МДК «Архитектура ЭВМ»

МДК «Элементы мат. логики»

1. Под термином "архитектура ЭВМ" принято понимать совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их основных характеристик, определяющих функциональные возможности ЭВМ.

Структура вычислительной системы

Из чего состоит любая вычислительная система?

Во-первых, из того, что в англоязычных странах принято называть словом hardware, или техническое обеспечение: процессор, память, монитор, дисковые устройства и т.д., объединенные магистральным соединением, которое называется шиной.

Во-вторых, вычислительная система состоит из программного обеспечения (software).

2. Принцип однородности памяти заключается в том, что программы и данные (числа, тексты) хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в конкретных ячейках памяти – данные для обработки или команды. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

3. Принцип программного управления заключается в том, что после сообщения машине адреса первой команды программы и занесения тела этой команды в регистр команд, программа управляет сама собой. Далее никакого внешнего управления не требуется. Этот принцип выполняется как на уровне команд, так и на уровне микрокоманд.

Принцип программного управления компьютером сводится к следующим трем положениям:

1) любая работа выполняется компьютером по программе;

2) исполняемая программа находится в оперативной памяти;

3) программа выполняется автоматически.

4. Существенным преимуществом адресного языка на современном уровне развития машинной математики является его практическая пригодность в качестве средства для обмена информацией в виде адресных программ между организациями, использующими машины различных типов. Действительно, этот язык является универсальным алгоритмическим языком, поскольку в нем не учитываются индивидуальные особенности машин, а принимаются во внимание лишь общие принципы машинного решения задач - принцип адресности и принцип автоматического ( программного) управления.

5. Узлы ЭВМ.

Триггер – простейшее последовательностное устройство, которое может длительно находиться в одном из нескольких возможных устойчивых состояний и переходить из одного в другое под воздействием входных сигналов. Последовательностными называют такие логические устройства, выходные сигналы которых определяются не только сигналами на входах, но и предысторией их работы, то есть состоянием элементов памяти. Триггер — один из базовых элементов цифровой техники. Триггерные схемы классифицируют по следующим признакам:

• способу приёма логических сигналов;

• функциональным возможностям;

• принципу построения;

• числу устойчивых состояний (обычно устойчивых состояний два, реже - больше);

• числу уровней — два уровня (высокий, низкий) в двухуровневых элементах, три уровня (положительный, ноль, отрицательный) в трёхуровневых элементах.

По способу работы с сигналами различают асинхронные, синхронные и смешанные триггерные схемы, статические и динамические.

Асинхронный триггер изменяет своё состояние непосредственно в момент появления соответствующего информационного сигнала.

Синхронные триггеры реагируют на информационные сигналы только при наличии соответствующего сигнала на так называемом входе синхронизации С (от англ. clock). Этот вход также обозначают терминами «строб», «такт». Синхронные триггеры в свою очередь подразделяют на триггеры со статическим (статические) и динамическим (динамические) управлением по входу синхронизации С.

Статические триггеры воспринимают информационные сигналы при подаче на вход С логической единицы (прямой вход) или логического нуля (инверсный вход).

Динамические триггеры воспринимают информационные сигналы при изменении (перепаде) сигнала на входе С от 0 к 1 (прямой динамический С-вход) или от 1 к 0 (инверсный динамический С-вход).

Статические триггеры в свою очередь подразделяют на одноступенчатые (однотактные) и двух-ступенчатые (двухтактные).

В одноступенчатом триггере имеется одна ступень запоминания информации, а в двухступенчатом — две такие ступени. Вначале информация записывается в первую ступень, а затем переписывается во вторую и появляется на выходе. Двухступенчатый триггер обозначают ТТ.

По структурному построению — однотактные (триггеры защёлки), двухтактные и триггеры с динамическим управлением. По способу реакции на помехи — прозрачные и непрозрачные. Непрозрачные, в свою очередь, делятся на проницаемые и непроницаемые. По функциональному назначению — RS, D, JK, T, RR, SS, EE, DV.

При изготовлении триггеров применяются преимущественно полупроводниковые приборы (обычно полевые транзисторы), в прошлом — электронные лампы. В настоящее время логические схемы, в том числе с использованием триггеров, создают в интегрированных средах разработки под различные программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС)

Используются в основном в вычислительной технике для организации компонентов вычислительных систем: процессоров, регистров, счётчиков, ОЗУ.

По функциональным возможностям триггеры разделяют на следующие классы:

• с раздельной установкой состояния 0 и 1 (RS-триггеры). Если триггер является синхронным — добавляется вход синхронизации C.;

• универсальные (JK-триггеры);

• с приёмом информации по одному входу D (D-триггеры, или триггеры задержки);

• со счётным входом Т (Т-триггеры).

Каждый тип триггера имеет собственную таблицу работы (таблицу истинности). Выходное состояние триггера обычно обозначают буквой Q. Индекс возле буквы означает состояние до подачи сигнала (t) или после подачи сигнала (t+1).

Если триггер синхронный, то существует также дополнительный вход синхронизации. Для того, чтобы такой триггер учёл информацию на синхронных входах, на входе синхронизации необходимо сформировать активный фронт (обычно положительный фронт).

Регистр — последовательностное логическое устройство, используемое для хранения n-разрядных двоичных чисел и выполнения преобразований над ними.

Регистр представляет собой упорядоченную последовательность триггеров, число которых соответствует числу разрядов в слове. С каждым регистром обычно связано комбинационное цифровое устройство, с помощью которого обеспечивается выполнение некоторых операций над словами. Фактически любое цифровое устройство можно представить в виде совокупности регистров, соединённых друг с другом при помощи комбинационных цифровых устройств.

Основой построения регистров являются D-триггеры.

Типичными являются следующие операции:

• приём слова в регистр;

• передача слова из регистра;

• поразрядные логические операции;

• сдвиг слова влево или вправо на заданное число разрядов;

• преобразование последовательного кода слова в параллельный и обратно;

• установка регистра в начальное состояние (сброс).

Регистры классифицируются по следующим видам:

• накопительные (регистры памяти, хранения);

• сдвигающие.

В свою очередь сдвигающие регистры делятся:

• по способу ввода-вывода информации:

  • параллельные - запись и считывание информации происходит одновременно на все входы и со всех выходов;

  • последовательные - запись и считывание информации происходит в первый триггер, а та информация, которая была в этом триггере, перезаписывается в следующий - то же самое происходит и с остальными триггерами;

  • комбинированные;

• по направлению передачи информации:

  • однонаправленные

  • реверсивные.

• по основанию системы счисления;

  • двоичные

  • троичные

  • десятичные

Дешифраторами называются комбинационные устройства, преобразующие n-разрядный двоичный код в логический сигнал, появляющийся на том выходе, десятичный номер которого соответствует двоичному коду.

Дешифратор работает по следующему принципу: пусть дешифратор имеет N входов, на них подано двоичное слово x_N-1x_N-2...x₀, тогда на выходе будем иметь такой код разрядности меньшей или равной 2^N, что разряд, номер которого равен входному слову, принимает значение единицы, все остальные разряды равны нулю. Очевидно, что максимально возможная разрядность выходного слова равна 2^N. Такой дешифратор называется полным. Если часть входных наборов не используется, то число выходов меньше 2^N, и дешифратор является неполным.

Часто дешифраторы дополняются входом разрешения работы E. Если на этот вход поступает единица, то дешифратор функционирует, в ином случае на выходе дешифратора вырабатывается логический ноль вне зависимости от входных сигналов

Существуют дешифраторы с инверсными выходами, у такого дешифратора выбранный разряд показан нулем.

