного проектирования (CAD); редакторы трехмерной графики и анимации, а также специализированные инженерные и научные программы. 3. Классификация ЭВМ Чтобы судить о возможностях ЭВМ, их принято разделять на группы по определенным признакам, т.е. классифицировать. Классификацию вычислительных машин по таким показателям, как габариты и производительность, можно представить следующим образом: · сверхпроизводительные ЭВМ и системы (суперЭВМ); · большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения); · малые, или мини-ЭВМ; · микроЭВМ. СуперЭВМ — это самые мощные вычислительные системы, существующие в соответствующий исторический период. В настоящее время к ним относятся мощные суперЭВМ «Gray» и «IBM SP2» (США). Например, модель «Gray-З» является 16-процессорной машиной с быстродействием более 10 млрд. операций в секунду, а в модели CS 6400 число процессоров доведено до 64. В 2000 г. самым мощным компьютером в мире считался ASCI White, включающий в себя 8192 процессора и поставляемый корпорацией IBM Министерству энергетики США. СуперЭВМ требуют особого температурного режима при эксплуатации, например охлаждения жидким азотом. Их производительность несопоставима с производительностью компьютеров других классов. Большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения) исторически появились первыми. Их элементная база прошла путь от электронных ламп до схем со сверхвысокой степенью интеграции. Основное назначение больших ЭВМ — выполнение сложных научно-технических расчетов, решение задач математического моделирования, использование в качестве центральных машин в крупных автоматизированных системах управления. Примером больших ЭВМ являются выпускавшиеся до недавнего времени в США модели фирмы IBM семейства 370 и их отечественные аналоги ЕС ЭВМ. Большие машины составляли основу парка вычислительной техники до середины 1970-х гг. В настоящее время выпуск больших ЭВМ продолжается. Мини-ЭВМ составляли самый многочисленный и быстро развивающийся класс ЭВМ и отличались малыми размерами, низкой стоимостью (по сравнению с большими и суперЭВМ) и универсальными возможностями. Они появились в 1960-е гг. и широко применялись для управления технологическими процессами, создания систем автоматизированного проектирования и гибких производственных систем. Среди них выделяются «супер-мини» , имеющие характеристики, сравнимые с характеристиками больших машин. К мини-ЭВМ 1980-х гг. относились машины семейства VAX-11 фирмы DEC и их отечественный аналог — СМ-1700. МикроЭВМ обязаны своим появлением созданию микропроцессора, что не только изменило конструктивно центральную часть ЭВМ, но и привело к необходимости разработки малогабаритных устройств для ее периферийной части. МикроЭВМ получили широкое распространение во всех сферах экономики, промышленности и оборонного комплекса благодаря малым размерам, высокой производительности, повышенной надежности и небольшой стоимости. Типы микроЭВМ: · многопользовательские, оснащенные рядом терминалов; · встроенные, предназначенные для управления технологическим оборудованием или подсистемой автомобиля, являясь по сути частью управляемого объекта; · рабочие станции, включающие в себя широкий круг достаточно мощных и дорогостоящих микроЭВМ, которые предназначены как для выполнения графических работ в системах автоматизированного проектирования, так и для работы в издательских системах. Рабочей станцией иногда называют компьютер, выполняющий роль хост-машины в глобальной вычислительной сети. Персональные ЭВМ предназначены для индивидуального обслуживания пользователя и ориентированы на решение различных задач неспециалистами в области вычислительной техники, т.е. для поддержки различных видов профессиональной деятельности (инженерной, административной, производственной, литературной, финансовой), а также в быту, например, для обучения и досуга. На основе персональных компьютеров создаются автоматизированные рабочие места (АРМ) для представителей разных профессий: конструкторов, дизайнеров, технологов, менеджеров. Портативные компьютеры (Notebook — записная книжка) по объему значительно меньше персональных, удобны для транспортировки. Notebook выполнен как небольшой кейс (чемоданчик) и раскрывается, как книжка. В корпусе размещены жидкокристаллический монитор и системный блок. Обычно notebook содержит только необходимый минимум устройств, причем большая их часть (дополнительный жесткий диск, модем, дисководы) подключается при необходимости через специальные разъемы. Электронные секретари представляют собой интеллектуальную электронную записную книжку и могут быть использованы для решения ограниченного круга задач: набора текста с помощью специального пера прямо на экране, составления несложной электронной таблицы, отправления электронной почты. Отдельные модели оснащены цветным дисплеем и миниатюрной клавиатурой. С целью регулирования процесса развития и совершенствования аппаратных средств ПК, обеспечения совместимости с операционными системами Windows 98 и Windows NT 5.0 корпорации Microsoft, Intel, Compaq начиная с 1997 г. разработали спецификацию ПК. При создании ежегодно обновляемых спецификаций, получивших названия РС97, РС98, РС99, РС99А, РС2001, были поставлены следующие цели: · повысить качество аппаратных и программных средств, упростить работу и удовлетворить разнообразные запросы пользователей; · наладить производство аппаратных средств и драйверов для работы под управлением Windows 98 как высококачественных, так и дешевых, но обладающих достаточной производительностью; · способствовать внедрению новых конструкторских и технологических решений при создании новых моделей. Данные спецификации описывают архитектуру, набор устройств и требования к ним, функции BIOS, конструкцию и тип корпуса ПК и по сути являются руководством для разработчиков аппаратных средств. Согласно данным спецификациям на рынке компьютеров системы IBM PC классифицируются следующим образом. Consumer PC — ПК для домашнего использования, предназначенный для развлечений и игр, а также ПК, используемый в малом или домашнем офисе — Small Office/Home Office (SOHO). Office PC — ПК для корпоративного применения, отличающийся от Consumer PC меньшей стоимостью и возможностью работать в локальной сети. Workstation — рабочая станция, используемая для работы с ресурсоемкими приложениями: системами автоматического проектирования, моделирования, банковскими программами, сложными издательскими системами. Mobile PC — мобильный ПК. Entertainment PC — мультимедийный ПК, ориентированный на игры с 2Б/ЗБ-графикой и звуковым сопровождением; работу Internet; обеспечение персональной связи (электронная почта, видеотелефонная связь); интерактивное телевидение с большим разрешением. Кроме того, мультимедийный ПК может быть использован в звуковой системе домашнего кинотеатра; для игр и просмотра DVD-фильмов; в качестве источника видеосигнала для оцифровки изображения видеомагнитофона для редактирования и последующего воспроизведения видеосюжета на ПК. Каждая из категорий ПК должна соответствовать базовому набору характеристик персонального компьютера, установленному в соответствующей спецификации. В табл. 2.2 приведены различные системные требования к базовым ПК различных спецификаций, а в табл. 2.3 — основные характеристики различных категорий ПК согласно спецификации PC 99A. Таблица 2.2 Основные характеристики спецификаций ПК Характеристика PC 97 PC 98 PC 99 PC 2001 Тактовая частота CPU, МГц 120 200 (поддержка ММХ) 300 667 Кэш-память второго уровня, Кбайт + - 256 128 128 Объем оперативной памяти, Мбайт 16 32 32 64 Минимальное разрешение, поддерживаемое графическим адаптером 800х600х х16 800х600х х16 800х600х х16 800х600х xl6 Шина ISA + + - - Шина PCI + + + + Шина AGP - + - + + Порт USB 1 1 2 2 Шина IEEE 1394 + - + - + - + - Примечание: + да; - нет; + - рекомендуется. Таблица 2.3 Основные характеристики различных категорий ПК согласно спецификации PC 99A Характеристика Категория ПК Consumer Office Workstation Entertainment Системные требования Поддержка нескольких CPU - - + - - Тактовая частота CPU, МГц 300 300 400 300 Кэш-память второго уровня, Кбайт 128 128 512 128 Объем оперативной памяти, Мбайт 32(64) 64 128 64 Поддержка энергосбережения (ACPI) + + + + Шины и порты USB(2nopTa) + + + + PCI (стандарт 2.1) + + + + ISA - - - - IEEE 1394 + - + - + - + - IrDA + - + - + - + - SCSI-контроллер - - + - - Графические и видеокомпоненты AGP + - + + + Поддержка видеоадаптером различных разрешений + + + + Аппаратная поддержка 3D + + - + + Аналоговый видеовход и захват изображения + - + - + - Видеоразъем на видеоадаптере + - + - + - + Аналоговый телевизионный тюнер + - + - + - + - Телевизионный выход - - - + - Аппаратное декодирование потока MPEG-2 - + - - + Аудиокомпоненты 16-разрядный стереозвук с частотой дискретизации 44,1 и 48 кГц + + - + - + Музыкальный синтезатор + - - - + - Накопители Привод CD-ROM + + + - Привод DVD + + + + Видеопривод DVD - + - - + Коммуникации Модем (внутренний 56 бит/с, V90) + + - + - + Сетевой адаптер + - + + + - Примечание: + да; - нет; + - рекомендуется. Контрольные вопросы 1. Перечислить основные этапы развития ВТ. Характерные особенности каждого из этапов (поколения ЭВМ). 