Устройства, входящие в состав компьютера
Центральный процессор
Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) – это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.
Центральный процессор в общем случае содержит в себе:
арифметико-логическое устройство;
шины данных и шины адресов;
регистры;
счетчики команд;
кэш – очень быструю память малого объема (до 8 Мбайт);
математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.
Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему – тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.
В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называются многопроцессорными.
История развития производства процессоров полностью соответствует истории развития технологии производства прочих электронных компонентов и схем.
Первым этапом, затронувшим период с 40-х по конец 50-х годов, было создание процессоров с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников (устройств памяти) и вакуумных ламп. Они устанавливались в специальные разъёмы на модулях, собранных в стойки. Большое количество таких стоек, соединённых проводниками, в сумме представляли процессор. Отличительной особенностью была низкая надёжность, низкое быстродействие и большое тепловыделение.
Вторым этапом, с середины 50-х до середины 60-х, стало внедрение транзисторов. Транзисторы монтировались уже на близкие к современным по виду платам, устанавливаемым в стойки. Как и ранее, в среднем процессор состоял из нескольких таких стоек. Возросло быстродействие, повысилась надёжность, уменьшилось энергопотребление.
Третьим этапом, наступившим в середине 60-х годов, стало использование микросхем. Первоначально использовались микросхемы низкой степени интеграции, содержащие простые транзисторные и резисторные сборки, затем по мере развития технологии стали использоваться микросхемы, реализующие отдельные элементы цифровой схемотехники (сначала элементарные ключи и логические элементы, затем более сложные элементы – элементарные регистры, счётчики, сумматоры). Позднее появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора – микропрограммное устройство, арифметико-логическое устройство, регистры, устройства работы с шинами данных и команд.
Четвёртым этапом, в начале 70-х годов, стало создание, благодаря прорыву в технологии создания БИС и СБИС (больших и сверхбольших интегральных схем, соответственно), микропроцессора – микросхемы, на кристалле которой физически были расположены все основные элементы и блоки процессора. Фирма Intel в 1971 году создала первый в мире 4-х разрядный микропроцессор 4004, предназначенный для использования в микрокалькуляторах. Постепенно практически все процессоры стали выпускаться в формате микропроцессоров. Исключением долгое время оставались только малосерийные процессоры, аппаратно оптимизированные для решения специальных задач (например, суперкомпьютеры или процессоры для решения ряда военных задач), либо процессоры, к которым предъявлялись особые требования по надёжности, быстродействию или защите от электромагнитных импульсов и ионизирующей радиации.
Важнейшим параметром, определяющим скорость работы любого процессора, является тактовая частота. Она представляет собой импульсы прямоугольной формы, с которой синхронизируются все операции процессора. По другому тактовая частота называется частотой синхроимпульсов. Тактовой же частотой она называется потому, что любая операция в процессоре не может быть выполнена быстрее, чем за один такт (период) синхроимпульсов.
С объединением элементов процессора в один кристалл наиболее узким местом в производительности процессора стала не пересылка данных между элементами процессора, а скорость обмена данными между процессором и остальными устройствами по шине. Поскольку любая операция, в том числе и пересылка данных, не может происходить быстрее, чем за такт, логично предположить, что желательно передавать как можно больше информации за один такт. Так как единицей информации является один бит (двоичный разряд), то, чем больше передается разрядов за один такт (по шине данных), тем быстрее работает процессор.
Разрядность шины адреса определяет максимальный номер байта, который может быть затребован процессором. Так, при 8-ми разрядной шине возможна адресация 256 байт, при 16-ти разрядной – 64 Кбайт, а при 32-х разрядной – 4 Гбайт.
Память
Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов – битов, объединенных в группы по 8 битов, которые называются байтами. (Единицы измерения памяти совпадают с единицами измерения информации). Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.
Байты могут объединяться в ячейки, которые называются также словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова – два, четыре или восемь байтов. Это не исключает использования ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово).
Как правило, в одном машинном слове может быть представлено либо одно целое число, либо одна команда. Однако, допускаются переменные форматы представления информации.
Разбиение памяти на слова для четырехбайтовых компьютеров представлено в таблице:
Байт 0 |
Байт 1 |
Байт 2 |
Байт 3 |
Байт 4 |
Байт 5 |
Байт 6 |
Байт 7 |
ПОЛУСЛОВО |
ПОЛУСЛОВО |
ПОЛУСЛОВО |
ПОЛУСЛОВО |
||||
СЛОВО |
СЛОВО |
||||||
ДВОЙНОЕ СЛОВО |
|||||||
Широко используются и более крупные производные единицы объема памяти: Килобайт, Мегабайт, Гигабайт, а также, в последнее время, Терабайт и Петабайт.
Современные компьютеры имеют много разнообразных запоминающих устройств, которые сильно отличаются между собой по назначению, временным характеристикам, объёму хранимой информации и стоимости хранения одинакового объёма информации.
Различают два основных вида памяти — внутреннюю и внешнюю.
Внутренняя память
В состав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-память и специальная память.
Оперативная память
Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory – память с произвольным доступом) – это быстрое запоминающее устройство не очень большого объёма, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами.
Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, так как, когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой – это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.
Объем ОЗУ обычно составляет 0,5 - 4 и более Гбайта, а для эффективной работы современного программного обеспечения желательно иметь не менее 1 Гбайт ОЗУ. Обычно ОЗУ исполняется из интегральных микросхем памяти DRAM (Dynamic RAM – динамическое ОЗУ). Микросхемы DRAM работают медленнее, чем другие разновидности памяти, но стоят дешевле.
Каждый информационный бит в DRAM запоминается в виде электрического заряда крохотного конденсатора, образованного в структуре полупроводникового кристалла. Из-за токов утечки такие конденсаторы быстро разряжаются, и их периодически (примерно каждые 2 миллисекунды) подзаряжают специальные устройства. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh Memory).
Память типа DRAM конструктивно выполняют в виде модулей памяти типа DIMM.
Модули типа DIMM (Dual In-line Memory Module) представляют собой длинные прямоугольные платы с рядами контактных площадок вдоль обеих её сторон, устанавливаемые в разъём подключения вертикально и фиксируемые по обоим торцам защёлками. Микросхемы памяти на них могут быть размещены как с одной, так и с обеих сторон платы.
Модули памяти типа SDRAM наиболее распространены в виде 168-контактных DIMM-модулей, памяти типа DDR SDRAM – в виде 184-контактных, а модули типа DDR2, DDR3 и FB-DIMM SDRAM – 240-контактных модулей.
Важная характеристика модулей памяти – время доступа к данным, которое обычно составляет несколько наносекунд.
Кэш-память
Кэш (англ. cache), или сверхоперативная память – очень быстрое ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью.
Кэш-памятью управляет специальное устройство – контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. При этом возможны как «попадания», так и «промахи». В случае попадания, то есть, если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает её непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования.
Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти SRAM (Static RAM), более быстродействующих, дорогих и малоёмких, чем DRAM.