Функционирование дешифратора описывается системой конъюнкций:

Обратное преобразование осуществляет шифратор.

Счётчик — устройство, на выходах которого получается двоичный (двоично-десятичный) код, определяемый числом поступивших импульсов. Счётчики могут строится на T-триггерах. Основной параметр счётчика — модуль счёта — максимальное число единичных сигналов, которое может быть сосчитано счётчиком. Счётчики обозначают через СТ (от англ. counter).

Счётчики классифицируют:

• по модулю счёта:

  • двоично-десятичные;

  • двоичные;

  • с произвольным постоянным модулем счёта;

  • с переменным модулем счёта;

• по направлению счёта:

  • суммирующие;

  • вычитающие;

  • реверсивные;

• по способу формирования внутренних связей:

  • с последовательным переносом;

  • параллельным переносом;

  • комбинированным переносом;

  • кольцевые;

6. Процессором называется устройство, непосредственно осуществляющее процесс обработки данных и программное управление этим процессом. Процессор дешифрирует и выполняет команды программы, организует обращения к оперативной памяти, в нужных случаях инициирует работу периферийных устройств, воспринимает и обрабатывает запросы, поступающие из устройств машины и из внешней среды (“запросы прерывания”). Процессор занимает центральное место в структуре ЭВМ, так как он осуществляет управление взаимодействием всех устройств, входящих в состав ЭВМ. Выполнение команды (машинной операции) разделено на более мелкие этапы — микрооперации (микрокоманды), во время которых выполняются определенные элементарные действия. Конкретный состав микроопераций определяется системой команд и логической структурой данной ЭЗМ. Последовательность микроопераций (микрокоманд), реализующих данную операцию (команду), образует микропрограмму операции. Для определений временных соотношений между различными этапами операции используется понятие машинного такта. Машинный такт определяет интервал времени, в течение которого выполняется одна или одновременно несколько микроопераций. Границы тактов задаются синхросигналами, вырабатываемыми специальной схемой — генератором синхросигналов. Таким образом, может быть установлена следующая иерархия этапов выполнения программ в процессоре: программа, команда (микропрограмма), микрооперация (микрокоманда). В процессор входят: арифметическо - логическое устройство АЛУ, управляющее устройство (управляющий автомат) УУ, блок управляющих регистров БУР, блок регистровой памяти (местная память) и блок связи с ОП и некоторым другим, в том числе внешним по отношению к ЭВМ, оборудованием. В состав процессора могут также входить и некоторые другие блоки, участвующие в организации вычислительного процесса (блок прерывания, блок защиты памяти, блок контроля правильности работы и диагностики процессора и др.). Оперативная (основная) память выполняется в виде отдельного устройства, хотя в небольших ЭВМ может конструктивно объединяться с процессором и использовать частично его оборудование. Арифметическо-логическое устройство процессора выполняет логические и арифметические операции над данными. В общем случае в АЛУ выполняются логические преобразования над логическими кодами фиксированной и переменной длины (над отдельными битами, группами бит, байтами и их последовательностями) , арифметические операции над числами с фиксированной и плавающей точками, над десятичными числами, обработка алфавитно-цифровых слов переменной длины и др. Характер выполняемой АЛУ операции задается командой программы. В процессоре может быть одно универсальное АЛУ для выполнения всех основных арифметических и логических преобразований или несколько специализированных для отдельных видов операций. В последнем случае увеличивается количество оборудования процессора, но повышается его быстродействие за счет специализации и упрощения схем выполнения отдельных операций. Управляющее устройство (управляющий автомат) вырабатывает последовательность управляющих сигналов, инициирующих выполнение соответствующей последовательности микроопераций, обеспечивающей реализацию текущей команды. Блок управляющих регистров предназначен для временного хранения управляющей информации. Он содержит регистры и счетчики, участвующие в управлении вычислительным процессом: регистры, хранящие информацию о состоянии процессора, регистр-счетчик адреса команды — счетчик команд (СчК), счетчики тактов, регистр запросов прерывания и др. К блоку управляющих регистров следует также отнести управляющие триггеры, фиксирующие режимы работы процессора. Для повышения быстродействия и логических возможностей процессора и микропроцессора в их состав включают блок регистровой памяти (местную память) небольшой емкости, но более высокого, чем ОП, быстродействия. Регистры этого блока (или ячейки местной памяти) указываются в командах программы путем укороче

7. К основным характеристикам процессора относятся:

• Быстродействие (вычислительная мощность) – это среднее число операций процессора в секунду.

• Тактовая частота в МГц. Тактовая равна количеству тактов в секунду. Такт - это промежуток времени между началом подачи текущего импульса ГТЧ и началом подачи следующего. Характерные тактовые частоты микропроцессоров: 40 МГц, 66 МГц, 100 МГц, 130 МГц, 166 МГц, 200 МГц, 333 МГц, 400 МГц, 600 МГц, 800 МГц, 1000 МГц и т. д. До 3ГГц Тактовая частота отражает уровень промышленной технологии, по которой изготавливался данный процессор. Она также характеризирует и компьютер, поэтому по названию модели микропроцессора можно составить достаточно полное представление о том, к какому классу принадлежит компьютер. Поэтому часто компьютерам дают имена микропроцессоров, входящих в их состав. Ниже приведены названия наиболее массовых процессоров, выпущенных фирмой Intel и годы их создания: 8080 (1974 г.), 80286 (1982 г.), 80386DX (1985 г.), 80486DX (1989 г.), 80586 или Pentium (1993 г.), Pentium Pro (1995 г.), Pentium II (1997 г.), Pentium III (1999 г.), Pentium IV (2001 г.). Как видно, увеличение частоты – одна из основных тенденций развития микропроцессоров. На рынке массовых компьютеров лидирующее место среди производителей процессоров занимают 2 фирмы: Intel и AMD. За ними закрепилось базовое название, переходящее от модели к модели. У Intel – это Pentium и модель с урезанной кэш-памятью Pentium Celeron; у AMD – это Athlon и модель с урезанной кэш-памятью Duron.

• Разрядность процессора - это максимальное количество бит информации, которые могут обрабатываться и передаваться процессором одновременно. Разрядность процессора определяется разрядностью регистров, в которые помещаются обрабатываемые данные. Например, если регистр имеет разрядность 2 байта, то разрядность процессора равна 16 (2x8); если 4 байта, то 32; если 8 байтов, то 64.

8. Внешние (или, по другому, периферийные) устройства ЭВМ прошли огромный путь в своем развитии. Существуй машина времени, инженеры-конструкторы и пользователи ЭВМ 50-х годов, увидев принтер, вряд ли поверили бы, что этот миниатюрный настольный аппарат может делать гораздо больше, чем его предок ростом с человека – АЦПУ (авгоматическое цифровое печатающее устройство), и вообще не поняли бы, чем занимается сканер или “мышь”. Возможности компьютера в значительной степени определяются номенклатурой и производительностью внешних устройств.

1.Устройства ввода информации

Разумеется, для ввода (и вывода) информации используются все виды ВЗУ. Заметим, что информация в ВЗУ хранится в виде, недоступном для непосредственного восприятия человеком, ибо ВЗУ предназначены для промежуточного хранения данных.

Многие другие устройства ввода/вывода, напротив, предназначены для обмена информацией с человеком.

