Принцип двоичности.

Для представления и данных и команд используются различные форматы двоичного кода.

3. Принцип однородности памяти.

Компьютер состоит из следующих устройств: обрабатывающего данные, хранящего двоичные коды называется (память) и устройств ввода вывода.

Согласно принципу однородности программы и данные хранятся в одном и том устройстве называемом памятью. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно так же выполнять действия, как и над данными.

Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей.

Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции— перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

4. Принцип адресности.

Основная память (в дальнейшем оперативное запоминающее устройство ОЗУ) :

• состоит из перенумерованных ячеек;

• номер ячейки может использоваться как адрес для обращения к хранящимся в ячейке данным или командам программы;

• внутри ячейки может хранится произвольный двоичный код;

• управлению СВТ в любой момент времени доступна любая ячейка.

Отсюда следует возможность давать имена ячейкам и областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

5. Принцип последовательного программного управления.

Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно;

6. Принцип условного перехода.

Команды программы не всегда выполняются одна за другой. Возможно присутствие в программе команд условного перехода, которые меняют последовательность выполнения команд в зависимости от значений данных.

Первые компьютеры, удовлетворяющие описанным принципам были созданы в Университете Манчестера и Кембриджа независимо друг от друга в 1948 и 1949 годах соответственно.

2.3. Устройство компьютера и его работа по программе.

Структурно вычислительное устройство (рис 2.1.) состоит из:

- обрабатывающего устройства;

- хранящего устройства - памяти;

- устройств ввода-вывода.

УУ

Обрабатывающее устройство, в настоящее время оно называется процессор, управляет работой компьютера, т.е. активизирует различные устройства, пересылает им команды и данные для их выполнеия, выполняет различные операции - сложение, умножение, сравнение и т.д.

Процессор в свою очередь состоит из устройства управления (УУ) и арифметико-логического устройства (АЛУ). В состав обоих устройств входят регистры. Они выполняют функции кратковременного хранения двоичного кода и его обработку. В состав УУ входят два регистра счетчик команд (СК) и регистр команд (РК).

В СК во время выполнения команды содержится ее адрес, после ее выполнения определяется адрес следующей команды и помещается в СК. А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из памяти, которая прекращается после получения и выполнения команды «стоп». Таким образом, программа исполняется автоматически, без вмешательства человека.

РК – хранит и анализирует (дешифрует) выполняемую команду. Команда есть двоичный код, часть его разрядов содержит код операции, часть хранит операнды или адреса операндов, РК же разбивает код команды на операционную и адресную части во время дешифрации.

Выполняет команды, т.е. производит арифметические и логические операции арифметико-логическое устройство (АЛУ). АЛУ состоит их нескольких регистров данных (РД) и сумматора. В РД находятся обрабатываемые данные, сумматор используется в выполнении многих команд, часто в нем временно хранятся промежуточные данные. Позже с развитием микроэлектроники процессор был изготовлен на одной сверх большой интегральной микросхеме СБИС и стал называться центральным микропроцессором сокращенно ЦМП. Слово центральный применяется для отличия от перефирийных процессоров, управляющих внешними устройствами.

Хранящее устройство или память, а в дальнейшем оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), согласно принципу однородности содержит программу и данные. Согласно принципа адресности состоит из перенумерованных ячеек, в которые можно временно записывать, сохранять, извлекать и удалять какие либо двоичные коды.

Все действия связанные с вводом данных и выводом результатов производит группа устройств ввода-вывода (УВВ).

Процесс выполнения программы компьютером.

Структура и обмен даннами и управляющими сигналами представлен на рис 2.1., пунктирными линиями показаны управляющие сигналы, сплошными данные и команды. Процесс выполнения программы состоит из следующих этапов:

1. по команде УУ в ОЗУ из УВВ вводятся программы и данные;

2. в СК из УВВ пересылается адрес первой команды;

3. УУ из ячейки памяти, адрес которой хранится в СК, выбирает первую команду и передает в РК, где она расшифровывается, т.е. разбивается на операционную и адресную части;

4. по кодам, полученным из адресной части команды, в РД из ОЗУ передаются данные;

5. по коду из операционной части активизируется электронная схема из АЛУ, выполняющая нужную операцию, таким образом команда выполняется;

6. результат операции остается в сумматоре, либо отправляется в память, либо выволится на УВВ в зависимости от команды;

7. вычисляется адрес следующей команды и передается в СК;

8. все предыдущие этапы повторяются до достижения команды «стоп».

Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда в дальнейшем и произошло название устройства).

Основные параметры характеризующие компьютеры.

Количество параметров характеризующих компьютерную систему велико и с развитием аппаратного обеспечения продолжает увеличиваться, но важнейшими начиная с 40-х годов являются производительность (быстродествие) и объем оперативной памяти.