Кэш центрального процессора разделён на несколько уровней. В универсальном процессоре в настоящее время число уровней может достигать 3. Кэш-память уровня N+1 как правило больше по размеру и медленнее по скорости доступа и передаче данных, чем кэш-память уровня N.
Самой быстрой памятью является кэш первого уровня – L1-cache. По сути, она является неотъемлемой частью процессора, поскольку расположена на одном с ним кристалле и входит в состав функциональных блоков. В современных процессорах обычно кэш L1 разделен на два кэша, кэш команд (инструкций) и кэш данных. Большинство процессоров без L1 кэша не могут функционировать. L1 кэш работает на частоте процессора, и, в общем случае, обращение к нему может производиться каждый такт. Зачастую является возможным выполнять несколько операций чтения/записи одновременно. Время доступа обычно равно 2−4 тактам ядра. Объём обычно невелик – не более 128 Кбайт.
Вторым по быстродействию является L2-cache – кэш второго уровня, обычно он расположен на кристалле, как и L1. В старых процессорах – набор микросхем на системной плате. Объём L2 кэша от 128 Кбайт до 12 Мбайт. В современных многоядерных процессорах кэш второго уровня, находясь на том же кристалле, является памятью раздельного пользования. Обычно время доступа L2 кэша, расположенного на кристалле ядра, составляет от 8 до 20 тактов ядра.
Кэш третьего уровня наименее быстродействующий, но он может быть очень внушительного размера – более 24 Мбайт. L3 кэш медленнее предыдущих кэшей, но всё равно значительно быстрее, чем оперативная память. В многопроцессорных системах находится в общем пользовании и предназначен для синхронизации данных различных L2.
Иногда существует и 4 уровень кэша, обыкновенно он расположен в отдельной микросхеме. Применение кэша 4 уровня оправдано только для высоко производительных серверов.
Многие периферийные устройства хранения данных используют кэш для ускорения работы, в частности, жёсткие диски используют кэш-память от 1 до 64 Мбайт, устройства чтения CD/DVD/BD-дисков также кэшируют прочитанную информацию для ускорения повторного обращения. Операционная система также использует часть оперативной памяти в качестве кэша дисковых операций (например, для внешних устройств, не обладающих собственной кэш-памятью, в том числе жёстких дисков, flash-памяти и гибких дисков).
Специальная память
К устройствам специальной памяти относятся постоянная память (ROM), перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory), память CMOS RAM, питаемая от батарейки, видеопамять и некоторые другие виды памяти.
Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory – память только для чтения) – энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом «зашивается» в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.
Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) – энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого.
Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.
Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти – модуль BIOS (читается «ба́йос»).
BIOS (Basic Input/Output System – базовая система ввода-вывода) – совокупность программ, предназначенных для:
автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера;
загрузки операционной системы в оперативную память.
Роль BIOS двоякая: с одной стороны это неотъемлемый элемент аппаратуры (Hardware), а с другой строны – важный модуль любой операционной системы (Software).
Разновидность постоянного ЗУ – CMOS RAM.
CMOS RAM – это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы.
Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS (англ. Set-up – устанавливать, читается «сетап»).
Для хранения графической информации используется видеопамять.
Видеопамять (VRAM) – разновидность оперативного ЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам – процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.
Внешняя память
Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения программ и данных, и целостность её содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер. В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором. Информация от ВЗУ к процессору и наоборот циркулирует примерно по следующей цепочке:
В состав внешней памяти компьютера входят:
накопители на гибких магнитных дисках;
накопители на жёстких магнитных дисках;
накопители на оптических дисках;
накопители на магнитной ленте (стримеры)
USB-флеш-накопители и др.
Накопители на гибких магнитных дисках
Гибкий диск, дискета (англ. floppy disk) – устройство для хранения небольших объёмов информации, представляющее собой гибкий пластиковый диск в защитной оболочке. Используется для переноса данных с одного компьютера на другой и для распространения программного обеспечения.
Дискета состоит из круглой полимерной подложки, покрытой с обеих сторон магнитным окислом и помещенной в пластиковую упаковку, на внутреннюю поверхность которой нанесено очищающее покрытие. В упаковке сделаны с двух сторон радиальные прорези, через которые головки считывания/записи накопителя получают доступ к диску.
Способ записи двоичной информации на магнитной среде называется магнитным кодированием. Он заключается в том, что магнитные домены в среде выстраиваются вдоль дорожек в направлении приложенного магнитного поля своими северными и южными полюсами. Обычно устанавливается однозначное соответствие между двоичной информацией и ориентацией магнитных доменов.
Информация записывается по концентрическим дорожкам (трекам), которые делятся на секторы. Количество дорожек и секторов зависит от типа и формата дискеты. Сектор хранит минимальную порцию информации, которая может быть записана на диск или считана. Ёмкость сектора постоянна и составляет 512 байтов.
Поверхность магнитного диска
На дискете можно хранить от 360 Килобайт до 2,88 Мегабайт информации.
В настоящее время наибольшее распространение получили дискеты со следующими характеристиками: диаметр 3,5 дюйма (89 мм), ёмкость 1,44 Мбайт, число дорожек 80, количество секторов на дорожках 18.
Дискета устанавливается в накопитель на гибких магнитных дисках (англ. floppy-disk drive), автоматически в нем фиксируется, после чего механизм накопителя раскручивается до частоты вращения 360 мин–1. В накопителе вращается сама дискета, магнитные головки остаются неподвижными. Дискета вращается только при обращении к ней.
Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков.
Накопители на жестких магнитных дисках
Если гибкие диски – это средство переноса данных между компьютерами, то жесткий диск – информационный склад компьютера.
Накопитель на жёстких магнитных дисках (англ. HDD – Hard Disk Drive) – это наиболее массовое запоминающее устройство большой ёмкости, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые пластины – платтеры, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Используется для постоянного хранения информации – программ и данных.
Как и у дискеты, рабочие поверхности платтеров разделены на кольцевые концентрические дорожки, а дорожки – на секторы. Головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками заключены в герметически закрытый корпус, называемый модулем данных. При установке модуля данных на дисковод он автоматически соединяется с системой, подкачивающей очищенный охлажденный воздух.
Поверхность платтера имеет магнитное покрытие толщиной всего лишь в 1,1 мкм, а также слой смазки для предохранения головки от повреждения при опускании и подъёме на ходу. При вращении платтера над ним образуется воздушный слой, который обеспечивает воздушную подушку для зависания головки на высоте 10 нм над поверхностью диска.
В отличие от дискеты, винчестерский диск вращается непрерывно.
Винчестерский накопитель связан с процессором через контроллер жесткого диска.
Характеристики жёстких дисков:
Интерфейс (англ. interface) – совокупность линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии, и правил (протокола) обмена. Серийно выпускаемые внутренние жёсткие диски могут использовать интерфейсы ATA (он же IDE и PATA), SATA, SCSI и др.