2. Раскрыть понятие архитектуры ЭВМ. 3. Что определяет структура вычислительного средства? 4. Описать устройство и принцип действия ЭВМ Неймановской архитектуры. 5. Как организуется работа ЭВМ на интеллектуальных контроллерах? Основное назначение контроллера. 6. Перечислить функции основных узлов компьютера: процессор, память, устройства ввода-вывода и др. 7. В чём заключается роль программного обеспечения ВС. Типы программного обеспечения. 8. Привести классификацию ЭВМ по размерам и функциональным возможностям. Характеристики каждого класса. 9. Привести основные характеристики спецификаций ПК. Тема 2.2. Внутренняя структура вычислительной машины. План: 1. Материнские платы. 2. Структура и стандарты шин ПК. 3. Основные характеристики процессоров. 4. Оперативная память. 1. Материнские платы Материнская плата ( Motherboard ) — основной компонент каждого ПК. Называется главной ( Mainboard ), или системной, платой. Это самостоятельный элемент, который управляет внутренними связями и взаимодействует с внешними устройствами. Материнская плата является основным элементом внутри ПК, влияющим на производительность компьютера в целом. Конструктивно материнская плата является главной платой ПК, на которой размещены все его основные элементы, линии соединения и разъемы для подключения внешних устройств. Тип установленной материнской платы определяет общую производительность системы, а также возможности модернизации ПК и подключения дополнительных устройств. Наиболее известными среди фирм — производителей материнских плат в настоящее время являются Intel , FICO , LackyStar , ASUStec . На рис. 2.4 представлена структура типовой материнской платы: Рис. 2.4. Структура типовой материнской платы • процессор, установленный в специальный разъем и охлаждаемый радиатором с вентилятором; • микросхемы кэш-памяти второго уровня (внешней). В современных процессорах эти микросхемы устанавливаются на плату картриджа центрального процессора; • слоты для установки модулей оперативной памяти; • слоты для установки карт расширения. Как правило, на материнских платах имеются разъемы для карт стандарта ISA и PCI. Современные модели материнских плат оборудованы дополнительно слотом AGP. Наличие слотов и возможность установки в них любых карт расширения (видеоадаптера, звуковой карты, модема, карты АЦП и других) определяет открытую архитектуру ПК; • микросхема перепрограммируемой памяти, в которой хранятся программы BIOS, программы тестирования ПК, загрузки операционной системы, драйверы устройств, начальные установки; • разъемы для подключения накопителей HDD, FDD. Все компоненты материнской платы связаны между собой системой проводников (линий), по которым происходит обмен информацией. Эту совокупность линий называют информационной шиной, или просто шиной ( Bus ). Взаимодействие между компонентами и устройствами ПК, подключенными к разным шинам, осуществляется с помощью так называемых мостов, реализованных на одной из микросхем Chipset. Например, на рис. 2.4 мост для соединения шины ISA и PCI реализован в микросхеме 82371АВ. Размеры материнской платы, а также отверстия внутри платы, которые соединяют ее с дном корпуса, стандартизованы. Основные типоразмеры материнских плат различных стандартов даны в табл. 2.4. Таблица 2.4 Основные типоразмеры материнских плат различных стандартов Обозначение Размер, см Примечание Baby-AT 33,0x22,5 Стандартный HalfSize 24,4x21,8 Мини-плата для ПК с CPU 386 и 486; пригодна для корпуса Slimline LPX 33,0x22,9 Для корпусов уменьшенной высоты и Slimline Mini-LPX 26,4x20,1 Для корпусов уменьшенной высоты и Slimline ATX 30,5x24,4 Для корпусов АТХ Mini-ATX 28,4x20,8 Для корпусов АТХ уменьшенной высоты MicroATX 24,4x24,4 Для корпусов АТХ уменьшенной высоты Flex-ATX 22,9x19,1 Миниатюрные корпуса NLX 34,5x22,9 Для корпусов уменьшенной высоты и Slimline Mini-NLX 25,4x20,3 Для корпусов уменьшенной высоты и Slimline При выборе материнской платы необходимо согласовать ее размеры с типом корпуса ПК, а при ее установке следует исключить контакт с дном и боковыми металлическими панелями корпуса во избежание короткого замыкания. Формфактор материнской платы — общая стратегия расположения на ней основных микросхем, слотов, ее форма и размер. Формат материнских плат типоразмера Baby - AT появился в 1982 г. Материнские платы данного формата могут быть установлены практически в любой корпус, за исключением корпусов уменьшенной высоты и Slimline. Именно поэтому они получили наибольшее распространение. В настоящее время корпорация Intel сняла с производства материнские платы Baby-AT и перешла на выпуск материнских плат спецификации АТХ. В 1995 г. корпорация Intel предложила новую спецификацию АТХ для материнской платы и корпуса ПК. Спецификация АТХ для материнских плат предусматривает: 1) интеграцию на материнской плате стандартных периферийных устройств: контроллеров дисководов и винчестеров, параллельных и последовательных портов, а также (по мере необходимости) видео- и звуковых адаптеров, модемов и интерфейсов локальных сетей; 2) наличие встроенной двойной панели разъемов ввода/вывода размером 15,9Х4,4 см, находящейся на тыльной стороне материнской платы; 3) изменение местоположения CPU и модулей памяти на материнской плате. CPU и модули памяти располагаются около вентилятора блока питания: они не мешают картам расширения, их легко заменять; 4) перемещение разъемов контроллеров ввода/вывода, интегрированных в материнской плате, ближе к накопителям, что способствует уменьшению длины внутренних кабелей. Все преимущества материнской платы АТХ проявляются в том случае, если она устанавливается в соответствующий корпус. Разработаны следующие модификации материнских плат АТХ: Mini-ATX, Micro АТХ, Flex ATX. В 1997 г. корпорацией Intel был предложен новый стандарт NLX, который стал дальнейшим развитием стандарта АТХ. Согласно стандарту NLX, в ПК устанавливается так называемая риз ер-карта, имеющая стандартные слоты PCI и ISA, в которые устанавливаются все необходимые карты расширения. Основное отличие ризер-карты состоит в том, что материнская плата устанавливается в специальный слот, называемый NLX Riser Connector . Этот разъем содержит не только информационную шину, но и шину питания. Таким образом, после установки материнская плата автоматически оказывается подключенной к шине питания. На ризер-карте располагаются различные разъемы, которые раньше располагались на материнской плате, — IDE, FDD, USB, блока питания и др. Преимущества стандарта NLX: · гарантированная возможность замены материнской платы; · удобный доступ к кабелям, картам расширения, модулям памяти; · существенное сокращение длины кабелей; · возможность замены CPU; · возможность применения двухпроцессорных систем. 2. Структура и стандарты шин ПК Шиной ( Bus ) называется вся совокупность линий (проводников на материнской плате), по которым обмениваются информацией компоненты и устройства ПК. Шина предназначена для обмена информацией между двумя и более устройствами. Шина, связывающая только два устройства, называется портом. На рис. 2.5 дана схема шины. Рис. 2.5. Структура шины Шина имеет места для подключения внешних устройств — слоты, которые в результате становятся частью шины и могут обмениваться информацией со всеми другими подключенными к ней устройствами. Шины в ПК различаются по своему функциональному назначению: • системная шина (или шина CPU) используется микросхема ми Cipset для пересылки информации к CPU и обратно (см. также рис. 2.4); • шина кэш-памяти предназначена для обмена информацией между CPU и кэш-памятью (см. также рис. 2.4); • шина памяти используется для обмена информацией между оперативной памятью RAM и CPU; • шины ввода/вывода информации подразделяются на стандартные и локальные. Локальная шина ввода/вывода — это скоростная шина, предназначенная для обмена информацией между быстродействующими периферийными устройствами (видеоадаптерами, сетевыми картами, картами сканера и др.) и системной шиной под управлением CPU. В настоящее время в качестве локальной шины используется шина PCI. Для ускорения ввода/вывода видеоданных и повышения производительности ПК при обработке трехмерных изображений корпорацией Intel была разработана шина AGP (Accelerated Graphics Port ). Стандартная шина ввода/вывода используется для подключения к перечисленным выше шинам более медленных устройств (например, мыши, клавиатуры, модемов, старых звуковых карт). До недавнего времени в качестве этой шины использовалась шина стандарта ISA. В настоящее время — шина USB. Шина имеет собственную архитектуру, позволяющую реализовать важнейшие ее свойства — возможность параллельного