Компьютеры первых поколений работали только с вещественными числами, поэтому быстродействие измерялось количеством арифментических операций в секунду, например, быстродействие БЭСМ-1 было 20 000 операций в секунду, очевидно, что сложение и деление требуют разного количества тактов, а значит и времени, поэтому 20 000 это некая усредненная по рачетным задачам величина. В настоящее время компьютеры обрабатывают много типов данных, каждый тип со своими скоростями. Быстродейтвие процессора хорошо характеризует тактовая частота (сейчас более 3 ггц т.е. 3 000 000 000 гц, лостигнута 2003г), но быстродействие компьютера в целом зависит и от организации компьютерной системы - количества ядер, разрядности шины, объема ОЗУ, наличия кэш памяти и др.

По прежнему операции с вещественными числами остаются самыми медленными, поэтому усредненное быстродействие измеряется в FLOPS (или flop/s Floating point Operations Per Second, произносится как флопс) — сколько операций с плавающей запятой в секунду выполняет данная вычислительная система. Более распространены производные единицы: мегафлопс - 10⁶, гигафлопс - 10⁹, терафлопс 10¹² , петафлопс 10¹⁵.

При измерении быстродействия суперкомпьютеров используются две характеристики пиковая производительность (теоретический предел производительности для данных процессоров зависящий от тактовой частоты , количества ядер и количества команд с плавающей запятой) и максимальная производительность, которую компьютер достигает при решении практических задач. В качестве эталонной задачи часто выступает задача решения системы системы линейных уравнений методом LU-разложения.

Например, суперкомпьютер Jaguar Cray XT5-HE (на май 2010 года самый производительный на планете), обладает пиковой производительностью 2 331 терафлопс. Максимальная производительность — 1 759 терафлопс. Производитель — американская корпорация Cray. Эта суперЭВМ собрана на базе 224 162 процессоров Opteron.

Объем ОЗУ первых машин измерялся количеством и разрядностью ячеек. Например, ОЗУ БЭСМ-4 имела 4096 ячеек по 45 двоичных разрядов. В настоящее время единицей адресуемой информации является байт (8 бит) и объем ОЗУ измеряется в MB (мегабайтах 2²⁰ байт = 1 048 576 байт), GB (гигабайтах 2³⁰= 1 073 741 824 байт), TB (террабайтах 2⁴⁰=1 099 511 627 776).

Важное значение имеют и другие характеристики вычислительной техники, например, система команд (перечень команд, которые способен выполнить компьютер), стоимость, надежность, универсальность, программная совместимость, вес, габариты, энергопотребление и др.

2.4. История развития цифровых устройств обработки информации. Поколения эвм.

В период развития электронных цифровых технологий были разработаны компьютеры самых разных типов. Многие из них давно забыты, но некоторые оказали сильное влияние на развитие современных вычислительных систем. Здесь мы дадим краткий обзор некоторых этапов развития вычислительных машин, чтобы показать, как человеческая мысль пришла к современному пониманию компьютерных технологий.

В 20 веке начала развиваться электроника и её возможности немедленно взяли на вооружение разработчики вычислительных машин. С построения вычислительных машин, базовая система элементов которых была построена на электронных компонентах, начинается отсчёт поколений цифровых вычислительных машин. Отметим, что деление периода развития цифровой техники на этапы связано, в основном, с переводом базовой системы элементов на новые технологии производства электронных компонентов.

Первое поколение – электронные лампы (1945-1955 г.Г.)

В основе базовой системы элементов этого поколения компьютеров лежали электронные лампы. Их использование определяло и достоинства и недостатки цифровых устройств. Электронные лампы обеспечивали высокую скорость переключения логических элементов, что увеличивало скорость вычисления по сравнению с попытками создать вычислительную машину, базовый элемент которой был построен на основе электромеханического реле. Электронные лампы были достаточно долговечны и обеспечивали надёжную работу компьютера. К сожалению недостатков у ламповых компьютеров тоже было достаточно. Во-первых электронные лампы работали с напряжениями в десятки вольт и расходовали много энергии, кроме того размер электронных ламп, по совремённым понятиям микроэлектроники, был огромным – несколько десятков кубических сантиметров. Для построения вычислительной машины нужны были тысячи логических элементов, поэтому размер ламповых вычислительных машин по занимаемой площади составлял десятки квадратных метров, а потребляемая мощность колебалась в пределах от единиц до десятков и даже сотен киловатт. Такая мощность приводила к перегреванию ламп, которые были размешены довольно компактно, и ставила задачу эффективного охлаждения электронных компонентов машины. Скорость обработки информации в ламповых машинах колебалась от нескольких сотен до нескольких тысяч операций в секунду. Подводя итог развития машин первого поколения, можно сказать, что недостатков было очень много, но вычислительная техника стала электронной, были сформулированы и опробованы на практике основные принципы организации компьютерных систем. В качестве основных показателей ЭВМ, которые следует повышать, утвердились быстродействие и объем памяти.

Машины первого поколения помогли в решении многих вычислительных задач, что значительно продвинуло математическое моделирование и подвело к решению многих задач техники экономики и др. Но тогда же обнаружилась закономерность – увеличение возможностей компьютеров расширяет круг решаемых ими задач, которые в свою очередь требуют расширения аппаратных возможностей.

Второе поколение – транзисторы(1955-1965 г.Г.)