Ёмкость (англ. capacity) – количество данных, которые могут храниться накопителем. С момента создания первых жёстких дисков в результате непрерывного совершенствования технологии записи данных их максимально возможная ёмкость непрерывно увеличивается. Ёмкость современных жёстких дисков (с форм-фактором 3,5 дюйма) на сентябрь 2011 г. достигает 4000 ГБ (4 Терабайт) и близится к 5 Тб. В отличие от принятой в информатике системы приставок, обозначающих кратную 1024 величину, производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются величины, кратные 1000.
Физический размер (форм-фактор) (англ. dimension). Почти все современные накопители для персональных компьютеров и серверов имеют ширину либо 3,5, либо 2,5 дюйма – под размер стандартных креплений для них соответственно в настольных компьютерах и ноутбуках.
Время произвольного доступа (англ. random access time) – среднее время, за которое винчестер выполняет операцию позиционирования головки чтения/записи на произвольный участок магнитного диска. Диапазон этого параметра – от 2,5 до 16 мс.
Скорость вращения шпинделя (англ. spindle speed) – количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и средняя скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 5400, 5900, 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об/мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции).
Скорость передачи данных (англ. Transfer Rate) при последовательном доступе:
внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с;
внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с.
Объём кэша – современных дисках он обычно варьируется от 8 до 64 Мб.
Накопители на оптических дисках
Накопители на компакт-дисках.
Компакт-диск представляет собой поликарбонатную подложку толщиной 1,2 мм. и диаметром 120 мм., покрытую тончайшим слоем металла (алюминий, золото, серебро и др.), защищенного слоем лака, на который обычно наносится графическое представление содержания диска. Принцип считывания через подложку позволяет весьма просто и эффективно осуществить защиту информационной структуры и удалить её от внешней поверхности диска. Диаметр пучка на внешней поверхности диска составляет порядка 0,7 мм., что повышает помехоустойчивость системы к пыли и царапинам. Кроме того, на внешней поверхности имеется кольцевой выступ высотой 0,2 мм., позволяющий диску, положенному на ровную поверхность, не касаться этой поверхности. В центре диска расположено отверстие диаметром 15 мм. Вес диска без коробки составляет ~15,7 г. Вес диска в обычной джуэл-коробке («jewel», не «slim») равен ~74 г.
Информация на диске записывается в виде спиральной дорожки из питов (англ. pit – углубление), выдавленных в поликарбонатной основе. Каждый пит имеет примерно 100 нм. в глубину и 500 нм. в ширину. Длина пита варьируется от 850 нм. до 3,5 мкм. Промежутки между питами называются лендом (англ. land – пространство, основа). Шаг дорожек в спирали составляет 1,6 мкм.
Различают диски только для чтения (CD-ROM «алюминиевые»), CD-R – для однократной записи, CD-RW – для многократной записи. Диски последних двух типов предназначены для записи на специальных пишущих приводах.
Данные с диска читаются при помощи лазерного луча с длиной волны 780 нм., излучаемого полупроводниковым лазером. Принцип считывания информации лазером для всех типов носителей заключается в регистрации изменения интенсивности отражённого света. Лазерный луч фокусируется на информационном слое в пятно диаметром ~1,2 мкм. Если свет сфокусировался между питами (на ленде), то приёмный фотодиод регистрирует максимальный сигнал. В случае, если свет попадает на пит, фотодиод регистрирует ме́ньшую интенсивность света.
Различие между дисками «только для чтения» (CD) и дисками однократной/многократной записи (CD-R/RW) заключается в способе формирования питов. В случае диска «только для чтения» питы представляют собой некую рельефную структуру (фазовую дифракционную решетку), причём оптическая глубина каждого пита чуть меньше четверти длины волны света лазера, что приводит к разнице фаз в половину длины волны между светом, отражённым от пита и светом, отражённым от ленда. В результате в плоскости фотоприёмника наблюдается эффект деструктивной интерференции и регистрируется снижение уровня сигнала. В случае CD-R/RW пит представляет собой область с бо́льшим поглощением света, нежели ленд (амплитудная дифракционная решетка). В результате фотодиод также регистрирует снижение интенсивности отражённого от диска света. Длина пита изменяет как амплитуду, так и длительность регистрируемого сигнала.
Скорость чтения/записи CD указывается кратной 150 Кб/с (то есть 153 600 бит/с). Например, 48-скоростной привод обеспечивает максимальную скорость чтения (или записи) CD, равную 48 × 150 = 7200 Кб/с (7,03 Мб/с).
Для работы с компакт-дисками нужно подключить к компьютеру накопитель CD-ROM (CD-ROM Drive), в котором компакт-диски сменяются как в обычном проигрывателе. Накопители CD-ROM часто называют приводами CD-ROM.
Накопители на DVD-дисках
DVD (ди-ви-ди́, англ. Digital Versatile Disc – цифровой многоцелевой диск; также англ. Digital Video Disc – цифровой видеодиск) – носитель информации, выполненный в форме диска, имеющего такой же размер, как и компакт-диск, но более плотную структуру рабочей поверхности, что позволяет хранить и считывать больший объём информации за счёт использования лазера с меньшей длиной волны и линзы с большей числовой апертурой.
Для считывания и записи DVD используется красный лазер с длиной волны 650 нм.
Физически DVD может иметь одну или две рабочие стороны и один или два рабочих слоя на каждой стороне. От их количества зависит ёмкость диска (из-за чего 8-см. диски получили названия DVD-1, -2, -3, -4, а 12-см. диски – DVD-5, -9, -10, -14, -18, по принципу округления ёмкости диска в Гб. до ближайшего сверху целого числа). Ёмкость 8-см. дисков – от 1,46 до 5,32 Гб., емкость 12-см. дисков – от 3,95 до 17,08 Гб.
Единица скорости (1x) чтения/записи DVD составляет 1 385 000 байт/с (то есть около 1352 Кбайт/с = 1,32 Мбайт/с), что примерно соответствует 9-й скорости (9x) чтения/записи CD, которая равна 9 × 150 = 1350 Кбайт/с. Таким образом, 16-скоростной привод обеспечивает скорость чтения (или записи) DVD равную 16 × 1,32 = 21,12 Мбайт/с.
Стандарт записи DVD-R(W) был разработан в 1997 году японской компанией Pioneer и группой компаний, примкнувших к ней и вошедших в DVD Forum, как официальная спецификация записываемых (впоследствии и перезаписываемых) дисков.
Так как при разработке стандартов DVD-R и DVD-RW не были учтены разработки фирм Sony, Philips и некоторых других (а также цена лицензии на эту технологию была слишком высока), то эти производители записывающих приводов и носителей для записи объединились в DVD+RW Alliance (англ.), который и разработал в середине 2002 года стандарт DVD+R(W), стоимость лицензии на который была ниже.