1.1. Клавиатура

Важнейшим из устройств ввода, несомненно, является клавиатура (рис.1). Подавляющее большинство современных клавиатур являются полноходовыми контактными, т.е. клавиша утапливается при нажатии и замыкает контакт между двумя металлическими пластинками, покрытыми, во избежание окисления, пленкой благородного металла. Хорошая клавиатура рассчитана на несколько десятков миллионов нажатий каждой клавиши. При нажатии клавиши генерируется связанный с ней код, заносимый в соответствующий буфер памяти, а при ее отпускании – другой код, что позволяет перепрограммировать назначение клавиш, вводя новую таблицу соответствия этих кодов.

Рис. 1. Клавиатура

Ряд клавиш при совместном нажатии пары из них генерируют специальный код, отличный от того, который генерируется при нажатии каждой клавиши в отдельности. Это позволяет значительно увеличить возможности клавиатуры. Вспомним, что для передачи всех возможностей при байтовой системе кодирования могло бы понадобиться 256 клавиш, чего нет ни на одной клавиатуре благодаря указанным совмещениям.

Большинство клавиатур имеют стандартные группы клавиш:

• клавиши пишущей машинки – для ввода букв, цифр и других знаков;

• служебные клавиши, перенацеливающие действия остальных (переключатели регистров, переходы с латинского шрифта на русский и другие);

•функциональные клавиши F1 – F12 (иногда их меньше), назначение которых задает разработчик прикладной программы;

• дополнительные цифровые клавиши для большего удобства в работе.

Важным свойством клавиатуры, благодаря которому пользователь может работать не один час подряд, является эргономичность. Этим термином задается совокупность характеристик, определяющих удобство (в широком смысле слова) устройства. По отношению к клавиатуре это дизайн, отсутствие бликов, удобное взаиморасположение и размеры клавиш и многое другое.

Подробнее о клавиатуре

1.2. Мышь

Видеодемонстрация

В состав стандартного оснащения современного персонального компьютера входит мышь – устройство ввода и управления. Конструктивно это коробочка с выступающим внизу шариком (у механической мыши), который, поворачиваясь, вращает взаимно перпендикулярные колесики. Благодаря наличию в них специальных прорезей оптическая система мыши способна отслеживать и преобразовывать движение шарика в перемещение курсора на экране компьютера. Две или три клавиши на верхней стороне мыши позволяют отдавать многочисленные команды, определяемые текущей программой.

Поначалу на рынке PC-совместимых компьютеров мышь не пользовалась особым спросом, но с появлением Windows и OS/2 стала почти обязательной принадлежностью всех систем. Сейчас мышь входит в комплект практически каждого компьютера. Эти устройства выпускаются различными производителями, имеют самые разнообразные конструкции и размеры. Некоторые фирмы, взяв за основу стандартную мышь и перевернув ее, создали Trackball. При его использовании вы двигаете рукой шарик, а не все устройство. IBM производит очень "крутое" устройство, называемое Tracpoint, которое может использоваться и как мышь (шариком вниз), и как Trackball (шариком вверх). В большинстве случаев в Trackball установлен шарик гораздо большего размера, чем в стандартной мыши. С точки зрения дизайна Trackball идентичен мыши по базовым функциям и электрической "начинке", но отличается ориентацией и размером шарика.Среди фирм - производителей этого устройства наиболее крупными являются Microsoft и Logitech. Несмотря на внешнее разнообразие, все устройства работают одинаково. Основными компонентами мыши являются:

• корпус, который вы держите в руке и передвигаете по рабочему столу;

• шарик - датчик перемещения мыши;

• несколько кнопок (обычно две) для подачи (или выбора) команд;

• кабель для соединения мыши с компьютером;

• разъем для подключения к компьютеру.

Рис. 2. Устройство механической мыши

Корпус мыши сделан из пластмассы, и в нем практически нет движущихся компонентов. В верхней части корпуса, под пальцами, располагаются кнопки. Количество кнопок может быть разным, но обычно их только две. Для работы дополнительных кнопок нужны специальные программы. Внизу располагается небольшой покрытый резиной металлический шарик, который вращается при перемещении мыши по столу. Вращение шарика преобразуется в электрические сигналы, которые по кабелю передаются в компьютер. В некоторых конструкциях мыши устанавливается оптический датчик, с помощью которого регистрируются перемещения устройства относительно нарисованной координатной сетки.

Есть еще ряд манипуляторов, служащих для ввода информации: световое перо, джойстик и т.д. Они второстепенны, решают некоторые ограниченные задачи.

1.3. Сканер

Видеодемонстрация

Добавление сканера в систему – прекрасный способ существенно расширить возможности ПК. Он привнесет такое качество, которое не добудешь применением более мощного процессора и наращиванием ОЗУ.

Принцип действия сканера

Сканеры – это, по существу, настольные аналого-цифровые преобразователи. Они превращают аналоговые графические объекты – документы, страницы журнала, фотографии, служебные удостоверения – в цифровые растры, которые распознает система ПК. Соответствующее программное обеспечение позволяет изменять такие параметры изображения, как яркость, контрастность, цветовой тон, (как в телевизоре) и использовать спецэффекты. Специальные программы для оптического распознавания символов (OCR – Optical Characters Recognition) позволяют преобразовать графическое изображение станицы текста в форму, которую воспринимают текстовые редакторы (такие как Word). Картинка становится текстом, и его можно редактировать обычным образом.

Принцип действия сканера основан на следующем. Источник света подсвечивает узкий участок (“строку”) сканируемого документа. Отраженный от документа свет проходит через систему линз и попадает на линейную ПЗС-матрицу.

Информация из ПЗС-матрицы через тот или иной интерфейс передается в ПК. Оптическая система сканера – подвижная, она перемещается вдоль документа (сканирует), последовательно передавая в ПК строки изображения. Разрешение сканера определяется количеством точек на дюйм – dpi (dot per inch). Горизонтальное разрешение, связанное с числом точек в строке, зависит, в основном, от ПЗС-матрицы и находится в пределах 300-2400 dpi. Вертикальное разрешение, связанное с перемещением по листу, зависит от точности позиционирования оптической системы. Оно бывает примерно такое же, как и по горизонтали, но не обязательно в точности с ним совпадает. Поэтому разрешение сканеров обычно характеризуют двумя цифрами, например 300x600 dpi. Первое число – разрешение по вертикали, второе – по горизонтали.

В настоящее время все сканеры широкого применения – цветные. На самом деле ПЗС-матрица, как и собака, видит все в черно-белом виде, точнее, в градациях серого. Чтобы научить сканер работать с цветом, используют три ПЗС-линейки со светофильтрами, выделяющими определенные части спектра светового сигнала. За основные цвета принимают обычно синий, зеленый и красный (аддитивная схема RGB, как в ЭЛТ) или голубой, пурпурный и желтый (схема цветов CMYK, как в цветных принтерах). Для кодирования основных цветов, как и в видеосистеме, используют определенное число бит, например, 8 бит на каждый основной цвет. Количество бит задает, как говорят, глубину представления цвета. Если на формирование каждого цвета выделено 8 бит, то всего получается 3x8=24 бит. А это 16,7 млн. цветов. Сейчас на рынке имеются сканеры с 32, 36 и даже 42-битным представлением цвета.

На рынке имеется много различных моделей сканеров: от точных высокого разрешения, предназначенных для профессиональных целей, до дешевых моделей для быстрого сканирования документов. Но все это разнообразие можно разделить на три основные типа: планшетные сканеры; листовые сканеры; ручные сканеры.