подключения практически неограниченного числа внешних устройств и обеспечение обмена информацией между ними. Архитектура любой шины имеет следующие компоненты: • линии для обмена данными (шина данных); • линии для адресации данных (шина адреса); • линии управления данными (шина управления); • контроллер шины. Контроллер шины осуществляет управление процессом обмена данными и служебными сигналами и обычно выполняется в виде отдельной микросхемы либо в виде совместимого набора микросхем — Chipset. Шина данных обеспечивает обмен данными между CPU, картами расширения, установленными в слоты, и памятью RAM. Чем выше разрядность шины, тем больше данных может быть передано за один такт и тем выше производительность ПК. Компьютеры с процессором 80286 имеют 16-разрядную шину данных, с CPU 80386 и 80486 — 32-разрядную, а компьютеры с CPU семейства Pentium — 64-разрядную шину данных. Шина адреса служит для указания адреса к какому-либо устройству ПК, с которым CPU производит обмен данными. Каждый компонент ПК, каждый регистр ввода/вывода и ячейка RAM имеют свой адрес и входят в общее адресное пространство PC. По шине адреса передается идентификационный код (адрес) отправителя и (или) получателя данных. Для ускорения обмена данными используется устройство промежуточного хранения данных — оперативная память — RAM. При этом решающую роль играет объем данных, которые могут временно храниться в ней. Объем зависит от разрядности адресной шины (числа линий) и тем самым от максимально возможного числа адресов, генерируемых процессором на адресной шине, т.е. от количества ячеек RAM, которым может быть присвоен адрес. Количество ячеек RAM не должно превышать 2n , где п — разрядность адресной шины. В противном случае часть ячеек не будет использоваться, поскольку процессор не сможет адресоваться к ним. В двоичной системе счисления максимально адресуемый объем памяти равен 2n , где п — число линий шины адреса. Процессор 8088, например, имел 20 адресных линий и мог, таким образом, адресовать память объемом 1 Мбайт (220 =1 048 576 байт= 1024 Кбайт). В ПК с процессором 80286 разрядность адресной шины была увеличена до 24 бит, а процессоры 80486, Pentium, Pentium MMX и Pentium II имеют уже 32-разрядную шину адреса, с помощью которой можно адресовать 4 Гбайт памяти. Шина управления передает ряд служебных сигналов: записи/считывания, готовности к приему/передаче данных, подтверждения приема данных, аппаратного прерывания, управления и других, чтобы обеспечить передачу данных. 2.1. Основные характеристики шины Разрядность шины определяется числом параллельных проводников, входящих в нее. Первая шина ISA для IBM PC была восьмиразрядной, т. е. по ней можно было одновременно передавать 8 бит. Системные шины современных ПК, например, Pentium IV — 64-разрядные. Пропускная способность шины определяется количеством байт информации, передаваемых по шине за секунду. Для определения пропускной способности шины необходимо умножить тактовую частоту шины на ее разрядность. Например, для 16-разрядной шины ISA пропускная способность определяется так: (16 бит • 8,33 МГц): 8 = 16,66 Мбайт/с. При расчете пропускной способности, например шины AGP, следует учитывать режим ее работы: благодаря увеличению в два раза тактовой частоты видеопроцессора и изменению протокола передачи данных удалось повысить пропускную способность шины в два (режим 2х) или в четыре (режим 4х) раза, что эквивалентно увеличению тактовой частоты шины в соответствующее число раз (до 133 и 266 МГц соответственно). Внешние устройства к шинам подключаются посредством интерфейса ( Interface — сопряжение) , представляющего собой совокупность различных характеристик какого-либо периферийного устройства ПК, определяющих организацию обмена информацией между ним и центральным процессором. К числу таких характеристик относятся электрические и временные параметры, набор управляющих сигналов, протокол обмена данными и конструктивные особенности подключения. Обмен данными между компонентами ПК возможен только если интерфейсы этих компонентов совместимы. 2.2. Стандарты шин ПК Принцип IBM-совместимости подразумевает стандартизацию интерфейсов отдельных компонентов ПК, что, в свою очередь, определяет гибкость системы в целом, т.е. возможность по мере необходимости изменять конфигурацию системы и подключать различные периферийные устройства. В случае несовместимости интерфейсов используются контроллеры. Кроме того, гибкость и унификация системы достигаются за счет введения промежуточных стандартных интерфейсов, таких как интерфейсы последовательной и параллельной передачи данных. Эти итерфейсы необходимы для работы наиболее важных периферийных устройств ввода и вывода. Системная шина предназначена для обмена информацией между CPU, памятью и другими устройствами, входящими в систему. К системным шинам относятся: GTL, имеющая разрядность 64 бит, тактовую частоту 66, 100 и 133 МГц; EV6, спецификация которой позволяет повысить ее тактовую частоту до 377 МГц. Шины ввода/вывода совершенствуются в соответствии с развитием периферийных устройств ПК. В табл. 2.5 представлены характеристики некоторых шин ввода/вывода. Шина ISA в течение многих лет считалась стандартом ПК, однако и до сих пор сохраняется в некоторых ПК наряду с современной шиной PCI. Корпорация Intel совместно с Microsoft разработала стратегию постепенного отказа от шины ISA. Вначале планируется исключить ISA-разъемы на материнской плате, а впоследствии Таблица 2.5 Характеристики шин ввода/вывода Шина Разрядность, бит Тактовая частота, МГц Пропускная способность, Мбайт/с ISA 8-разрядная 08 8,33 0008,33 ISA 16-разрядная 16 8,33 0016,6 EISA 32 8,33 0033,3 VLB 32 33 0132,3 PCI 32 33 0132,3 PCI 2.1 64-разрядная 64 66 0528,3 AGP (ix) 32 66 0262,6 AGP (2x) 32 66x2 0528,3 AGP (4x) 32 66x2 1056,6 исключить слоты ISA и подключать дисководы, мыши, клавиатуры, сканеры к шине USB, а винчестеры, приводы CD-ROM, DVD-ROM — к шине IEEE 1394. Однако наличие огромного парка ПК с шиной ISA и соответствующих комплектующих позволяет предполагать, что 16-разрядная шина ISA будет востребована еще на протяжении некоторого времени. Шина EISA стала дальнейшим развитием шины ISA в направлении повышения производительности системы и совместимости ее компонентов. Шина не получила широкого распространения в связи с ее высокой стоимостью и пропускной способностью, уступающей пропускной способности появившейся на рынке шины VESA. Шина VESA , или VLB , предназначена для связи CPU с быстрыми периферийными устройствами и представляет собой расширение шины ISA для обмена видеоданными. Во времена преобладания на компьютерном рынке процессора CPU 80486 шина VLB была достаточно популярна, однако в настоящее время ее вытеснила более производительная шина PCI. Шина PCI была разработана фирмой Intel для процессора Pentium и представляет собой совершенно новую шину. Основополагающим принципом, положенным в основу шины PCI, является применение так называемых мостов ( Bridges ), которые осуществляют связь между шиной PCI и другими типами шин. В шине PCI реализован принцип Bus Mastering, который подразумевает способность внешнего устройства при пересылке данных управлять шиной (без участия CPU). Во время передачи информации устройство, поддерживающее Bus Mastering, захватывает шину и становится главным. В этом случае центральный процессор освобождается для решения других задач, пока происходит передача данных. В современных материнских платах тактовая частота шины PCI задается как половина тактовой частоты системной шины, т.е. при тактовой частоте системной шины 66 МГц шина PCI будет работать на частоте 33 МГц. В настоящее время шина PCI стала фактическим стандартом среди шин ввода/вывода. На рис. 2.6 дана архитектура шины PCI. Рис. 2.6. Архитектура шины PCI Шина AGP — высокоскоростная локальная шина ввода/вывода, предназначенная исключительно для нужд видеосистемы. Она связывает видеоадаптер (ЗБ-акселератор) с системной памятью ПК. Шина AGP была разработана на основе архитектуры шины РС1, поэтому она также является 32-разрядной. Однако при этом у нее есть дополнительные возможности увеличения пропускной способности, в частности, за счет использования более высоких тактовых частот. Если в стандартном варианте 32-разрядная шина PCI имеет тактовую частоту 33 МГц, что обеспечивает теоретическую пропускную способность PCI 33 х 32= 1056 Мбит/с= 132 Мбайт/с, то шина AGP тактуется сигналом с частотой 66 МГц, поэтому ее пропускная способность в режиме 1х составляет 66 х 32 = 264 Мбайт/с; в режиме 2х эквивалентная тактовая частота составляет Рис. 2.7. Архитектура шины USB 132 МГц, а пропускная способность — 528 Мбайт/с; в режиме 4х пропускная способность около 1 Гбайт/с. Шина USB была разработана лидерами компьютерной и телекоммуникационной промышленности Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft для подключения периферийных устройств вне корпуса PC. Скорость