Созданный альтернативный формат, получивший название DVD+R и DVD+RW, имел другой материал отражающего слоя и специальную разметку, облегчающую позиционирование головки (LPP, Land pre-pits – предзаписанные питы между дорожками, содержащие данные адресации и другую служебную информацию, эти данные позволяют приводу DVD записывать информацию в желаемые места на диске) – основное отличие подобных «плюсовых» дисков от «минусовых». С помощью этого диски DVD+RW способны в несколько приемов осуществлять запись (поверх существующей), как в обычном кассетном видеомагнитофоне, исключая утомительное предварительное стирание всего содержимого (для DVD-RW вначале необходимо целиком стереть имеющуюся запись).
Накопители на BD-дисках
Blu-ray Disc, BD (англ. blue ray – синий луч и disc – диск; написание blu вместо blue – намеренное) – формат оптического носителя, используемый для записи с повышенной плотностью и хранения цифровых данных, включая видео высокой чёткости. Коммерческий запуск формата Blu-ray прошёл весной 2006 года.
Blu-ray (букв. «синий луч») получил своё название от использования для записи и чтения коротковолнового (405 нм.) «синего» (технически сине-фиолетового) лазера. Буква «e» была намеренно исключена из слова «blue», чтобы получить возможность зарегистрировать товарный знак, так как выражение «blue ray» является часто используемым и не может быть зарегистрировано как товарный знак.
Более короткая длина волны сине-фиолетового лазера позволяет хранить больше информации на 12-сантиметровых дисках того же размера, что и у CD/DVD. Это позволило записывать информацию в меньшие точки на диске, а значит, хранить больше информации в физической области диска, а также увеличить скорость считывания до 432 Мбит/с.
Однослойный диск Blu-ray (BD) может хранить 25 Гб, двухслойный диск может вместить 50 Гб, трёхслойный диск может вместить 100 ГБ, четырёхслойный диск может вместить 128 Гб. Ещё в конце 2008 года японская компания Pioneer демонстрировала 16-ти и 20-слойные диски на 400 и 500 Гб, способные работать с тем же самым 405-нм лазером, что и обычные BD-плееры.
На данный момент доступны диски BD-R (одноразовая запись), BD-RE (многоразовая запись), BD-RE DL (многоразовая запись) вместимостью до 50 Гб, в разработке находится формат BD-ROM. В дополнение к стандартным дискам размером 120 мм., выпущены варианты дисков размером 80 мм. для использования в цифровых фото- и видеокамерах вместимостью 15,6 Гб.
Накопители на магнитной ленте (стримеры) и накопители на сменных дисках
Стример (англ. tape streamer) – устройство для резервного копирования больших объёмов информации. В качестве носителя здесь применяются кассеты с магнитной лентой ёмкостью от 100 Гбайт до 1,5 Тбайт.
Стримеры позволяют записать на небольшую кассету с магнитной лентой огромное количество информации. Встроенные в стример средства аппаратного сжатия позволяют автоматически уплотнять информацию перед её записью и восстанавливать после считывания, что увеличивает объём сохраняемой информации.
Недостатком стримеров является их сравнительно низкая скорость записи, поиска и считывания информации.
В последнее время всё шире используются накопители на сменных дисках, которые позволяют не только увеличивать объём хранимой информации, но и переносить информацию между компьютерами. Объём сменных дисков – от сотен Мбайт до нескольких Гигабайт.
USB-флеш-накопитель
USB-флеш-накопитель – запоминающее устройство, использующее в качестве носителя флеш-память и подключаемое к компьютеру или иному считывающему устройству по интерфейсу USB.
USB-флеш-накопители обычно съёмные и перезаписываемые. Размер – около 5 см., вес – меньше 60 г. Получили большую популярность в 2000-е годы из-за компактности, лёгкости перезаписывания файлов и большого объёма памяти (от 32 МБ до 256 ГБ). Основное назначение USB-накопителей – хранение, перенос и обмен данными, резервное копирование, загрузка операционных систем (LiveUSB) и др.
Обычно устройство имеет вытянутую форму и съёмный колпачок, прикрывающий разъём; иногда прилагается шнур для ношения на шее. Современные накопители могут иметь самые разные размеры и способы защиты разъёма, а также «нестандартный» внешний вид и различные дополнительные возможности (например, проверку отпечатка пальца).
Аудиоадаптер
Аудиоадаптер (Sound Blaster или звуковая плата) это специальная электронная плата, которая позволяет записывать звук, воспроизводить его и создавать программными средствами с помощью микрофона, наушников, динамиков, встроенного синтезатора и другого оборудования. На момент появления звуковые платы представляли собой отдельные карты расширения, устанавливаемые в соответствующий слот. В современных компьютерах чаще представлены в виде интегрированного в материнскую плату аппаратного кодека.
Аудиоадаптер содержит в себе два преобразователя информации:
аналого-цифровой, который преобразует непрерывные (то есть, аналоговые) звуковые сигналы (речь, музыку, шум) в цифровой двоичный код и записывает его на магнитный носитель;
цифро-аналоговый, выполняющий обратное преобразование сохранённого в цифровом виде звука в аналоговый сигнал, который затем воспроизводится с помощью акустической системы, синтезатора звука или наушников.
Профессиональные звуковые платы позволяют выполнять сложную обработку звука, обеспечивают стереозвучание, имеют собственное ПЗУ с хранящимися в нём сотнями тембров звучаний различных музыкальных инструментов.
Область применения звуковых плат – компьютерные игры, обучающие программные системы, рекламные презентации, «голосовая почта» (voice mail) между компьютерами, озвучивание различных процессов, происходящих в компьютерном оборудовании, таких, например, как отсутствие бумаги в принтере и т.п.
Видеоадаптер и графический акселератор
Видеоадаптер – это электронная плата, которая обрабатывает видеоданные (текст и графику) и управляет работой дисплея. Содержит видеопамять, регистры ввода вывода и модуль BIOS. Посылает в дисплей сигналы управления яркостью лучей и сигналы развертки изображения.
Наиболее распространенный видеоадаптер на сегодняшний день – адаптер SVGA (Super Video Graphics Array – супервидеографический массив), который может отображать на экране дисплея до 1600х1200 пикселей при количестве цветов до 24 бит.
С увеличением числа приложений, использующих сложную графику и видео, наряду с традиционными видеоадаптерами широко используются разнообразные устройства компьютерной обработки видеосигналов:
Графические акселераторы (ускорители) – специализированные графические сопроцессоры, увеличивающие эффективность видеосистемы. Их применение освобождает центральный процессор от большого объёма операций с видеоданными, так как акселераторы самостоятельно вычисляют, какие пиксели отображать на экране и каковы их цвета.
Фрейм-грабберы, которые позволяют отображать на экране компьютера видеосигнал от видеомагнитофона, камеры, лазерного проигрывателя и т. п., с тем, чтобы захватить нужный кадр в память и впоследствии сохранить его в виде файла.
TV-тюнеры – видеоплаты, превращающие компьютер в телевизор. TV-тюнер позволяет выбрать любую нужную телевизионную программу и отображать ее на экране в масштабируемом окне. Таким образом можно следить за ходом передачи, не прекращая работу.
Клавиатура
Клавиатура служит для ввода информации в компьютер и подачи управляющих сигналов. Она содержит стандартный набор алфавитно-цифровых клавиш и некоторые дополнительные клавиши – управляющие и функциональные, клавиши управления курсором, а также малую цифровую клавиатуру.