Планшетные сканеры

Рис. 3. Планшетный сканер

Планшетные сканеры – наиболее популярные и универсальные приборы. Они выглядят как прямоугольная коробка, под крышку которой помещается лист бумаги формата А4, а иногда и большего. Все очень похоже на ксерокс. Планшетные сканеры обеспечивают наибольшую точность сканирования, так как документ при сканировании неподвижен, а оптическая система осуществляет прецизионное движение. На таких сканерах можно сканировать страницы журналов и не очень толстых книг. В случае толстых книг качество сканирования падает (как и в ксероксах), так как не удается обеспечить плотное прилегание сканируемого листа вблизи корешка книги.

К недостаткам планшетных сканеров следует отнести то, что приходится укладывать сканируемые листы вручную.

Ручные сканеры

Эти сканеры формируют самый дешевый сегмент рынка сканеров. Здесь перемещение оптической системы осуществляется пользователем вручную. Поэтому неудивительно, что сканирование получается не очень качественное, если дрожит рука. При работе со сканером необходимо медленно (чтобы успевал очиститься буфер текущей строки) и с постоянной скоростью вести его головку вдоль сканируемого документа. Переполнение буфера контролируется светодиодом: в нормальной ситуации он постоянно горит, при заполнении буфера начинает мигать, а при потере информации гаснет, и сканирование следует повторить. Ширина головки ручного сканера невелика (около 100 мм), поэтому для сканирования стандартного листа А4 требуется 2 или 3 прохода. Ручное сканирование – это тяжелая, утомительная физическая работа, которая требует определенных навыков.

Преимуществами ручного сканера является низкая цена, а также возможность сканирования толстых книг, которые другими моделями отсканировать нельзя. Ручные сканеры могут использоваться в комплекте с портативными компьютерами, если нужно сканировать документы в командировке, в полевых условиях, в дороге, в тесноте.

Листовой сканер

Существуют такие модели сканеров которые позволяют обрабатывать только один лист, протягивая его между барабанами. Это и есть листовые сканеры Такой тип сканеров иногда интегрируется в современное МФУ (многофункциональное устройство – сканер-копир-принтер-факс).

1.4. Средства речевого ввода

Не так давно появились средства речевого ввода, которые позволяют пользователю вместо клавиатуры, мыши и других устройств использовать речевые команды (или проговаривать текст, который должен быть занесен в память в виде текстового файла). Возможности таких устройств достаточно ограничены, хотя они постоянно совершенствуются. Проблема не в том, чтобы записать речь, подвергнуть ее дискретизации и ввести коды в компьютер (при современном уровне техники это несложно), а чтобы распознать смысл речи и представить ее, например, в текстовой форме, допускающей последующую компьютерную обработку. Например, программа “Kurzweil Voice 1.0 for Windows” обеспечивает распознавание (на английском языке) всех речевых команд для навигации в среде “Windows”, а в режиме диктовки текста способна распознать до 40 тысяч слов, произносимых в среднем для человека темпе речи (требуя, однако, не менее 16 Мбайт ОЗУ и не менее 50 Мбайт на винчестере лишь для самой себя). Многие специалисты связывают с прогрессом устройств речевого ввода будущее компьютерной техники, считая такие устройства ведущими элементами ее интеллектуализации.

2. Устройства вывода информации

2.1. Мониторы

Главное правило при покупке персонального компьютера – не скупиться, приобретая те устройства, которые служат долго, стоят дорого, а меняются редко. Компьютерные мониторы относятся как раз к таким устройствам – поэтому особенно важна информации о них, помогающая сделать правильный выбор при существующем разнообразии моделей и марок. Ведь даже средние по классу мониторы нередко равны по цене всем остальным частям персонального компьютера, вместе взятым. В случае же приобретения монитора для профессиональных целей – например, для оснащения рабочего места дизайнера или комплектации станции САПР, стоимость монитора уже в несколько раз превышает стоимость всего остального оборудования. Вообще, в отношении мониторов характеристика “больше и дороже” зачастую (правда, не всегда) означает “лучше”.

При покупке компьютера нужно серьезнейшим образом подходить к выбору монитора еще и потому, что длительная работа за некачественным монитором может самым пагубным образом влиять на здоровье, особенно на зрение.

Мониторы общего и профессионального назначения

Основной параметр, характеризующий монитор, – его размер. Размеры монитора обыкновенно определяются длиной диагонали экрана электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Для популярных приложений, работающих в графической среде Windows, наиболее подходящими являются мониторы размером 15-17 дюймов (14-дюймовые мониторы уходят в прошлое). Следует отметить, что действительный размер изображения, как правило, меньше размера ЭЛТ приблизительно на один дюйм (то есть для 15-дюймового монитора видимая область экрана соответствует примерно 14-ти дюймам по диагонали), хотя у разных производителей эта величина может слегка варьироваться.

Другой важный параметр, характеризующий работу в графической среде – разрешение. Для количественного описания разрешения используют пиксел (pixel – от picture element, по-русски – элемент изображения). Режимы разрешения различаются количественно произведением пикселов, укладывающихся по горизонтали и вертикали экрана. На мониторах общего назначения обычно устанавливают режимы: 640x480, 800x600, 1024x768 пикселов. Те, кому приходится интенсивно работать с офисными приложениями (Word, Excel, Power Point, Publisher), предпочли бы сесть за 17-дюймовый монитор, позволяющий установить разрешение 1024x768 или 1280x1024 пикселов. Действительно, удобно, когда текстовый документ формата А4 помещается на экране в натуральную величину – при высоком разрешении не так часто приходится менять масштаб и прокручивать изображение.

С мониторами профессионального назначения (размер экрана – 17, 20, 21 дюйм и более, разрешение – до 1600x1200) работают дизайнеры, использующие специальные приложения – настольные издательские системы и мощные графические редакторы. (Это Adobe PageMaker, Corel Draw, Adobe Photoshop и другие.)

Подобные мониторы в ходу и у специалистов в области автоматизированного проектирования в сферах архитектуры и интерьеров, картографии и ландшафтов, машиностроения и электроники.

По физическим принципам, лежащим в основе конструкций дисплеев, подавляющее большинство их относится к дисплеям на базе электронно-лучевых трубок и к жидкокристаллическим дисплеям (последние особенно часто встречаются у портативных компьютеров). У первых формирование изображения производится на внутренней поверхности экрана, покрытого слоем люминофора – вещества, светящегося под воздействием электронного луча, генерируемого специальной “электронной пушкой” и управляемого системами горизонтальной и вертикальной развертки. Жидкокристаллический экран состоит из крошечных сегментов, заполненных специальным веществом, способным менять отражательную способность под воздействием очень слабого электрического поля, создаваемого электродами, подходящими к каждому сегменту.

Мониторы на основе ЭЛТ. Подробнее>>

ЖК-мониторы. Презентация Подробнее>>

При выводе на экран любого изображения, независимо от того, в растровом или векторном форматах оно зафиксировано в графических файлах, в видеопамяти формируется информация растрового типа, содержащая сведения о цвете каждого пиксела, задающего наиболее мелкую деталь изображения. Каждый пиксел однозначно связан с долей видеопамяти – несколькими битами, в которых программным путем задается яркость (и, при цветном экране, цветность) свечения этого пиксела. Специальная системная программа десятки раз в секунду считывает содержимое видеопамяти и обновляет содержимое каждого пиксела, тем самым создавая и поддерживая на экране изображение.

Основные характеристики дисплеев с точки зрения пользователя таковы: разрешающая способность, число воспроизводимых цветов (для цветного дисплея) или оттенков яркости (для монохромного). Для алфавитно-цифрового дисплея разрешающая способность – число строк на экране и символов в каждой строке.