обмена информацией по шине USB составляет 12 Мбит/с или 15 Мбайт/с. К компьютерам, оборудованным шиной USB, можно подключать такие периферийные устройства, как клавиатура, мышь, джойстик, принтер, не выключая питания. Шина USB поддерживает технологию Plug & Play. При подсоединении периферийного устройства его конфигурирование осуществляется автоматически. Все периферийные устройства должны быть оборудованы разъемами USB и подключаться к ПК через отдельный выносной блок, называемый USB-хабом, или концентратором, с помощью которого к ПК можно подключить до 127 периферийных устройств. Архитектура шины USB представлена на рис. 2.7. Шина SCSI ( Small Computer System Interface ) обеспечивает скорость передачи данных до 320 Мбайт/с и предусматривает подключение к одному адаптеру до восьми устройств: винчестеры, приводы CD-ROM, сканеры, фото- и видеокамеры. Отличительной особенностью шины SCSI является то, что она представляет собой кабельный шлейф. С шинами PC (ISA или PCI) шина SCSI связана через хост-адаптер ( Host Adapter ). Каждое устройство, подключенное к шине, имеет свой идентификационный номер (ID). Любое устройство, подключенное к шине SCSI, может инициировать обмен с другим устройством. На рис. 2.8 показано подключение периферийных устройств к ПК с помощью шины SCSI. Существует широкий диапазон версий SCSI, начиная от первой версии SCSI I, обеспечивающей максимальную пропускную способность 5 Мбайт/с, и до версии Ultra 320 с максимальной пропускной способностью 320 Мбайт/с. С шиной SCSI может конкурировать шина IEEE 1394. Шина IEEE 1394 — это стандарт высокоскоростной локальной последовательной шины, разработанный фирмами Apple и Texas Instruments. Шина IEEE 1394 предназначена для обмена цифровой информацией между ПК и другими электронными устройствами, особенно для подключения жестких дисков и устройств обработки аудио- и видеоинформации, а также работы мультимедийных приложений. Она способна передавать данные со скоростью до 1600 Мбит/с, работать одновременно с несколькими устройствами, передающими данные с разными скоростями, как и SCSI. Как и USB, шина IEEE 1394 полностью поддерживает технологию Plug & Play, включая возможность установки компонентов без отключения питания ПК. Рис. 2.8. Шина SCSI с подключенными устройствами Подключать к компьютеру через интерфейс IEEE 1394 можно практически любые устройства, способные работать с SCSI. К ним относятся все виды накопителей на дисках, включая жесткие, оптические, CD-ROM, DVD, цифровые видеокамеры, устройства записи на магнитную ленту и многие другие периферийные устройства. Благодаря таким широким возможностям, эта шина стала наиболее перспективной для объединения компьютера с бытовой электроникой. В настоящее время уже выпускаются адаптеры IEEE 1394 для шины PCI. 2.3. Последовательный и параллельный порты Такие устройства ввода и вывода, как клавиатура, мышь, монитор и принтер, входят в стандартную комплектацию ПК. Все периферийные устройства ввода должны коммутироваться с ПК таким образом, чтобы данные, вводимые пользователем, могли не только корректно поступать в компьютер, но и в дальнейшем эффективно обрабатываться. Для обмена данными и связи между периферией (устройствами ввода/вывода) и модулем обработки данных (материнской платой) может быть организована параллельная или последовательная передача данных. Параллельная связь означает, что все 8 бит (или 1 байт) пересылаются и передаются не один за другим, а одновременно (параллельно) или, точнее, каждый по своему проводу. Принцип параллельной передачи данных становится очевидным, если рассмотреть кабель, подсоединенный к разъему параллельного интерфейса, например кабель принтера. Он значительно толще, чем последовательный кабель мыши, поскольку кабель для параллельной передачи данных должен как минимум содержать восемь проводов, каждый из которых предназначен для передачи одного бита. Параллельные интерфейсы разрабатывает фирма Centronics , поэтому параллельный интерфейс часто называют интерфейсом Centronics. Параллельный интерфейс для принтера обычно обозначают LPT ( Line Printer ). Первый подключенный принтер обозначается как от LPT1, а второй — как от LPT2. Существуют несколько типов параллельных портов: стандартный, ЕРР и ЕСР. Стандартный параллельный порт предназначен только для односторонней передачи информации от ПК к принтеру, что заложено в электрической схеме порта. Он обеспечивает максимальную скорость передачи данных от 120 до 200 Кбайт/с. Порт EPP является двунаправленным, т.е. обеспечивает параллельную передачу 8 бит данных в обоих направлениях и полностью совместим со стандартным портом. Порт ЕРР передает и принимает данные почти в шесть раз быстрее стандартного параллельного порта, чему способствует то, что порт ЕРР имеет буфер, сохраняющий передаваемые и принимаемые символы до момента, когда принтер будет готов их принять. Специальный режим позволяет порту ЕРР передавать блоки данных непосредственно из RAM PC в принтер и обратно, минуя процессор. При использовании надлежащего программного обеспечения порт ЕРР может передавать и принимать данные со скоростью до 2 Мбит/с. Порт ЕСР, обладая всеми возможностями порта ЕРР, обеспечивает повышенную скорость передачи данных за счет функции сжатия данных. Для сжатия данных используется метод RLE ( Run Length Encoding ), согласно которому длинная последовательность одинаковых символов передается всего лишь двумя байтами: один байт определяет повторяющийся символ, а второй — число повторений. При этом стандарт ЕСР допускает сжатие и распаковку данных как программно (путем применения драйвера), так и аппаратно (схемой порта). Данная функция не является обязательной, поэтому порты, периферийные устройства и программы могут ее и не поддерживать. Она может быть реализована, когда режим сжатия данных поддерживается как портом ЕСР, так и принтером. Увеличение скорости передачи данных с помощью порта ЕСР существенно уменьшает время распечатки данных на принтере. Использование преимуществ функциональных возможностей портов ЕСР и ЕРР возможно при наличии компьютера, оборудованного одним из этих стандартов. Последовательная связь осуществляется побитно: отдельные биты пересылаются (или принимаются) последовательно один за другим по одному проводу, при этом возможен обмен данными в двух направлениях, прием и передача данных осуществляются с одинаковой тактовой частотой. Для последовательных интерфейсов выбор подключаемых устройств значительно шире, поэтому большинство ПК обычно оборудовано двумя интерфейсными разъемами для последовательной передачи данных. В качестве стандартного обозначения для последовательного интерфейса чаще всего используют RS-232, RS-422, RS-465. Разъемы последовательного интерфейса на ПК представляют собой 9-контактный (вилка) Sub-D или 25-контактный (вилка) Sub-D. Для установления связи между двумя последовательными интерфейсами предварительно необходимо сконфигурировать их соответствующим образом, т.е. указать, как будет осуществляться обмен данными: скорость обмена, формат данных, контроль четности и т. п. Аппаратное конфигурирование интерфейса путем соответствующей установки джамперов или переключателей неудобно, поскольку приходится вскрывать корпус ПК. Обычно конфигурирование последовательного интерфейса осуществляется программным способом, тем более что среда Windows предоставляет такую возможность. 3. Основные характеристики процессоров Процессор, или центральный процессор, представляет собой «сердце» материнской платы, поскольку находится в постоянном взаимодействии с другими элементами материнской платы до тех пор, пока ПК включен. Признанный лидер в производстве процессоров для IBM PC-совместимых компьютеров — компания Intel , основанная в июне 1968 г. Основным конкурентом Intel является корпорация AMD ( Advanced Micro Devices ), которая в последнее время заметно потеснила Intel на рынке CPU, предназначенных для недорогих ПК. Выпускают CPU и другие фирмы: Cyrix , Centaur , IDT , Rise . Процессоры подразделяются по типам. Обозначение CPU для ПК начинается с 80, затем следуют две или три цифры, которые при необходимости дополняются буквами или цифрами, указывающими тактовую частоту процессора. Перед обозначением типа процессора чаще всего имеется сокращение, идентифицирующее изготовителя. Например, маркировка i80486DX-50 обозначает процессор типа 80486, изготовленный фирмой Intel, работающий на тактовой частоте 50 МГц. Микросхемы фирмы AMD маркируются префиксом AMD , а процессоры Cyrix — СХ. При запуске ПК эти буквы появляются на экране монитора перед номером типа процессора. На любом процессорном кристалле находятся: 1. процессор, главное вычислительное устройство, осуществляющее арифметические и логические операции над данными, состоит из миллионов логических элементов — транзисторов; 2. сопроцессор — специальный блок для операций с «плавающей точкой» (или запятой). Применяется для особо точных и сложных расчетов, а также для работы с рядом графических программ; 3. кэш-память первого уровня — сверхбыстрая память, предназначенная для хранения промежуточных результатов вычислений; 4. кэш-память второго уровня. 