Курсор – светящийся символ на экране монитора, указывающий позицию, на которой будет отображаться следующий вводимый с клавиатуры знак.
Все символы, набираемые на клавиатуре, немедленно отображаются на мониторе в позиции курсора.
Наиболее распространена сегодня 101-клавишная клавиатура c раскладкой клавиш QWERTY (читается «кверти»), названная так по клавишам, расположенным в верхнем левом ряду алфавитно-цифровой части клавиатуры.
Такая клавиатура имеет 12 функциональных клавиш, расположенных вдоль верхнего края. Нажатие функциональной клавиши приводит к посылке в компьютер не одного символа, а целой совокупности символов.
Функциональные клавиши могут программироваться пользователем. Например, во многих программах для получения помощи (подсказки) задействована клавиша F1, а для выхода из программы – клавиша F10.
Управляющие клавиши имеют следующее назначение:
Enter – клавиша ввода;
Esc (Escape – выход) клавиша для отмены каких-либо действий, выхода из программы, из меню и т.п.;
Ctrl и Alt – эти клавиши самостоятельного значения не имеют, но при нажатии совместно с другими управляющими клавишами изменяют их действие;
Shift (регистр) – обеспечивает смену регистра клавиш (верхнего на нижний и наоборот);
Insert (вставлять) – переключает режимы вставки (новые символы вводятся посреди уже набранных, раздвигая их) и замены (старые символы замещаются новыми);
Delete (удалять) – удаляет символ с позиции курсора;
Back Space или – удаляет символ перед курсором;
Home и End – обеспечивают перемещение курсора в первую и последнюю позицию строки, соответственно;
Page Up и Page Down – обеспечивают перемещение по тексту на одну страницу (один экран) назад и вперед, соответственно;
Tab – клавиша табуляции, обеспечивает перемещение курсора вправо сразу на несколько позиций до очередной позиции табуляции;
Caps Lock – фиксирует верхний регистр, обеспечивает ввод прописных букв вместо строчных;
Print Screen – обеспечивает печать информации, видимой в текущий момент на экране.
Длинная нижняя клавиша без названия – предназначена для ввода пробелов.
Клавиши служат для перемещения курсора вверх, вниз, влево и вправо на одну позицию или строку.
Малая цифровая клавиатура используется в двух режимах – ввода чисел и управления курсором. Переключение этих режимов осуществляется клавишей Num Lock.
Клавиатура содержит встроенный микроконтроллер (местное устройство управления), который выполняет следующие функции:
последовательно опрашивает клавиши, считывая введенный сигнал и вырабатывая двоичный скан-код клавиши;
управляет световыми индикаторами клавиатуры;
проводит внутреннюю диагностику неисправностей;
осуществляет взаимодействие с центральным процессором через порт ввода-вывода клавиатуры.
Клавиатура имеет встроенный буфер – промежуточную память малого размера, куда помещаются введённые символы. В случае переполнения буфера нажатие клавиши будет сопровождаться звуковым сигналом – это означает, что символ не введён (отвергнут).
Работу клавиатуры поддерживают специальные программы, «зашитые» в BIOS, а также драйвер клавиатуры, который обеспечивает возможность ввода русских букв, управление скоростью работы клавиатуры и др.
Видеосистема компьютера
Видеосистема компьютера состоит из трех компонент:
монитор (называемый также дисплеем);
видеоадаптер;
программное обеспечение (драйверы видеосистемы).
Видеоадаптер посылает в монитор сигналы управления яркостью лучей и синхросигналы строчной и кадровой развёрток. Монитор преобразует эти сигналы в зрительные образы. А программные средства обрабатывают видеоизображения – выполняют кодирование и декодирование сигналов, координатные преобразования, сжатие изображений и др.
Монитор – устройство визуального отображения информации (в виде текста, таблиц, рисунков, чертежей и др.).
По типу экрана мониторы делятся на следующие виды:
ЭЛТ – на основе электронно-лучевой трубки (англ. cathode ray tube, CRT)
ЖК – жидкокристаллические мониторы (англ. liquid crystal display, LCD)
Плазменный – на основе плазменной панели (plasma display panel, PDP, gas-plazma display panel)
Проектор – видеопроектор и экран, размещённые отдельно или объединённые в одном корпусе (как вариант – через зеркало или систему зеркал); и Проекционный телевизор
OLED-монитор – на технологии OLED (англ. organic light-emitting diode – органический светоизлучающий диод)
Мониторы бывают алфавитно-цифровые и графические, монохромные и цветного изображения. Современные компьютеры комплектуются, как правило, цветными графическими мониторами.
Основной элемент ЭЛТ дисплея – электронно-лучевая трубка. Её передняя, обращенная к зрителю часть с внутренней стороны покрыта люминофором – специальным веществом, способным излучать свет при попадании на него быстрых электронов.
Схема электронно-лучевой трубки
Люминофор наносится в виде наборов точек трёх основных цветов – красного, зелёного и синего. Эти цвета называют основными, потому что их сочетаниями (в различных пропорциях) можно представить любой цвет спектра.
Пиксельные триады
Наборы точек люминофора располагаются по треугольным триадам. Триада образует пиксель – точку, из которых формируется изображение (англ. pixel – picture element, элемент картинки).
Расстояние между центрами пикселов называется точечным шагом монитора. Это расстояние существенно влияет на чёткость изображения. Чем меньше шаг, тем выше чёткость. Обычно в цветных мониторах шаг составляет 0,25 мм. При таком шаге глаз человека воспринимает точки триады как одну точку «сложного» цвета.
На противоположной стороне трубки расположены три (по количеству основных цветов) электронные пушки. Все три пушки «нацелены» на один и тот же пиксель, но каждая из них излучает поток электронов в сторону «своей» точки люминофора.
Чтобы электроны беспрепятственно достигали экрана, из трубки откачивается воздух, а между пушками и экраном создаётся высокое электрическое напряжение, ускоряющее электроны.
Перед экраном на пути электронов ставится маска – тонкая металлическая пластина с большим количеством отверстий, расположенных напротив точек люминофора. Маска обеспечивает попадание электронных лучей только в точки люминофора соответствующего цвета.
Величиной электронного тока пушек и, следовательно, яркостью свечения пикселов, управляет сигнал, поступающий с видеоадаптера.
Ход электронного пучка по экрану
На ту часть колбы, где расположены электронные пушки, надевается отклоняющая система монитора, которая заставляет электронный пучок пробегать поочерёдно все пикселы строчку за строчкой от верхней до нижней, затем возвращаться в начало верхней строки и т.д.
Количество отображённых строк в секунду называется строчной частотой развертки. А частота, с которой меняются кадры изображения, называется кадровой частотой развёртки. Последняя не должна быть ниже 60 Гц, иначе изображение будет мерцать.
В 21 веке традиционные ЭЛТ-мониторы вытесняются плоскими жидкокристаллическими (ЖК) мониторами.