В настоящее время (с конца 90-х годов) начался промышленный выпуск плазменных дисплеев. В основе – возможность управлять возникновением электрических разрядов в некоторых газах и сопровождающим их свечением. Такие дисплеи обладают высоким качеством изображения и могут иметь значительно большие, чем у привычных компьютеров, размеры экранов при небольшой толщине (экран с диагональю около 1 м при толщине 8-10 см).

Стандарты безопасности

Качественные мониторы должны удовлетворять так называемым стандартам безопасности. Эти стандарты разрабатываются не фирмами-производителями, а общественными и научными организациями. Подробнее>>

Сравнительные характеристики мониторов

Поработав впервые за новым жидкокристаллическим монитором, первая мысль, которая приходит в голову - "цивилизация, прогресс". После него, возвращаясь к обычному ЭЛТ-монитору, испытываешь абсолютно реальное чувство отвращения. Новый монитор это не только не виданное ранее удобство, но и абсолютное спокойствие за собственное здоровье. Массовая пропаганда абсолютной безвредности мониторов подобного класса, стала неотъемлемой частью рекламной политики фирм производителей. Несмотря на скрытый намек предыдущих строк, о том, как все на самом деле плохо, давайте попробуем максимально объективно сравнить преимущества и недостатки обоих типов мониторов.

Основные факторы, отрицательно влияющие на зрение, здоровье	Монитор на основе электронно-лучевой трубки	Монитор на основе активной матрицы (жидкокристаллический монитор)
Радиационное излучение	да	нет
Является прибором активного контраста	да	да
Зависим ли от освещенности рабочего места	да	да
Зависимость от несовершенства способов создания изображения на экране монитора	да	практически отсутствует
Яркости изображения	достаточная	ниже чем в ЭЛТ
Возможность наличия бликов	да	да
Несоблюдение расстояния от глаз до монитора	да	да
Зависимость от положения дисплея	да	да
Недостаточная частота обновления*	нет	да
Длительная неподвижность глазных и внутриглазных мышц	да	да
Длительная работа требует сосредоточенности (напряженность глаз)	да	да
Мерцание изображения	да	нет

Доступные по цене жидкокристаллические мониторы имеет невысокую частоту обновления, что доставляет неудобства при игре в игры с трехмерной графикой. Недостаточной, частота обновления может быть, в зависимости от настройки, и у мониторов на базе ЭЛТ. Некоторые из пунктов сравнения частично дублируют другие, например из того, что прибор является устройством активного контраста и так следует зависимость от освещенности рабочего места. Но чтобы подчеркнуть основные моменты и сделать сравнение более доступным, добавлена избыточная информация. Как видно из таблицы, результат не столь утешительный. Большая часть таблицы осталось красной и с появление жидкокристаллических мониторов. Теперь давайте пройдемся по пунктам, в которых наблюдаются отличия:

• Радиационное излучение Наибольшее беспокойство от использования компьютера предыдущие десятилетия доставляла именно эта проблема. С появлением жидкокристаллических мониторов эта проблема полностью решена. Жидкокристаллические мониторы используют для создания изображения излучение видимого диапазона, т.е. свет "лампочки".

• Зависимость от несовершенства способов создания изображения на экране монитора Для мониторов на базе ЭЛТ это: неоптимальные параметры схем развертки ЭЛТ, несовместимость параметров монитора и графического адаптера, недостаточно высокое разрешение монитора, расфокусировка, несведение лучей, низкий уровень других технических характеристик, неправильно настроенная яркость. Для жидкокристаллических мониторов это недостаточная яркость; и недостаточная частота обновления для высоко-динамичной трехмерной графики игр. Почувствовать самому недостаточную частоту обновления на жидкокристаллическом мониторе практически невозможно.

• Недостаточная яркость Очень долгое время недостаточная яркость была непреодолимой преградой для разработчиков жидкокристаллических мониторов. Первые модели мониторов создавали изображение, хорошо различимое только в комнате, без прямого солнечного света. В последних моделях, с использованием дополнительного четвертого пикселя яркости, проблема решена полностью.

• Недостаточная частота обновления Объяснение этого пункта приведено выше в тексте.

• Мерцание изображения Из-за мерцания изображения, при работе с монитором на базе ЭЛТ, быстро устают глаза, как следствие появляется раздражительность и другие признаки усталости. У жидкокристаллических мониторов мерцание отсутствует. Пункты, в которых принципиально различные мониторы, показали одинаковые результаты можно разделить на две группы, недостатки, связанные с самой конструкцией монитора, его корпуса и недостатки, связанные с непродуманной организацией рабочего места. Теперь более детально рассмотрим недостатки, связанные с конструкцией монитора, его корпуса.

• Монитор - прибор активного контраста. Все приборы активного контраста в большей степени зависят от интенсивности освещения и угла падения светового потока на экран, чем при работе с пассивным контрастом, например при чтении с бумаги.

• Зависимость от положения монитора. При работе с дисплеем пользователь ПК зависит от положения дисплея, а при чтении с бумажного носителя можно легко изменить положение листа, для наиболее комфортного восприятия информации.

• Длительная неподвижность глазных и внутриглазных мышц. Длительная работа с персональным компьютером требует повышенной сосредоточенности, что приводит к большим нагрузкам на зрительную систему, ослабления глазных мышц. Осталось рассмотреть недостатки, связанные с непродуманной организацией рабочего места.

• Наличие бликов, несоблюдение расстояния от глаз до монитора, отсутствие необходимого освещения рабочего места, неправильно настроенное изображение. Поэтому необходимо тщательно изучить возможности монитора и использовать их для максимально правильной настройки монитора, а также следует безукоснительно соблюдать Санитарные правила и нормы.

Подводя итог можно сделать вывод, что жидкокристаллический монитор, является прорывом в развитие компьютерных технологий, но его использование не является абсолютно безвредным. Если пользователь не научиться выполнять все предписания по организации своего рабочего места, ежедневно соблюдать график работы, он не сможет сохранять работоспособность на протяжении всего рабочего дня, оставаться здоровым.

2.2. Принтеры

Огромную роль при выводе информации играют разнообразные печатающие устройства – принтеры. Наличие дисплея на современных компьютерах позволяет, работая в интерактивном режиме, экономить огромное количество бумаги, но все равно наступает, как правило, момент, когда необходима, так называемая, “твердая копия” информации – текст, данные, рисунок на бумаге. В процессе эволюции принтеры прошли следующий путь. Первые копировали пишущую машинку, имея ударные клавиши с буквами, цифрами и т.д. Под управлением процессора та или иная клавиша наносила удар по красящей ленте, оставляющей след на бумаге. Таких принтеров давно нет; их прямые наследники – точечно-матричные принтеры ударного типа – располагают перемещающейся вдоль строки печатающей головкой, содержащей от 7 до 24 игл, каждая из которых может независимо от остальных наносить удар по ленте. Это позволяет формировать изображения как букв и цифр, так и любых других символов, а также достаточно сложные рисунки и чертежи (рис. 3).

Рис. 4. Принцип действия матричного принтера

Для хранения и подачи ленты используют специальную пластмассовую коробочку - картридж. Принтеры стали “интеллектуальными”, т.е. имеют собственное ОЗУ и электронный блок управления для того, чтобы разгрузить основное ОЗУ и не отнимать в процессе печати время у центрального процессора.