5. Все эти устройства размещаются на кристалле площадью не более 6 см2 . Только под микроскопом можно разглядеть элементы, из которых состоит микропроцессор. Производительность CPU характеризуется следующими основными параметрами: • степень интеграции; • разрядность обрабатываемых данных; • тактовая частота; • память, к которой может адресоваться CPU; • объем установленной кэш-памяти. Кроме того, CPU различаются по технологии производства, напряжению питания, формфактору и др. Исходя из технических характеристик и тенденций развития и совершенствования, выделяют семь поколений процессоров. Степень интеграции микросхемы CPU (чипа) показывает, какое число транзисторов в ней умещается. Если в чипе процессоров первого поколения (8086/8088) помещалось 0,029 млн транзисторов, то в современных процессорах — свыше 28 млн. Специалисты предсказывают, что к 2011 г. в каждом процессоре будет располагаться до 1 млрд транзисторов. Разрядность обрабатываемых данных определяется количеством бит информации, которое процессор может обрабатывать одновременно: 16, 32 или 64. Тактовая частота ПК определяется частотой работы тактового генератора (System Clock), который синхронизирует работу различных компонентов. Частота работы тактового генератора измеряется в мегагерцах. Если первые ПК имели один тактовый генератор, который с частотой 8 МГц синхронизировал работу процессора, памяти, шины ввода/вывода, то в современных ПК имеется несколько тактовых генераторов, работающих синхронно на разных частотах. Частота системы ПК определяется частотой системной шины, причем тактовые частоты всех остальных компонентов ПК являются кратными частоте системной шины. Например, тактовые частоты различных компонентов системы ПК с CPU Pentium II, работающего с тактовой частотой 266 МГц, составляют (в МГц) 66 — для системной шины; 133 — для кэш-памяти второго уровня; 33 — для шины PCI и 8,3 — для шины ISA. Таким образом, производительность всей системы в целом зависит от тактовой частоты системной шины. Объем памяти, к которой может адресоваться CPU, определяется объемом оперативной памяти ПК, поскольку данные, которые обрабатывает CPU, должны располагаться в RAM. Если процессоры ПК первого поколения имели максимальный объем адресуемой памяти 1 Мбайт, то у процессоров шестого и седьмого поколений эта величина составляет 64 Гбайт. 3.1. Особенности процессоров различных поколений Процессоры первого и второго поколений представлены CPU 8086/ 8088 и 80286. Процессор 8086/8088 имел тактовую частоту 4,77 МГц и оперативную память 256 Кбайт. Процессор второго поколения имел защищенный режим работы, позволявший обращаться к 16 Мбайт физической и 1 Гбайт виртуальной памяти. Лучшие из процессоров 80286 достигли тактовой частоты в 20 МГц. Процессоры третьего поколения 80386 отличались от своих предшественников возможностью работы в виртуальном режиме, наличием внешней кэш-памяти CPU, расположенной на материнской плате, и 32-разрядным ядром CPU. 32-разрядный процессор 386 DX имел тактовую частоту уже 33 МГц, обеспечивал адресацию физической памяти до 4 Гбайт и виртуальной — до 64 Гбайт. Процессоры четвертого поколения 80486 отличаются от процессоров третьего поколения тем, что в само ядро CPU интегрированы кэш-память и сопроцессор, а также реализована конвейеризация вычислений. Сопроцессор, или математический процессор ( Numeric Processing Unit — NPU ), предназначен для выполнения арифметических действий с плавающей точкой. Он не управляет системой, а ждет команду от CPU на выполнение арифметических действий и формирование результатов. Фирма Intel полагает, что сопроцессор может на 80 % сократить время выполнения таких операций, как умножение и возведение в степень. Типичными представителями CPU четвертого поколения являются 80486DX и 80486SX с соответствующими диапазонами тактовых частот 33 — 50 МГц и 2 —33 МГц. В 80486SX отсутствует интегрированный сопроцессор. В обозначениях процессоров 80486DX/2 и 80486DX/4 символы «/2» и «/4» означают, что процессор работает с тактовой частотой соответственно в два и четыре раза выше, чем частота системной шины. CPU 80486DX/4 позволяет увеличить тактовую частоту в четыре раза и содержит 16 Кбайт внутренней кэш-памяти. Процессоры пятого поколения типа Pentium поддерживают 64-разрядную системную шину с тактовой частотой 66 МГц, имеют технологию предсказания переходов и параллельной конвейерной обработки данных с помощью двух пятиступенчатых конвейеров. Предсказание переходов реализуется благодаря хранению данных о последних 256 переходах в специальном буфере адреса перехода. Кэш-память объемом 16 Кбайт разделена на память данных и память команд по 8 Кбайт, что исключает пересечение команд и данных. Процессоры Pentium принято подразделять по поколениям в соответствии с хронологией выхода на компьютерный рынок и техническими характеристиками. CPU Pentium первого поколения представляет собой 32-разрядный процессор, работающий на тактовой частоте 60 и 66 МГц. В начале тактовая частота CPU Pentium второго поколения составляла 90 и 100 МГц, но в настоящее время она достигает 200 МГц. Основное отличие Pentium второго и третьего поколений в том, что ядро процессоров третьего поколения производится по технологии, обеспечивающей размер элемента ядра процессора 0,25 мкм, в то время как у Pentium первого и второго поколений эта величина составляла 0,8 и 0,35 мкм соответственно. Конкуренцию CPU Pentium производства компании Intel на компьютерном рынке составляют процессоры AMD K5 производства компании Advanced Micro Devices и Cyrix 6x86 (Cyrix Corporation), которые по ряду характеристик превосходят CPU Pentium. Процессоры Pentium MMX ориентированы на решение задач мультимедиа и содержат схемотехнические и архитектурные решения, существенно повышающие производительность: вдвое увеличен размер кэш-памяти (16 Кбайт для данных и 16 Кбайт для команд); увеличена до шести шагов длина конвейера. Скорость выполнения программ увеличена на 10— 15 %, причем особые преимущества получают любители компьютерных игр, видеофильмов на CD-ROM и профессионалы-дизайнеры. Процессоры шестого поколения поддерживают 64-разрядную системную шину и работу многопроцессорных систем. Первый CPU шестого поколения фирмы Intel носит имя Pentium Pro. По сравнению с Pentium процессоры Pentium Pro имеют не два, а четыре конвейера с увеличением ступеней при конвейерной обработке данных с пяти до 14, усовершенствованную технологию предсказания переходов. Особенностью CPU Pentium Pro является интегрированная кэш-память второго уровня, которая за счет перемещения с материнской платы в CPU может работать на максимальной частоте CPU. CPU Pentium Pro предназначен для пользователей, работающих с мощными вычислительными средствами. Процессор Pentium II сочетает архитектуру Pentium Pro с технологией ММХ. Тактовая частота CPU Pentium II находится в диапазоне от 233 до 450 МГц, а системной шины его материнской платы — от 66 до 100 МГц. Pentium III , пришедший на смену Pentium II, расширяет возможности обработки изображений, потоков аудио- и видеоданных, распознавания речи, имеет тактовую частоту процессора свыше 600 МГц и системной шины до 1,33 ГГц. CPU семейства Celeron представляют собой версию Pentium II, предназначенную ускорить процесс перехода пользователей на новое поколение процессоров. Процессоры семейства AMD K 6-2 фирмы AMD имеют в ядре CPU модуль с конвейерной структурой для ускоренной обработки инструкций трехмерной графики, аудио- и видеоданных, что увеличивает производительность процессора, который работает на тактовой частоте от 266 до 450 МГц при частоте системной шины 66, 95 и 100 МГц. В ядро процессора AMD K6-3 интегрировано 256 Кбайт кэш-памяти второго уровня, работающей на частоте процессора, а на материнской плате располагается кэш-память третьего уровня объемом от 512 до 2048 Кбайт. Процессоры седьмого поколения имеют собственную частоту свыше 1 ГГц и поддерживают новую системную шину с тактовой частотой до 400 МГц. CPU K -7 корпорации AMD получили название Athlon . CPU Athlon первого поколения основаны на технологии 0,22 мкм и имели тактовую частоту до 700 МГц, а второго поколения при переходе на технологию 0,18 мкм достигают частоты 1000 МГц. CPU Pentium IV (Willamate), по сути модернизация Pentium Pro, имеет тактовую частоту 1500 ГГц и использует системную шину Quard Pumped с тактовой частотой 100 МГц. Объем кэш-памяти первого уровня составляет 256 Кбайт, а второго — от 512 до 1024 Кбайт. Дальнейшее совершенствование процессоров связано с переходом на новую технологию производства процессоров. Так, компания Intel в 2000 г. перешла на технологию, обеспечивающую размер элемента ядра процессора 0,13 мкм, а к 2005 г. планирует освоить технологию, обеспечивающую 0,035 мкм. Выбор типа процессора определяется прежде всего теми задачами, для решения которых будет использован ПК. Если задачи ограничиваются работой в Microsoft Office или играми невысокой сложности, то выбирать ПК с CPU седьмого поколения довольно расточительно. Выбирая конфигурацию ПК и ориентируясь на определенный тип CPU, полезно помнить закон, открытый в 1965 г. Гордоном Муром, одним из основателей фирмы Intel: «Мощность CPU удваивается каждые полтора года при сохранении его стоимости». 