Жидкие кристаллы – это особое состояние некоторых органических веществ, в котором они обладают текучестью и свойством образовывать пространственные структуры, подобные кристаллическим. Жидкие кристаллы могут изменять свою структуру и светооптические свойства под действием электрического напряжения. Меняя с помощью электрического поля ориентацию групп кристаллов и используя введённые в жидкокристаллический раствор вещества, способные излучать свет под воздействием электрического поля, можно создать высококачественные изображения, передающие более 15 миллионов цветовых оттенков.
Большинство ЖК-мониторов использует тонкую плёнку из жидких кристаллов, помещённую между двумя стеклянными пластинами. Заряды передаются через так называемую пассивную матрицу – сетку невидимых нитей, горизонтальных и вертикальных, создавая в месте пересечения нитей точку изображения (несколько размытого из-за того, что заряды проникают в соседние области жидкости).
Активные матрицы (LCD TFT, от англ. Thin film transistor – тонкоплёночный транзистор) вместо нитей используют прозрачный экран из транзисторов и обеспечивают яркое, практически не имеющее искажений изображение. Панель при этом разделена на 308160 (642х480) независимых ячеек, каждая из которых состоит из четырех частей (для трёх основных цветов и одна резервная). Таким образом, экран имеет почти 1,25 млн. точек, каждая из которых управляется собственным транзистором.
По компактности такие мониторы не знают себе равных. Они занимают в 2 – 3 раза меньше места, чем мониторы с ЭЛТ и во столько же раз легче; потребляют гораздо меньше электроэнергии и не излучают электромагнитных волн, воздействующих на здоровье людей.
Важнейшие характеристики ЖК-дисплеев:
Разрешение – горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселях. В отличие от ЭЛТ-мониторов, ЖК имеют одно фиксированное разрешение, остальные достигаются интерполяцией.
Размер точки (размер пикселя) – расстояние между центрами соседних пикселей. Непосредственно связан с физическим разрешением.
Соотношение сторон экрана (пропорциональный формат) – отношение ширины к высоте (5:4, 4:3, 3:2 (15÷10), 8:5 (16÷10), 5:3 (15÷9), 16:9 и др.)
Видимая диагональ – размер самой панели, измеренный по диагонали. Площадь дисплеев зависит также от формата: монитор с форматом 4:3 имеет большую площадь, чем с форматом 16:9 при одинаковой диагонали.
Контрастность – отношение яркостей самой светлой и самой тёмной точек при заданной яркости подсветки. В некоторых мониторах используется адаптивный уровень подсветки с использованием дополнительных ламп, приведённая для них цифра контрастности (так называемая динамическая) не относится к статическому изображению.
Яркость – количество света, излучаемое дисплеем, обычно измеряется в канделах на квадратный метр.
Время отклика – минимальное время, необходимое пикселю для изменения своей яркости. Составляется из двух величин:
Время переключения – именно оно указывается в характеристиках монитора. Высокое значение ухудшает качество видео; методы измерения неоднозначны. Сейчас практически во всех мониторах заявленное время переключения составляет 2-6 мс.
Угол обзора – угол, при котором падение контраста достигает заданного, для разных типов матриц и разными производителями вычисляется по-разному, и часто не подлежит сравнению. При углах обзора 170°/160° контрастность в центре экрана снижается до значения не ниже чем 10:1, при углах обзора 176°/176° не ниже чем до значения 5:1.
Тип матрицы: технология, по которой изготовлен ЖК-дисплей.
Газоразрядный экран (также широко применяется английская калька «плазменная панель») – устройство отображения информации, монитор, основанный на явлении свечения люминофора под воздействием ультрафиолетовых лучей, возникающих при электрическом разряде в ионизированном газе, иначе говоря в плазме.
Плазменная панель представляет собой матрицу газонаполненных ячеек, заключенных между двумя параллельными стеклянными пластинами, внутри которых расположены прозрачные электроды, образующие шины сканирования, подсветки и адресации. Разряд в газе протекает между разрядными электродами (сканирования и подсветки) на лицевой стороне экрана и электродом адресации на задней стороне.
Особенности конструкции:
суб-пиксель плазменной панели обладает следующими размерами 200 мкм x 200 мкм x 100 мкм;
передний электрод изготовляется из оксида индия и олова, поскольку он проводит ток и максимально прозрачен.
при протекании больших токов по довольно большому плазменному экрану из-за сопротивления проводников возникает существенное падение напряжения, приводящее к искажениям сигнала, в связи с чем добавляют промежуточные проводники из хрома, несмотря на его непрозрачность;
для создания плазмы ячейки обычно заполняются газом – неоном или ксеноном (реже используется гелий и/или аргон, или, чаще, их смеси).
Проектор – световой прибор, перераспределяющий свет лампы с концентрацией светового потока на поверхности малого размера или в малом объёме. Проекторы являются в основном оптико-механическими или оптическо-цифровыми приборами, позволяющими при помощи источника света проецировать изображения объектов на поверхность, расположенную вне прибора – экран.
Мультимедийный проектор (также используется термин «Цифровой проектор») – с появлением и развитием цифровых технологий это наименование получили два, вообще говоря, различных класса устройств:
На вход устройства подаётся видеосигнал в реальном времени (аналоговый или цифровой). Устройство проецирует изображение на экран. Возможно при этом наличие звукового канала.
Устройство получает на отдельном или встроенном в устройство носителе или из локальной сети файл или совокупность файлов (слайдшоу) – массив цифровой информации. Декодирует его и проецирует видеоизображение на экран, возможно, воспроизводя при этом и звук. Фактически, является сочетанием в одном устройстве мультимедийного проигрывателя и собственно проектора.
Органический светодиод (англ. Organic Light-Emitting Diode (OLED) – органический светоизлучающий диод) – полупроводниковый прибор, изготовленный из органических соединений, который эффективно излучает свет, если пропустить через него электрический ток.
Основное применение технология OLED находит при создании устройств отображения информации (дисплеев). Предполагается, что производство таких дисплеев будет гораздо дешевле, нежели производство жидкокристаллических дисплеев.
Для создания органических светодиодов (OLED) используются тонкопленочные многослойные структуры, состоящие из слоев нескольких полимеров. При подаче на анод положительного относительно катода напряжения, поток электронов протекает через прибор от катода к аноду. Таким образом катод отдает электроны в эмиссионный слой, а анод забирает электроны из проводящего слоя, или другими словами анод отдает дырки в проводящий слой. Эмиссионный слой получает отрицательный заряд, а проводящий слой положительный. Под действием электростатических сил электроны и дырки движутся навстречу друг к другу и при встрече рекомбинируют. Это происходит ближе к эмиссионному слою, потому что в органических полупроводниках дырки обладают большей подвижностью, чем электроны. При рекомбинации происходит понижение энергии электрона, которое сопровождается испусканием (эмиссией) электромагнитного излучения в области видимого света. Поэтому слой и называется эмиссионным.