Существуют ударные точечно-матричные принтеры цветной печати. В них используются 4-цветные ленты, и каждая точка изображения формируется четырьмя последовательными ударами иголки разной силы. Таким образом можно сформировать на бумаге точки всех основных цветов и множества оттенков. Крупнейший производитель точечно-матричных принтеров – фирма “Epson” (Япония).

Подробнее о матричных принтерах

Все чаще на рабочих местах пользователей персональных компьютеров появляются вместо точечно-матричных струйные или лазерные принтеры.

Струйные принтеры вместо головки с иглами имеют головку со специальной краской и микросоплом, через которую эта краска “выстреливается” струйкой на бумагу (и быстро сохнет). Для формирования изображения либо струйка краски может отклоняться специально созданным электрическим полем (так как она электризуется в момент выхода из сопла), либо (чаще) головка имеет столбец из нескольких сопел – наподобие матрицы игл точечно-матричного принтера (рис. 5).

Рис. 5. Принцип действия струйного принтера

Струйные принтеры могут быть цветными, они смешивают на бумаге красители, порознь распыляемые разными соплами. Изображение, формируемое струйными принтерами, по качеству превосходит аналогичное, получаемое на точечно-матричных. Дополнительное достоинство – меньший уровень шума при работе.

Подробнее о струйных принтерах

Самые высококачественные изображения на бумаге на сегодняшний день дают лазерные принтеры. Один из основных узлов лазерного принтера – вращающийся барабан, на внешней поверхности которого нанесен специальный светочувствительный материал. Управляемый электронным блоком луч лазера оставляет на поверхности барабана наэлектризованную “картинку”, соответствующую формируемому изображению. Затем на барабан наносится специальный мелкодисперсный порошок – тонер, частички которого прилипают к наэлектризованным участкам поверхности. Вслед за этим к барабану прижимается лист бумаги, на который переходит тонер, после чего изображение на бумаге фиксируется (“прижигается”) в результате прохождения через горячие валки (рис.6).

Рис. 6. Принцип действия лазерного принтера

Все это происходит с огромной быстротой, благодаря чему лазерные принтеры значительно превосходят обсуждавшиеся выше по скорости работы. Лазерные принтеры -рекордсмены по части количества воспроизводимых шрифтов и качеству рисунков благодаря высочайшей разрешающей способности. Существуют как черно-белые, так и цветные лазерные принтеры. Лазерный принтер работает почти бесшумно. Единственный, но, увы, очень важный параметр, по которому они существенно уступают принтерам ранее описанных типов – стоимость; далеко не всякий может себе позволить приобрести принтер, по стоимости превосходящий точечно-матричный аналог в несколько раз.

Лидирующая фирма в производстве струйных и лазерных принтеров – “Hewlett-Packard” (HP), США, хотя в этой области действуют и другие фирмы.

Подробнее о лазерных принтерах

Существуют и принтеры, работающие на других физических принципах, но по распространенности они значительно уступают тем, которые обсуждались выше.

2.3. Плоттеры

Плоттеры, или графопостроители, предназначены для вывода графической информации, создания схем, сложных архитектурных чертежей, художественной и иллюстративной графики, карт, объемных изображений. Плоттеры используются для производства высококачественной, цветной документации и являются незаменимыми для художников, дизайнеров, оформителей, инженеров, про-

Максимальная длина печатаемого материала ограничена, как правило, длиной рулона бумаги, а не конструкцией плоттера. Изображение на бумаге получается с помощью печатающей головки. Точка за точкой наносится изображение на бумагу (кальку, пленку), отсюда и название графопостроителя – плоттер (to plot –“вычерчивать чертеж”).

К основным характеристикам плоттеров относятся:

• скорость вычерчивания изображения, измеряемая в миллиметрах в секунду;

• скорость вывода, определяемая количеством листов, распечатываемых в минуту;

• разрешающая способность, измеряемая, аналогично принтеру, в dpi.

Плоттеры подключаются к компьютеру через параллельный или последовательный интерфейс, либо в слот расширения встраивается плата.

По конструкции плоттеры делятся на планшетные и барабанные. В планшетных плоттерах бумага неподвижна, а печатающая головка перемещается по двум направлениям. В барабанных по одной координате двигается головка, а по другой оси с помощью системы прижима двигается бумага.

По принципу действия плоттеры делятся на перьевые, струйные, электростатические, с термопереносом, карандашные.

Перьевые плоттеры используют для получения изображения обычные перья. Для получения цветного изображения используется несколько перьев различного цвета.

Струйные плоттеры формируют изображение подобно струйным принтерам, разбрызгивая капли чернил на бумагу. Качество печати, превосходящее возможности перьевых плоттеров, определяет широкое распространение струйных плоттеров в различных областях человеческой деятельности, включая автоматическое проектирование, инженерный дизайн.

Электростатические плоттеры создают изображение с помощью электрического заряда. Электростатические плоттеры очень дороги и используются, когда требуется высокое качество выходных документов.

Плоттеры с термопереносом создают двухцветное изображение, используя теплочувствительную бумагу и электрически нагреваемые иглы.

Карандашные плоттеры используют для получения изображения обычный грифель. Они самые дешевые и требуют дешевого расходного материала.

Рис. 7. Плоттер

2.4. Многофункциональные устройства (МФУ)

Само название говорит за себя. Это такое устройство которое может выполнять функции как сканера, принтера, так и копира, а иные модели и факса.

Рис. 8. МФУ

2.5. Синтезаторы звука

Своеобразные устройства вывода – синтезаторы звука. Простейшие из них есть в арсенале почти у всех персональных компьютеров и представляют собой обычный малогабаритный динамик, напряжение сигнала на котором с большой частотой изменяется компьютером. Таким способом удается подать простой звуковой сигнал, указывающий на наступление какого-либо события. Многие языки программирования дополняются командами типа ВЕЕР, SOUND, позволяющими программировать серии звуков. Если звукогенератор физически реализован так, что частота звучания поддается регулированию, то можно запрограммировать несложную мелодию, а если есть несколько независимых звукогенераторов, то – и звучание оркестра. Для этого в современных компьютерах устанавливается специальная плата – звуковая карта, –способная преобразовывать аналоговый звуковой сигнал в последовательность двоичных цифр и наоборот. Существуют и синтезаторы речи, назначение которых понятно из названия.

9. Основные классы архитектур программных средств

Различают следующие основные классы архитектур программных средств:

• цельная программа;

• комплекс автономно выполняемых программ;

• слоистая программная система;

• коллектив параллельно выполняемых программ.

Цельная программа представляет вырожденный случай архитектуры ПС: в состав ПС входит только одна программа. Такую архитектуру выбирают обычно в том случае, когда ПС должно выполнять одну какую-либо ярко выраженную функцию и ее реализация не представляется слишком сложной.

Комплекс автономно выполняемых программ состоит из набора программ, такого, что:

• любая из этих программ может быть активизирована (запущена) пользователем;

• при выполнении активизированной программы другие программы этого набора не могут быть активизированы до тех пор, пока не закончит выполнение активизированная программа;

• все программы этого набора применятся к одной и той же информационной среде.

Слоистая программная система состоит из некоторой упорядоченной совокупности программных подсистем, называемых слоями (рис. 5.1.), такой, что:

• на каждом слое ничего не известно о свойствах (и даже существовании) последующих (более высоких) слоев;

• каждый слой может взаимодействовать по управлению (обращаться к компонентам) с непосредственно предшествующим (более низким) слоем через заранее определенный интерфейс, ничего не зная о внутреннем строении всех предшествующих слоев;

• каждый слой располагает определенными ресурсами, которые он либо скрывает от других слоев, либо предоставляет непосредственно последующему слою (через указанный интерфейс).