4. Оперативная память Оперативная память, или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), предназначено для приема, хранения и выдачи информации и представляет собой самую быстродействующую запоминающую систему компьютера. Оперативная память обозначается RAM ( Random Access Memory — память с произвольным доступом). Процессор имеет возможность выполнять программы только после того, как они загружены в оперативную рабочую память, т.е. в память, доступную для программ пользователя. CPU имеет непосредственный доступ к данным, находящимся в оперативной памяти, а к внешней памяти (на гибких или жестких дисках) — через буфер, являющийся также разновидностью оперативной памяти. Работа программ, загруженных с внешнего носителя, возможна только после того, как она будет скопирована в RAM. Однако оперативная память имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что она временная, т.е. при отключении питания оперативная память полностью очищается. При этом данные, не записанные на внешний носитель, будут утеряны. Основная задача RAM — предоставлять необходимую информацию в виде двоичных кодов по запросам CPU, т. е. данные в любой момент должны быть доступны для обработки. Оперативная память относится к категории динамической памяти: ее содержимое остается неизменным в течение короткого промежутка времени, что требует периодического обновления памяти. Конструктивно оперативная память выполняется в виде модулей микросхем, что позволяет дополнять объем оперативной памяти, которая используется не только в ПК, но и в самых разных периферийных устройствах — от видеокарт до лазерных принтеров. Микросхемы оперативной памяти в этом случае могут принадлежать к разным модификациям, но все они относятся к типу динамической оперативной памяти (DRAM). 4.1. Характеристики микросхем памяти Основными характеристиками микросхем памяти различных типов являются: • объем; • разрядность; • быстродействие; • временная диаграмма (циклограмма). Разрядность шины ввода/вывода микросхемы определяется числом ее линий ввода/вывода. Общий объем микросхемы памяти определяется произведением глубины адресного пространства на количество линий ввода/вывода (разрядов). Глубиной адресного пространства микросхемы памяти называется количество бит информации, которое хранится в ячейках памяти. В частности, емкость микросхемы памяти, имеющей глубину адресного пространства 1 Мбайт и четыре линии ввода/вывода (четырехразрядную шину ввода/вывода), составляет 1 Мбит><4 = 4 Мбит. Такая микросхема обозначается 1x4, 1Мх4, хх4400либо хх4401. Быстродействие микросхемы динамической памяти определяется суммой времени последовательного выполнения элементарных действий между двумя операциями чтения либо записи данных — рабочим циклом (или циклом обращения). Он включает четыре последовательных операции считывания данных: выбор строки (RAS); выбор столбца (CAS), чтение или запись. Время, необходимое для чтения или записи данных, хранящихся по случайному адресу, называется временем доступа ( Access time ). Для современных микросхем оно составляет 40 — 60 не, что соответствует частоте появления данных 16,7 — 25 МГц на входе/выходе микросхемы. При установке на материнскую плату не следует использовать элементы памяти различных фирм. Но, если не удается избежать смешения неоднородных элементов, необходимо следить, чтобы время доступа не различалось более чем на 10 не, поскольку могут возникнуть серьезные проблемы. Временная диаграмма характеризует число тактов, которые необходимы CPU для выполнения четырех последовательных операций считывания данных. Между CPU и элементами памяти недопустимо временное рассогласование, обусловленное различным быстродействием этих компонентов. Однако даже самые современные микросхемы не могут работать с частотой более 50 МГц, поэтому CPU периодически простаивает. Для того чтобы 4-разрядная микросхема памяти работала с 32-разрядной системной шиной CPU 80486 или 64-разрядной шиной CPU Pentium, их взаимодействие организуется через контроллер памяти, причем не с одной, а с несколькими микросхемами памяти, сформированными в банки памяти. Количество микросхем памяти в одном банке определяется соотношением разрядности системной шины и разрядности микросхемы памяти. Как правило, на материнскую плату устанавливаются не отдельные микросхемы памяти, а модули памяти: SI ММ-модули и DIMM -модули. Модули представляют собой микросхемы, объединенные на специальных печатных платах вместе с некоторыми дополнительными элементами. Разрядность модулей памяти определяется разрядностью микросхем памяти, установленных на плате: 30-контактные SIMM-модули — 8-разрядные; 72-контактные SIMM-модули — 32-разрядные, а DIMM-модули — 64-разрядные. 72-контактные SIMM-модули необходимо устанавливать только парами, поскольку каждый представляет собой половину стандартного банка памяти. 168-контактные DIMM-модули можно устанавливать по одному, причем каждый из них может вмещать до 512 Мбайт оперативной памяти. 64 Мбайт — минимальный объем оперативной памяти для ПК, работающих под Windows 98. При этом практика показывает, что через каждые два года требования к объему оперативной памяти удваиваются. RIMM -модулъ — высокоскоростной модуль оперативной памяти, разработанный компанией Rambus совместно с Intel . Отличается от DIMM-модуля тем, что имеет 184 контакта и металлический экран, обеспечивающий защиту от наводок и взаимного влияния высокочастотных модулей. 4.2. Распространенные типы памяти FRM DRAM — широкораспространенная память, появившаяся в моделях ПК с CPU 80486 и позволившая обеспечить время доступа 60 не. Однако микросхемы этого типа не могли работать с CPU, частота которого превышала 28 МГц. EDO DRAM — основной тип памяти процессоров Pentium. Память этого типа работает на частоте системной шины не более 66 МГц со временем доступа от 50 до 70 не. Модули EDO используются в основном для модернизации встроенной памяти на некоторых моделях внешних устройств (например, лазерных принтеров). SDRAM -модули устанавливаются в ПК с процессором Pentium III, обеспечивают высокое быстродействие за счет снижения времени доступа до 7 —9 нс. Пропускная способность SDRAM-модулей составляет от 246 до 1000 Мбайт/с. Современные микросхемы SDRAM могут работать на тактовых частотах от 66 до 150 МГц. Большинство модулей оперативной памяти, выпущенных в 1999 — 2000 гг., содержат две дополнительные микросхемы: SPD иЕСС. SPD — микросхема, установленная на модуле памяти DIMM, содержит подробную информацию о типе установленной памяти и некоторые другие параметры. Материнские платы, выпускаемые фирмой Intel, не работают с модулями памяти без SPD. ЕСС — тип модулей памяти с возможностью коррекции ошибок, что обеспечивает повышение надежности. RDRAM , или Rambus DRAM, разработана компанией Rambus Inc как память XXI в., обеспечивающая время доступа 4 не, скорость передачи данных до 6 Гбайт/с и поддерживающая рабочую частоту шины до 800 МГц. Однако значительная часть устройств, подключенных к компьютеру, оснащенному RDRAM, не выдерживает столь резкого повышения частоты системной шины: даже при частоте 133 МГц у некоторых моделей жестких дисков, звуковых карт и видеокарт возникают проблемы. DDR SDRAM — усовершенствованный вариант SDRAM-моду-лей, разработанный корпорацией Samsung и обеспечивающий пропускную способность 2,5 Гбайт/с при времени доступа 5 — 6 не и рабочей частоте шины 600 — 700 МГц. Особенности архитектуры позволяют DDR SDRAM обрабатывать за такт вдвое больше данных, чем обычная SDRAM. В связи с этим даже на стандартных частотах 100 и 133 МГц ее производительность вдвое выше. SLDRAM — стандарт модулей памяти, вышедший на компьютерный рынок в 1999 г. и поддерживаемый фирмами Apple, Hewlett-Packard и IBM. Пропускная способность SLDRAM составляет 3,2 Гбайт/с. Дальнейшее увеличение пропускной способности разработчики планируют за счет повышения тактовой частоты системной шины до 800 МГц. Лидерами по продажам высококачественных модулей памяти на российском рынке являются Kingstone, Micron, Samsung. Контрольные вопросы 1. Что входит в состав основных компонентов материнской платы ПК? 2. Каково назначение шин ПК? 3. Перечислите основные характеристики шин ПК. 4. Охарактеризовать стандарты шин ПК. 5. В чем отличие шины и порта ПК? 6. Как осуществляется функционирование последовательной и параллельной связи? 