Схема 2х слойной OLED-панели: 1. Катод(−), 2. Эмиссионный слой, 3. Испускаемое излучение, 4. Проводящий слой, 5. Анод (+)
Прибор не работает при подаче на анод отрицательного относительно катода напряжения. В этом случае дырки движутся к аноду, а электроны в противоположном направлении к катоду, и рекомбинации не происходит.
В качестве материала анода обычно используется оксид индия, легированный оловом. Он прозрачный для видимого света и имеет высокую работу выхода, которая способствует инжекции дырок в полимерный слой. Для изготовления катода часто используют металлы, такие как алюминий и кальций, так как они обладают низкой работой выхода, способствующей инжекции электронов в полимерный слой.
Разновидность монитора – сенсорный экран. Здесь общение с компьютером осуществляется путём прикосновения пальцем к определённому месту чувствительного экрана. Этим выбирается необходимый режим из меню, показанного на экране монитора.
Меню – это выведенный на экран монитора список различных вариантов работы компьютера, по которому можно сделать конкретный выбор.
Сенсорными экранами оборудуют рабочие места операторов и диспетчеров, их используют в информационно-справочных системах и т.д.
Принтер, плоттер, сканер
Принтер (от англ. print – печать) – печатающее устройство. Осуществляет вывод из компьютера закодированной информации в виде печатных копий текста или графики.
Основных видов принтеров три: матричные, лазерные и струйные.
Матричный символ
Матричные принтеры используют комбинации маленьких штырьков, которые бьют по красящей ленте, благодаря чему на бумаге остаётся отпечаток символа. Каждый символ, печатаемый на принтере, формируется из набора 9, 18 или 24 игл, сформированных в виде вертикальной колонки. Недостатками этих недорогих принтеров являются их шумная работа и невысокое качество печати, приемлемое, в основном, для домашних целей.
Лазерные принтеры работают примерно так же, как ксероксы. Компьютер формирует в своей памяти «образ» страницы текста и передает его принтеру. Информация о странице проецируется с помощью лазерного луча на вращающийся барабан со светочувствительным покрытием, меняющим электрические свойства в зависимости от освещённости.
После засветки на барабан, находящийся под электрическим напряжением, наносится красящий порошок – тонер, частицы которого налипают на засвеченные участки поверхности барабана. Принтер с помощью специального горячего валика протягивает бумагу под барабаном; тонер переносится на бумагу и «вплавляется» в неё, оставляя стойкое высококачественное изображение. Цветные лазерные принтеры пока очень дороги.
Струйные принтеры генерируют символы в виде последовательности чернильных точек. Печатающая головка принтера имеет крошечные сопла, через которые на страницу выбрызгиваются быстросохнущие чернила. Эти принтеры требовательны к качеству бумаги. Цветные струйные принтеры создают цвета, комбинируя чернила четырех основных цветов – ярко-голубого, пурпурного, желтого и черного.
Принтер связан с компьютером посредством кабеля принтера, один конец которого вставляется своим разъёмом в гнездо принтера, а другой – в порт принтера компьютера. Порт – это разъём, через который можно соединить процессор компьютера с внешним устройством.
Каждый принтер обязательно имеет свой драйвер – программу, которая способна переводить (транслировать) стандартные команды печати компьютера в специальные команды, требующиеся для каждого принтера.
Плоттер (графопостроитель) – устройство, которое чертит графики, рисунки или диаграммы под управлением компьютера.
Плоттеры используются для получения сложных конструкторских чертежей, архитектурных планов, географических и метеорологических карт, деловых схем. Плоттеры рисуют изображения с помощью пера.
Роликовые плоттеры прокручивают бумагу под пером, а планшетные плоттеры перемещают перо через всю поверхность горизонтально лежащей бумаги.
Плоттеру, так же, как и принтеру, обязательно нужна специальная программа – драйвер, позволяющая прикладным программам передавать ему инструкции: поднять и опустить перо, провести линию заданной толщины и т.п.
Сканер (англ. scanner, от scan – пристально разглядывать, рассматривать) – устройство для ввода в компьютер графических изображений. Создает оцифрованное изображение документа и помещает его в память компьютера.
Если принтеры выводят информацию из компьютера, то сканеры, наоборот, переносят информацию с бумажных документов в память компьютера. Существуют следующие виды сканеров:
ручные сканеры, которые прокатывают по поверхности документа рукой;
планшетные сканеры, по внешнему виду напоминающие копировальные машины, в которых сканирующая головка перемещается относительно бумаги с помощью шагового двигателя;
рулонные сканеры, в которых отдельные листы документов протягиваются через роликовое устройство, при этом и осуществляется их сканирование.
Простейший черно-белый сканер работает следующим образом: сканируемое изображение освещается белым светом. Отраженный свет через уменьшающую линзу попадает на фоточувствительный полупроводниковый элемент, называемый Прибором с Зарядовой Связью – ПЗС (Charge-Coupled Device, CCD), в основу которого положена чувствительность проводимости р - n-перехода обыкновенного полупроводникового диода к степени его освещенности. На р - n-переходе создается заряд, который рассасывается со скоростью, зависящей от освещенности. Чем выше скорость рассасывания, тем больший ток проходит через диод. Каждая строка сканирования изображения соответствует определенным значениям напряжения на ПЗС. Эти значения напряжения преобразуются в цифровую форму через аналого-цифровой преобразователь АЦП. Для получения цветных сканируемых изображений существует несколько технологий. Один из наиболее общих принципов работы цветного сканера заключается в следующем. Сканируемое изображение освещается уже не белым светом, а через RGB-светофильтр либо от RGB-источников. Для каждого из основных цветов (красного, зеленого и синего) последовательность операций практически не отличается от последовательности действий при сканировании черно-белого изображения.
Если при помощи сканера вводится текст, компьютер воспринимает его как картинку, а не как последовательность символов. Для преобразования такого графического текста в обычный символьный формат используют программы оптического распознавания образов.
Многофункциональное устройство (МФУ) – устройство, объединяющее в себе копировальный аппарат, принтер и сканер. Иногда к этим функциям добавляют факс, модем и телефон.
Сетевой адаптер
Сетевая плата, также известная как сетевая карта, сетевой адаптер, Ethernet-адаптер – периферийное устройство, позволяющее компьютеру взаимодействовать с другими устройствами сети. В настоящее время, особенно в персональных компьютерах, сетевые платы довольно часто интегрированы в материнские платы для удобства и удешевления всего компьютера в целом.
Сетевой адаптер позволяет подключать компьютер в локальную сеть с помощью специального кабеля (так называемой витой пары).
Максимальная скорость, с которой сетевая плата может осуществлять обмен данными с другими устройствами по сети, измеряется в мегабитах. Сетевые карты различаются по максимально поддерживаемой скорости 10, 100, 1000 Мбит/сек. Стоит заметить, что для того, чтобы сетевая плата показала все, на что способна, сеть, к которой она подключается, должна поддерживать эту скорость работы, в противном случае скорость работы сетевой платы будет ограничена скоростью сети.