Таким образом, в слоистой программной системе каждый слой может реализовать некоторую абстракцию данных. Связи между слоями ограничены передачей значений параметров обращения каждого слоя к смежному снизу слою и выдачей результатов этого обращения от нижнего слоя верхнему. Недопустимо использование глобальных данных несколькими слоями.

Рис. 5.1. Архитектура операционной системы

Коллектив параллельно действующих программ представляет собой набор программ, способных взаимодействовать между собой, находясь одновременно в стадии выполнения. Это означает, что такие программы, во-первых, вызваны в оперативную память, активизированы и могут попеременно разделять по времени один или несколько центральных процессоров, а во-вторых, осуществлять между собой динамические (в процессе выполнения) взаимодействия, на базе которых производиться их синхронизация. Обычно взаимодействие между такими процессами производится путем передачи друг другу некоторых сообщений.

Простейшей разновидностью такой архитектуры является конвейер. Возможности для организации конвейера имеются, например, в операционной системе UNIX. Конвейер представляет собой последовательность программ, в которой стандартный вывод каждой программы, кроме самой последней, связан со стандартным вводом следующей программы этой последовательности. Конвейер обрабатывает некоторый поток сообщений. Каждое сообщение этого потока поступает на ввод первой программе, которая переработанное сообщение передает следующей программе, а сама начинает обработку очередного сообщения потока. Таким же образом действует каждая программа конвейера: получив сообщение от предшествующей программы и, обработав его, она передает переработанное сообщение следующей программе и приступает к обработке следующего сообщения. Последняя программа конвейера выводит результат работы всего конвейера (результирующее сообщение). Таким образом, в конвейере, состоящим из n программ, может одновременно находиться в обработке до n сообщений. Конечно, в силу того, что разные программы конвейера могут затратить на обработку очередных сообщений разные отрезки времени, необходимо обеспечить каким-либо образом синхронизацию этих процессов (некоторые процессы могут находиться в стадии ожидания либо возможности передать переработанное сообщение, либо возможности получить очередное сообщение).

10. Основные виды регистров.

    Регистры памяти. Оперативная память компьютера конструируется в виде набора регистров памяти, которые служат только для хранения информации.Один регистр образует одну ячейку памяти, которая образует одну ячейку памяти, которая имеет свой адрес. Если в регистр входит n триггеров, то можно запомнить n бит информации. Современные микросхемы памяти содержат миллионы триггеров. Счетчик команд – регистр устройства управления (УУ) процессора, хранит адрес выполняемой в данный момент команды, по которому она находится в оперативной памяти. После выполнения данной команды УУ увеличивает значение этого регистра на единицу, т.е. вычисляет адрес в оперативной памяти, по которому расположена следующая команда. Регистр команд – регистр УУ, служит для вычисления адреса ячейки, где хранятся данные, требуемые выполняемой в данный момент программе. Регистр флагов – регистр УУ, хранит информацию о последней команде, выполненной процессором.

11. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) является одной из основных функциональных частей процессора, осуществляющей непосредственное

преобразование информации.

Все операции, выполняемые в АЛУ, можно разделить на следующие

группы:

- операции двоичной арифметики для чисел с фиксированной запятой;

- операции двоичной (или шестнадцатеричной) арифметики для чисел с плавающей запятой;

- операции десятичной арифметики (над числами, представленными в

двоично-десятичном коде);

- операции адресной арифметики (при модификации адресов команд);

- операции специальной арифметики;

- логические операции;

- операции над алфавитно-цифровыми полями.

Современные универсальные ЭВМ обычно реализуют операции всех приведенных выше групп, а специализированные ЭВМ часто не имеют аппа­ратуры для обработки чисел с плавающей запятой, десятичных чисел и операций над алфавитно-цифровыми полями. В этом случае эти операции вы­полняются специальными подпрограммами.

Основными являются арифметические и логические операции. К арифметическим операциям относятся сложение, вычитание, вычита­ние модулей ("короткие операции"), умножение и деление ("длинные опера­ции"). Группу логических операций составляют операции дизъюнкции (логи­ческое ИЛИ) и конъюнкции (логическое И) над многоразрядными двоичны­ми словами, сравнение кодов на равенство. Специальные арифметические операции включают в себя нормализацию, арифметический сдвиг (сдвигают­ся только цифровые разряды, знаковый разряд остается на месте), логический сдвиг (знаковый разряд сдвигается вместе с цифровыми разрядами). Обшир­на группа операций редактирования алфавитно-цифровой информации.

Для выполнения перечисленных операций в АЛУ включаются следую­щие функциональные узлы:

- сумматор для выполнения суммирования и других действий над ко­дами операндов;

- регистры для хранения кодов операндов на время выполнения дейст­вий над ними;

- сдвигатели для сдвига кода на один или несколько разрядов вправо или влево;

- преобразователи для преобразования прямого кода числа в обратный или дополнительный код;

- комбинационные схемы для реализации логических операций, муль­типлексирования данных, управляемой передачи информации, формирования признаков результата и т.д.

Регистры и в некоторых случаях сумматоры имеют цепи управления приемом, выдачей и сбросом кодов операндов. Логические операции, опера­ции сдвига и преобразования кодов могут выполняться не только специаль­ными устройствами, но и с помощью дополнительных связей регистров и сумматора. В зависимости от типов используемых для суммирования базо­вых элементов различают комбинационные и накапливающие сумматоры.

Классификация АЛУ

По способу представления чисел различают АЛУ:

- для чисел с фиксированной запятой;

- для чисел с плавающей запятой;

- для десятичных чисел.

По способу действия над операндами АЛУ делятся на последовательные и параллельные. В параллельных АЛУ операнды представляются параллель­ным кодом и операции совершаются параллельно во времени над всеми раз­рядами операндов. В последовательных АЛУ операнды представляются в по­следовательном коде, а операции производятся последовательно во времени над их отдельными разрядами. Такие АЛУ, как правило, используют конвейерный метод обработки, при котором совмещаются во времени фазы выпол­нения операции для различных разрядов операндов.

По выполняемым функциям АЛУ делятся на многофункциональные и функциональные (блочные). В блочном АЛУ операции над числами с фикси­рованной и плавающей запятой, десятичными и алфавитно-цифровыми полями, операции типа "умножение" выполняются в отдельных блоках. Такой подход позволяет увеличить скорость работы АЛУ за счет использования быстродействующих блоков, а также за счет организации параллельной рабо­ты этих блоков. Однако в этом случае значительно возрастают затраты обо­рудования.

В многофункциональных АЛУ всевозможные операции для всех форм представления чисел выполняются одними и теми же схемами, которые ком­мутируются нужным образом в зависимости от требуемого режима работы.

12. Оперативная память. Из нее процессор берет программы и исходные данные для обработки, в нее он записывает полученные результаты. Название «оперативная» эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору практически не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память. Однако содержащиеся в ней данные сохраняются только пока компьютер включен.

Кэш-память. Для ускорения доступа к оперативной памяти на быстродействующих компьютерах используется специальная кэш-память, которая располагается как бы «между микропроцессором и оперативной памятью и хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти.

При обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных 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.

ВIOS (постоянная память). В компьютере имеется также и постоянная память, в которую данные занесены при изготовлении. Как правило, эти данные не могут быть изменены, выполняемые на компьютере программы могут только их считывать.