7. Какие параметры характеризуют производительность процессора? 8. Опишите особенности процессоров различных поколений. 9. Перечислите основные характеристики микросхем памяти. 10. Охарактеризовать распространённые типы микросхем памяти. Раздел 3. Накопители информации. История развития вычислительной техники неразрывно связана с совершенствованием устройств хранения информации (накопителей информации), так как характеристики именно этих устройств в значительной мере определяют характеристики компьютеров. Накопитель информации — устройство записи, воспроизведения и хранения информации, а носитель информации — это предмет, на который производится запись информации (диск, лента, твердотельный носитель). Накопители информации могут быть классифицированы по следующим признакам: • способу хранения информации: магнитоэлектрические, оптические, магнитооптические; • виду носителя информации: накопители на гибких и жестких магнитных дисках, оптических и магнитооптических дисках, магнитной ленте, твердотельные элементы памяти; • способу организации доступа к информации — накопители прямого, последовательного и блочного доступа; • типу устройства хранения информации — встраиваемые (внутренние), внешние, автономные, мобильные (носимые) и др. Значительная часть накопителей информации, используемых в настоящее время, создана на базе магнитных носителей. Физические основы процессов записи и воспроизведения информации на магнитных носителях заложены в работах физиков М.Фарадея (1791-1867) и Д. К. Максвелла (1831-1879). В магнитных носителях информации цифровая запись производится на магниточувствительный материал. К таким материалам относятся некоторые разновидности оксидов железа, никель, кобальт и его соединения, сплавы, а также магнитопласты и магнитоэласты со связкой из пластмасс и резины, микропорошковые магнитные материалы. Магнитное покрытие имеет толщину в несколько микрометров. Покрытие наносится на немагнитную основу, в качестве которой для магнитных лент и гибких дисков используются различные пластмассы, а для жестких дисков — алюминиевые сплавы и композиционные материалы подложки. Магнитное покрытие диска имеет доменную структуру, т. е. состоит из множества намагниченных мельчайших частиц. Магнитный домен (от лат. dominium — владение) — это микроскопическая, однородно намагниченная область в ферромагнитных образцах, отделенная от соседних областей тонкими переходными слоями (доменными границами). Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с направлением магнитных силовых линий. После прекращения воздействия внешнего поля на поверхности домена образуются зоны остаточной намагниченности. Благодаря этому свойству на магнитном носителе сохраняется информация о действовавшем магнитном поле. При записи информации внешнее магнитное поле создается с помощью магнитной головки. В процессе считывания информации зоны остаточной намагниченности, оказавшись напротив магнитной головки, наводят в ней при считывании электродвижущую силу (ЭДС). Схема записи и чтения с магнитного диска дана на рис. 3.1. Изменение направления ЭДС в течение некоторого промежутка времени отождествляется с двоичной единицей, а отсутствие этого изменения — с нулем. Указанный промежуток времени называется битовым элементом. Рис. 3.1 . Запись и чтение данных с магнитного диска Поверхность магнитного носителя рассматривается как последовательность точечных позиций, каждая из которых ассоциируется с битом информации. Поскольку расположение этих позиций определяется неточно, для записи требуются заранее нанесенные метки, которые помогают находить необходимые позиции записи. Для нанесения таких синхронизирующих меток должно быть произведено разбиение диска на дорожки и секторы — форматирование. Организация быстрого доступа к информации на диске является важным этапом хранения данных. Оперативный доступ к любой части поверхности диска обеспечивается, во-первых, за счет придания ему быстрого вращения и, во-вторых, путем перемещения магнитной головки чтения/записи по радиусу диска. Гибкий диск вращается со скоростью 300—360 об/мин, а жесткий диск — 3600— 7200 об/мин. Тема 3.1. Накопители на магнитных дисках. План: 5. Накопители на гибких магнитных дисках. 6. Накопители на жёстких магнитных дисках 6.1 Конструкция и принцип действия. 6.2 Интерфейсы жёстких дисков. 6.3 Основные характеристики. 1. Накопители на гибких магнитных дисках. Накопители на гибких дисках относятся к устройствам долговременного хранения информации. Первый гибкий магнитный диск (ГМД) был создан в 1971 г. в лаборатории фирмы IBM, возглавляемой А. Шугартом, и имел диаметр 8". С 1975 г. начался серийный выпуск дисководов формата 5,25", а в 1981 г. стали стандартом диски диаметром 3,5". В 1986 г. фирма IBM начала выпуск гибких магнитных дисков (ГМД или дискет) 3,5" емкостью 720 Кбайт, а в 1987 г. многие фирмы-производители начали выпуск ГМД 3,5"емкостью 1,44 Мбайт. Фирма Toshiba в 1989 г. разработала новые диски емкостью 2,88 Мбайт. В настоящее время наибольшее распространение получили диски диаметром 3,5". Для записи и считывания информации с ГМД используются периферийные устройства ПК — дисководы ( Floppy Dick Drive — FDD ). Конструктивно дисковод состоит из механических и электронных узлов: рабочего двигателя, рабочей головки, шагового двигателя и управляющей электроники. Рабочий двигатель включается тогда, когда в дисковод вставлена дискета. Двигатель обеспечивает постоянную скорость вращения дискеты: для дисковода 3,5"— 300 об/мин. Время запуска двигателя — около 400 мс. Рабочие головки служат для чтения и записи информации и располагаются над рабочей поверхностью дискеты. Поскольку обычно дискеты являются двухсторонними, т. е. имеют две рабочие поверхности, одна головка предназначена для верхней, а другая — для нижней поверхности дискеты. Шаговые двигатели обеспечивают позиционирование и движение рабочих головок. Именно они издают характерный звук уже при включении ПК, перемещая головки для проверки работоспособности привода. Управляющие электронные элементы дисковода чаще всего размещаются с его нижней стороны. Они выполняют функции передачи сигналов к контроллеру, т.е. отвечают за преобразование информации, которую считывают или записывают головки. Для дискет размером 3,5"и емкостью 2,88 Мбайт, называемых ED дискетами ( Extra High Density ), разработан специальный стандарт дисководов, поскольку обычные дисководы не могут работать с такими дискетами. Кроме того, для установки в малогабаритные корпуса выпускаются специальные дисководы (Slimline дисководы 3,5"), которые имеют уменьшенную высоту (19,5 мм) по сравнению с обычными 3,5" FDD (25,4 мм). В качестве посредника между дисководом и ПК служит контроллер. В современных ПК на материнских платах контроллер уже установлен. Он интегрирован в одну из микросхем Chipset, а на материнской плате имеется специальный разъем для подключения кабелей. Современные котроллеры поддерживают два FDD, обеспечивают скорость обмена данными до 62 Кбайт/с для стандартных накопителей на дисках 3,5". Дискеты ( Floppe Disk Driver , сокращенно Floppy ) формата 3,5" являются современными носителями информации для приводов FDD. На рис. 3.2 показано устройство дискеты 3,5". Рис. 3.2. Конструкция дискеты размером 3,5" Внутри футляра (корпуса) находится пластмассовый диск с нанесенным на него магнитным слоем — магнитный диск. На всех футлярах имеется вырез, защищенный легко перемещаемой шторкой для защиты диска от механических повреждений. После установки дискеты в дисковод шторка автоматически сдвигается и предоставляет доступ к диску для головок чтения/записи. Поскольку сам диск постоянно вращается внутри футляра, головки «просматривают» всю область дискеты, находясь при этом в постоянном контакте с ее поверхностью. Дискета снабжена отверстием со скользящей пластиковой задвижкой. Если задвижка не закрывает отверстие, то дискета защищена от записи. В основном в компьютерах применяются накопители на дискетах 3,5" емкостью 1,44 Мбайт — стандарт HD ( High Density ), в то время как в старых ПК применяются диски емкостью 720 Кбайт — стандарт DD ( Double Density ). Емкость самых новых дисков 3,5" достигает 2,88 Мбайт — стандарт ED со сверхвысокой плотностью записи. Магнитные диски называются носителями информации с прямым доступом, так как вследствие вращения диска с высокой скоростью имеется возможность перемещать под головки чтения/ записи любую его часть. Таким образом, можно непосредственно обратиться к любой части записанных данных. Этому способствует специальная организация дисковой памяти, в соответствии с которой информационное пространство диска форматируется, т. е. разбивается на определенные участки: дорожки и секторы. Дорожкой записи (Track) называется каждое из концентрических колец диска, на котором записаны данные. Поверхность диска разбивается на дорожки начиная с внешнего края, число дорожек зависит от типа диска. В гибких магнитных дисках 3,5" емкостью 1,44 Мбайт число дорожек равно 80. Дорожки независимо от количества идентифицируются номером (внешняя дорожка имеет нулевой номер). Число дорожек на стандартном диске определяется плотностью записи, т.