По конструктивной реализации сетевые платы делятся на:
внутренние – отдельные платы, вставляющиеся в ISA, PCI или PCI-E слот;
внешние, подключающиеся через USB интерфейс, преимущественно использующиеся в ноутбуках;
встроенные в материнскую плату.
Модем и факс-модем
Модем – устройство для передачи компьютерных данных на большие расстояния по телефонным линиям связи.
Цифровые сигналы, вырабатываемые компьютером, нельзя напрямую передавать по телефонной сети, потому что она предназначена для передачи человеческой речи – непрерывных сигналов звуковой частоты.
Модем обеспечивает преобразование цифровых сигналов компьютера в переменный ток частоты звукового диапазона – этот процесс называется модуляцией, а также обратное преобразование, которое называется демодуляцией. Отсюда название устройства: модем – модулятор/демодулятор.
Схема реализации модемной связи
Для осуществления связи один модем вызывает другой по номеру телефона, а тот отвечает на вызов. Затем модемы посылают друг другу сигналы, согласуя подходящий им обоим режим связи. После этого передающий модем начинает посылать модулированные данные с согласованными скоростью (количеством бит в секунду) и форматом. Модем на другом конце преобразует полученную информацию в цифровой вид и передает её своему компьютеру. Закончив сеанс связи, модем отключается от линии.
Управление модемом осуществляется с помощью специального коммутационного программного обеспечения.
Модемы бывают внешние, выполненные в виде отдельного устройства, и внутренние, представляющие собой электронную плату, устанавливаемую внутри компьютера. Почти все модемы поддерживают и функции факсов.
Различают следующие типы модемов по виду соединения:
Модемы для коммутируемых телефонных линий – наиболее распространённый тип модемов.
ISDN – модемы для цифровых коммутируемых телефонных линий.
DSL – используются для организации выделенных (некоммутируемых) линий используя обычную телефонную сеть. Отличаются от коммутируемых модемов тем, что используют другой частотный диапазон, а также тем, что по телефонным линиям сигнал передается только до АТС. Обычно позволяют одновременно с обменом данными осуществлять использование телефонной линии в обычном порядке.
Кабельные – используются для обмена данными по специализированным кабелям – к примеру, через кабель коллективного телевидения.
Радио – работают в радиодиапазоне, используют собственные наборы частот и протоколы.
Сотовые – работают по протоколам сотовой связи – GPRS, EDGE, и т.п. Часто имеют исполнения в виде USB-брелка. В качестве таких модемов также часто используют терминалы мобильной связи.
Спутниковые – используются для организации спутникового интернета. Принимают и обрабатывают сигнал полученный со спутника.
Факс – это устройство факсимильной передачи изображения по телефонной сети. Название «факс» произошло от слова «факсимиле» (лат. fac simile – сделай подобное), означающее точное воспроизведение графического оригинала (подписи, документа и т.д.) средствами печати.
Модем, который может передавать и получать данные как факс, называется факс-модемом.
Манипуляторы
Манипуляторы (мышь, джойстик и др.) – это специальные устройства, которые используются для управления курсором.
Мышь имеет вид небольшой коробки, полностью умещающейся на ладони. Она воспринимает своё перемещение в рабочей плоскости (обычно – на участке поверхности стола) и передаёт эту информацию компьютеру. Программа, работающая на компьютере, в ответ на перемещение мыши производит на экране действие, отвечающее направлению и расстоянию этого перемещения. В универсальных интерфейсах (например, в оконных) с помощью мыши пользователь управляет специальным курсором – указателем – манипулятором элементами интерфейса. Иногда используется ввод команд мышью без участия видимых элементов интерфейса программы: при помощи анализа движений мыши.
В дополнение к детектору перемещения, мышь имеет от одной до трёх и более кнопок, а также дополнительные элементы управления (колёса прокрутки, потенциометры, джойстики, трекболы, клавиши и т.п.), действие которых обычно связывается с текущим положением курсора (или составляющих специфического интерфейса).
Джойстик (англ. joystick – «ручка управления самолётом», дословно «палочка наслаждений») – обычно это стержень-ручка, отклонение которой от вертикального положения приводит к передвижению курсора в соответствующем направлении по экрану монитора. Часто применяется в компьютерных играх. На ручке, а также в платформе, на которой она крепится, обычно располагаются кнопки и переключатели различного назначения. Помимо координатных осей X и Y, возможно также изменение координаты Z, за счет вращения рукояти вокруг оси, наличия второй ручки, дополнительного колёсика и т.п. В некоторых моделях в джойстик монтируется датчик давления. В этом случае, чем сильнее пользователь нажимает на ручку, тем быстрее движется курсор по экрану дисплея.
Трекбол – небольшая коробка с шариком, встроенным в верхнюю часть корпуса. Пользователь рукой вращает шарик и перемещает, соответственно, курсор. В отличие от мыши, трекбол не требует свободного пространства около компьютера, его можно встроить в корпус машины.
Дигитайзер – устройство для преобразования готовых изображений (чертежей, карт) в цифровую форму. Представляет собой плоскую панель – планшет, располагаемую на столе, и специальный инструмент – перо, с помощью которого указывается позиция на планшете. При перемещении пера по планшету фиксируются его координаты в близко расположенных точках, которые затем преобразуются в компьютере в требуемые единицы измерения.
Устройство персонального компьютера
Рассмотрим устройство компьютера на примере самой распространенной компьютерной системы – персонального компьютера.
Персональным компьютером (ПК) называют сравнительно недорогой универсальный микрокомпьютер, рассчитанный на одного пользователя.
Персональные компьютеры обычно проектируются на основе принципа открытой архитектуры.
Принцип открытой архитектуры заключается в следующем:
Регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-изготовителями.
Компьютер легко расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних расширительных гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями.
Упрощённая блок-схема, отражающая основные функциональные компоненты компьютерной системы в их взаимосвязи, изображена на рисунке
Общая структура персонального компьютера с подсоединенными периферийными устройствами
Для того, чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера, они должны иметь одинаковый интерфейс (англ. interface от inter – между, и face – лицо).
Интерфейс – это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой.
Если интерфейс является общепринятым, например, утверждённым на уровне международных соглашений, то он называется стандартным.
Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связан с шиной определённого типа – адресной, управляющей или шиной данных.
Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты примерно по такой схеме:
Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.
Порты устройств представляют собой некие электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора.
Портами также называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы).
Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами – побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно.
К последовательному порту обычно подсоединяют медленно действующие или достаточно удалённые устройства, такие, как мышь и модем. К параллельному порту подсоединяют более «быстрые» устройства – принтер и сканер. Через игровой порт подсоединяется джойстик. Клавиатура и монитор подключаются к своим специализированным портам, которые представляют собой просто разъёмы. В настоящее время многие устройства подключаются к USB-порту (англ. Universal Serial Bus – «универсальная последовательная шина», произносится «ю-эс-би»). USB – последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств.
Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру процессора, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской (MotherBoard). А контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения (DаughterBoard – дочерняя плата) и подключаются к шине с помощью разъёмов расширения, называемых также слотами расширения (англ. slot – щель, паз).