В компьютере в постоянной памяти хранятся программы для проверки оборудования компьютера, инициирования загрузки ОС и выполнения базовых функций по обслуживанию устройств компьютера. Поскольку большая часть этих программ связана с обслуживанием ввода-вывода, часто содержимое постоянной памяти называется ВIOS. В ней содержится также программа настройки конфигурации компьютера (SЕТИР). Она позволяет установить некоторые характеристики устройств компьютера (типы видеоконтроллера, жестких дисков и дисководов для дискет.

CMOS (полупостоянная память). Кроме обычной оперативной памяти и постоянной памяти, в компьютере имеется также небольшой участок памяти для хранения параметров конфигурации компьютера. Его часто называют CMOS -памятью, поскольку эта память обычно выполняется по технологии, обладающей низким энергопотреблением. Содержимое CMOS -памяти не изменяется при выключении энергопитания компьютера, поскольку для ее электропитания используется специальный аккумулятор.

Видеопамять. Еще один вид памяти в компьютерах это видеопамять, то есть память, используемая для хранения изображения, выводимого на экран монитора. Эта память обычно входит в состав видеоконтроллера – электронной схемы, управляющей выводом изображения на экран.

Кроме оперативной памяти существует ещё и постоянная память (ПЗУ). Её главное отличие от ОЗУ - невозможность в процессе работы изменить состояние ячеек ПЗУ. В свою очередь и эта память делится на постоянную и репрограммируемую.

13. Оперативная память (ОП) — совокупность ОЗУ, объединенных в одну систему, управляемую процессором. Для обеспечения приспосабливаемости ЭВМ к конкретным потребностям пользователей применяют принцип блочного построения 0П. Так, например, на основе блоков 03У емкостью 128 и 256 Кслов можно построить ОП любой емкости. ОП заданной емкости, составленнаяиз нескольких блоков ОЗУ, называется многоблочной 0П.

Функциональном отношении многоблочная ОП рассматривается как одно ОЗУ с емкостью, равной сумме емкостей блоков, и быстродействием, примерно равным быстродействию отдельного блока. Адрес ячеек такой 0П содержит адрес блока и адрес ячейки памяти в заданном блоке ОЗУ.

Устройства, подключенные к 0П, обращаются к ней независимо друг от друга. Принципобслуживания запросов к ОП - приоритетный. Устройствам присваиваются приоритеты: низший — центральному процессору, более высший — ВЗУ. ОП обслуживает очередной запрос с наивысшим приоритетом, а все остальные запросы от других устройств ожидают момента окончания обслуживания. Такой принцип обслуживания объясняется тем, что ВЗУ не могут долго ждать, так как большое время ожидания приводит к потере информации, записываемой или считываемой с непрерывно движущегося носителя. ОП, ресурсы которой распределяются между несколькимипотребителями, называют 0П с многоканальным доступом.

Многоблочная ОП, в которой допускается совместное выполнение нескольких обращений к разным блокам ОЗУ называется ОП с расслоением обращений. В такой ОП блоки ОЗУ функционируют параллельно во времени, что возможно, если последующие обращения к ОП адресованы к блокам,не запятым обслуживанием предшествующих запросов. Степень расслоения обращений характеризуется коэффициентом расслоения, равным среднему числу обращений к ОП, которые могут быть приняты на обслуживание одновременно. Чем выше коэффициент расслоения, тем выше производительность.

14. Накопитель на жёстких магнитных дисках

Накопитель на жёстких магнитных дисках

Запрос «HDD» перенаправляется сюда. Cм. также

Схема устройства накопителя на жёстких магнитных дисках.

Накопи́тель на жёстких магни́тных ди́сках, НЖМД, жёсткий диск, винче́стер (англ. Hard (Magnetic) Disk Drive, HDD, HMDD; в просторечии винт, хард, харддиск) — энергонезависимое перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство. Является основным накопителем данных практически во всех современных компьютерах.

В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома. В НЖМД используется от одной до нескольких пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образуемого у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках 5-10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков, головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

Название «Винчестер»

По одной из версий название «винчестер» накопитель получил благодаря фирме 1973 году выпустила жёсткий диск модели 3340, впервые объединивший в одном неразъёмном корпусе пластины диска и считывающие головки. При его разработке инженеры использовали краткое внутреннее название «30-30», что означало два модуля (в максимальной компоновке) по 30 Мб каждый. Кеннет Хотон, руководитель проекта, по созвучию с обозначением популярного охотничьего ружья «Winchester 30-30»^[1] предложил назвать этот диск «винчестером»^[2].

В Европе и США название «винчестер» вышло из употребления в 1990-х годах, в русском же языке сохранилось и получило полуофициальный статус, а в компьютерном сленге сократилось до слов «винт» (наиболее употребимый вариант), «винч» и «веник».

Характеристики

Разобранный жёсткий диск Quantum fireball (модель 2001 года)

Интерфейс (англ. interface) — набор, состоящий из линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии, и правил обмена. Современные накопители могут использовать интерфейсы Serial ATA, SAS, FireWire, Fibre Channel.

Ёмкость (англ. capacity) — количество данных, которые могут храниться накопителем. Ёмкость современных устройств достигает 2000 Гб. (2 Тб) В отличие от принятой в информатике (случайно) системе приставок, обозначающих кратную 1024 величину (кило=1024, мега=1 048 576 и т. д.; позже для этого были не очень успешно введены двоичные приставки), производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются кратные 1000 величины. Так, напр., «настоящая» ёмкость жёсткого диска, маркированного как «200 Гб», составляет 186,2 ГиБ.^[3]

Физический размер (форм-фактор) (англ. dimension) — почти все современные (2001—2008 года) накопители для персональных компьютеров и серверов имеют размер либо 3,5, либо 2,5 дюйма. Последние чаще применяются в ноутбуках. Так же получили распространение форматы — 1,8 дюйма, 1,3 дюйма, 1 дюйм и 0,85 дюйма. Прекращено производство накопителей в формфакторах 8 и 5,25 дюймов.

Время произвольного доступа (англ. random access time) — время, за которое винчестер гарантированно выполнит операцию чтения или записи на любом участке магнитного диска. Диапазон этого параметра невелик от 2,5 до 16 мс, как правило, минимальным временем обладают серверные диски (например, у Hitachi Ultrastar 15K147 — 3,7 мс^[4]), самым большим из актуальных — диски для портативных устройств (Seagate Momentus 5400.3 — 12,5^[5]).

Скорость вращения шпинделя (англ. spindle speed) — количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об/мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции).

Надёжность (англ. reliability) — определяется как среднее время наработки на отказ (Mean Time Between Failures, MTBF). См. также:Технология SMART (S.M.A.R.T. (англ. Self Monitoring Analysing and Reporting Technology) — технология оценки состояния жёсткого диска встроенной аппаратурой самодиагностики, а также механизм предсказания времени выхода его из строя).

Количество операций ввода-вывода в секунду — у современных дисков это около 50 оп./сек при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп./сек при последовательном доступе.

Потребление энергии — важный фактор для мобильных устройств.

Уровень шума — шум, который производит механика накопителя при его работе. Указывается в децибелах. Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума около 26 дБ и ниже. Шум состоит из шума вращения шпинделя (в том числе аэродинамического) и шума позиционирования.

Сопротивляемость ударам (англ. G-shock rating) — сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во включённом и выключенном состоянии.

Скорость передачи данных (англ. Transfer Rate):

• Внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с

• Внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с

Объём буфера — буфером называется промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В современных (2008 год) HDD он обычно варьируется от 8 до 32 Мб.