е. объемом информации, который можно надежно разместить на единице площади поверхности носителя. Для магнитных дисков определены две разновидности плотности записи — радиальная (поперечная) и линейная (продольная). Поперечная плотность записи измеряется числом дорожек, размещенных на кольце диска шириной 1", а линейная плотность — числом бит данных, которые можно записать на дорожке единичной длины. Каждое кольцо дорожки разбивается на участки, называемые секторами . Например, гибкий диск 3,5" может иметь на дорожке 18 секторов (емкость диска 1,44 Мбайт) или 36 секторов (емкость диска 2,88 Мбайт). Рис. 3.3. Разбиение магнитного диска на дорожки и секторы. при форматировании Размер секторов различных дисков может составлять от 128 до 1024 байт, но в качестве стандарта принят размер сектора 512 байт. На рис. 3.3 показано разбиение магнитных дисков на дорожки и секторы. Секторам на дорожке присваиваются номера начиная с нуля. Сектор с нулевым номером на каждой дорожке резервируется для идентификации записываемой информации, но не для хранения данных. Емкость дискеты вычисляется по следующей формуле: емкость дискеты = число сторон х число дорожек на стороне х число секторов на дорожке х число байт в секторе. 2. Накопители на жестких магнитных дисках Первый накопитель на жестких дисках (Hard Disk Drive — HDD ) был создан в 1973 г. по технологии фирмы IBM и имел кодовое обозначение «30/30» (двухсторонний диск емкостью 30 +30 Мбайт), которое совпало с названием известного охотничьего ружья «винчестер», использовавшегося при завоевании Дикого Запада. По этой причине накопители на жестких дисках получили название «винчестер». В 1979 г. Ф. Коннер и А. Шугарт организовали производство первых жестких пятидюймовых дисков емкостью 6 Мбайт. По сравнению с дискетами HDD обладают такими преимуществами: значительно большая емкость (чтобы сохранить данные объемом 420 Мбайт, требуется один HDD или около 290 дискет 3,5" HD) и время доступа для NDD. Оно на порядок меньше, чем для приводов дискет. 2.1. Конструкция и принцип действия Несмотря на большое разнообразие моделей винчестеров принцип их действия и основные конструктивные элементы одинаковы. На рис. 3.4 показаны основные элементы конструкции накопителя на жестком диске: • магнитные диски; • головки чтения/записи; • механизм привода головок; • двигатель привода дисков; • печатная плата с электронной схемой управления. Типовой накопитель состоит из герметичного корпуса (гермоблока) и платы электронного блока. В гермоблоке размещены все механические части, на плате — вся управляющая электроника. Внутри гермоблока установлен шпиндель с одним или несколькими магнитными дисками. Под ними расположен двигатель. Ближе к разъемам, с левой или правой стороны от шпинделя находится поворотный позиционер магнитных головок. Позиционер соединен с печатной платой гибким ленточным кабелем (иногда одножильными проводами). Гермоблок заполняется воздухом под давлением в одну атмосферу. В крышках гермоблоков некоторых винчестеров имеется специальное отверстие, заклеенное фильтрующей пленкой, которое служит для выравнивания давления внутри блока и снаружи, а также для поглощения пыли. Рис. 3.4. Основные элементы конструкции накопителя на жестких дисках Габаритные размеры винчестеров стандартизованы по параметру, называемому формфактор (Form - Factor ). Например, все HDD с формфактором 3,5" имеют стандартные размеры корпуса 41,6x101x146 мм. Подложки магнитных дисков первых винчестеров изготовлялись из алюминиевого сплава с добавлением магния. В современных моделях в качестве основного материала для дисковых пластин используется композиционный материал из стекла и керамики с малым температурным коэффициентом расширения, что делает их менее восприимчивыми к изменениям температуры, более прочными. Магнитные диски выпускаются следующих размеров: 3,5"; 5,25"; 2,5"; 1,8". Диски покрываются магнитным веществом — рабочим слоем. Он может быть либо оксидный, либо на основе тонких пленок. Оксидный рабочий слой представляет собой полимерное покрытие с наполнителем из окиси железа. Диски с таким рабочим слоем отличаются простым и недорогим процессом изготовления. Однако требуемое качество рабочей поверхности для накопителей большой емкости в рамках такой технологии оказалось получить невозможно. На смену пришла тонкопленочная технология. Рабочий слой на основе тонких пленок имеет меньшую толщину и более прочен; качество его поверхности гораздо выше. Тонкопленочная технология легла в основу производства накопителей нового поколения, в которых удалось уменьшить зазор между головками и поверхностями дисков до 0,05—0,08 мкм и, следовательно, повысить плотность записи данных. Головки чтения/записи предусмотрены для каждой стороны диска. Когда накопитель выключен, головки касаются диска. При раскручивании дисков возрастает аэродинамическое давление воздуха на головки, что приводит к их отрыву от рабочих поверхностей дисков. Чем ближе располагается головка к поверхности диска, тем выше амплитуда воспроизводимого сигнала. До середины 1980-х гг. в накопителях на жестких дисках использовались ферритовые головки . На смену им пришли MIG -головки ( MIG — Metall in Gap ) — головки с металлом в зазоре, что позволило использовать носители с рабочим слоем на основе тонких пленок. Все возрастающие требования к емкости жестких дисков привели к появлению тонкопленочных головок ( TF — Thin Film ). Формируемые с помощью этих головок на рабочей поверхности диска участки остаточной намагниченности имеют четкие границы, что приводит к высокой плотности записи данных. В результате дальнейшего совершенствования конструкции и характеристик тонкопленочных головок появились магниторезистивные (Magneto - Resistive — MR ) головки, которые в настоящее время используются в большинстве накопителей на жестких дисках 3,5", емкость которых может достигать 75 Гбайт. Механизм привода головок обеспечивает перемещение головок от центра дисков к краям и фактически определяет надежность накопителя, его температурную стабильность и вибрационную устойчивость. Все существующие механизмы привода головок делятся на два основных типа: с шаговым двигателем и подвижной катушкой. У накопителей с приводом на шаговом двигателе среднее время доступа к данным значительно больше, чем у накопителей с приводом на подвижной катушке. По этой причине привод с шаговым двигателем нашел основное применение в дисководах для гибких магнитных дисков и в накопителях на жестких дисках малой (до 100 Мбайт) емкости. В отличие от систем с шаговыми двигателями, в приводе с подвижной катушкой используется электронная обратная связь для точного определения местоположения головок и коррекции его относительно дорожек. В результате механизм оказывается быстродействующим и не столь шумным, как привод с шаговым двигателем. Современные диски имеют функцию автоматической парковки. То есть при включении и выключении ПК головки устанавливаются по мере необходимости на определенный, чаще всего последний цилиндр. При парковке головки автоматически блокируются, и их дальнейшая работа невозможна. Двигатель привода дисков приводит пакет дисков во вращение, скорость которого в зависимости от модели находится в пределах 3600 — 7200 об/мин (т.е. головки движутся с относительной скоростью 60 — 80 км/ч). Скорость вращения дисков некоторых винчестеров достигает 15 000 об/мин. Жесткий диск вращается непрерывно даже тогда, когда не происходит обращения к нему, поэтому винчестер должен быть установлен только вертикально или горизонтально. Печатная плата с электронной схемой управления и прочие узлы накопителя (лицевая панель, элементы конфигурации и монтажные детали) являются съемными. На печатной плате монтируются электронные схемы управления двигателем и приводом головок, схема для обмена данными с контроллером. Иногда контроллер устанавливается непосредственно на этой плате. 2.2. Интерфейсы жестких дисков Интерфейс — коммуникационное устройство (или протокол обмена), позволяющее одному устройству взаимодействовать с другим и устанавливать соответствие между выходами одного устройства и входами другого. Основная функция интерфейса HDD — передача данных из вычислителя ПК в накопитель и обратно. Разработано несколько основных типов интерфейсов: ESDI, IDE, SCSI. Распространенный в конце 1980-х гг. интерфейс ESDI не отвечает требованиям современных систем по быстродействию, кроме того, его различные исполнения часто бывают несовместимы. В связи с этим ему на смену пришли интерфейсы: IDE (1989 г.), обладающий повышенным быстродействием, и SCSI (1986 г.), имеющий большие возможности для расширения системы за счет подключения разнообразных устройств, а также E - IDE — расширенный IDE.