Полупроводниковые приборы – транзисторы были изобретены в 1948 году. Они отличаются от электронных ламп малыми размерами, низким напряжением питания и малой потребляемой мощностью. Все эти достоинства полупроводниковых приборов произвели революцию в радиоэлектронной промышленности. Стали появляться миниатюрные приёмо-передающие радио и теле устройства, появилась возможность встраивать управляющие устройства непосредственно в объекты управления и т.д. Новая элементная база для компьютеров на основе транзисторов произвела революцию и в производстве компьютеров. Значительное уменьшение габаритов, снижение потребляемой мощности и стоимости позволило создавать архитектуры компьютера с большими функциональными возможностями, резко повысить быстродействие компьютеров до сотен тысяч и даже миллионов операций в секунду. Увеличение производительности обеспечивалось как за счёт более высокой скорости работы транзисторов по сравнению с электронными лампами, так и путём введения в состав вычислительной машины нескольких обрабатывающих устройств, работающих параллельно. Площадь, требуемая для размещения компьютера, снизилась до нескольких квадратных метров, предпринимались попытки изготавливать и настольные варианты. Снижение стоимости увеличило число потенциальных пользователей компьютеров. Появились крупные фирмы по производству компьютеров широкого назначения: International Business Machines (IBM), Control Data Corporation (CDC), Digital Equipment Corporation (DEC) и другие. Следует отметить компьютер PDP-8 фирмы DEC – первого мини-компьютера с общей шиной, оказавшего большое влияние на развитие архитектур персональных компьютеров.

Итог второго поколения – снижение цены и габаритов компьютеров привело к расширению круга пользователей, а также были опробованы важные архитектурные решения - модульность, системная шина.

Третье поколение – интегральные схемы(1965-1980 г.Г.)

Полупроводниковые элементы и другие электронные компоненты выпускались электронной промышленностью в виде отдельных элементов, так полупроводниковый кристалл, на котором размещался транзистор, заключался в специальный металлический или пластмассовый корпус. Требование уменьшения габаритов электронных устройств привело к тому, что сначала полупроводниковые приборы стали производиться в бескорпусном исполнении, а затем в 1958 году была предпринята попытка разместить в одном полупроводниковом кристалле все компоненты одного функционального узла. Так появились интегральные схемы (ИС), которые позволили резко уменьшить размеры полупроводниковых схем и снизить потребляемую мощность. На основе ИС строились мини-ЭВМ, которые выполнялись в виде одной стойки и периферийных устройств. Мощность, потребляемая компьютером на ИС, уменьшилась до сотен ватт. Увеличение быстродействия узлов, построенных на ИС, позволило довести быстродействие компьютеров до десятков миллионов операций в секунду. Электронная промышленность приступила к массовому производству электронных компонентов на ИС, что позволило снизить их стоимость и резко уменьшить стоимость аппаратной составляющей компьютеров. В итоге уменьшение стоимости привело к разработке и практической реализации мощных вычислительных систем, использующих параллельную обработку: многопроцессорные и конвейерные вычислители.

Четвёртое поколение – сверхбольшие интегральные схемы(1980- … г.Г.)

Микроминиатюризация электронных устройств привела к появлению новой отрасли промышленности – микроэлектроники, которая относится к области высоких технологий. Используя последние научно-технические достижения физики, химии, кристаллографии, материаловедения и даже космонавтики (в невесомости можно получить полупроводниковые кристаллы очень высокой чистоты) добились размещения на одном кристалле размером несколько десятков (сотен) квадратных миллиметров сначала сотен, затем тысяч и, наконец, миллионов транзисторов и других электронных компонентов. Теперь полупроводниковая схема содержала уже не набор нескольких логических элементов, из которых строились затем функциональные узлы компьютера, а целиком функциональные узлы и в первую очередь процессор, который, учитывая его размеры, получил название микропроцессор, устройства управления внешними устройствами – контроллеры внешних устройств. Такие интегральные схемы получили название сначала больших интегральных схем (БИС), а затем и сверхбольших интегральных схем (СБИС).

Итогом такого бурного развития микроэлектроники стало появление одноплатных ЭВМ, где на одной плате, размером несколько десятков квадратных сантиметров размещались несколько СБИС, содержащих все функциональные блоки компьютера. Одноплатные компьютеры встраивались в различные промышленные, медицинские и бытовые приборы, для оперативной обработки информации и управления. Стоимость одноплатных компьютеров так упала, что появилась возможность их приобретения отдельными людьми. Такой возможностью воспользовались английские инженеры Стив Джобс и Стив Возняк. Используя выпускаемые промышленностью функциональные узлы: плата микро-ЭВМ с процессором и памятью, клавиатура, дисплей, они собрали дешёвую настольную вычислительную машину – микрокомпьютер. Его привлекательность для непрофессиональных пользователей заключалась в том, что это был готовое к употреблению устройство, содержащее всё необходимое оборудование и программное обеспечения для работы. Этот микрокомпьютер получил название Apple и стал первым в мире персональным компьютером.

Персональными компьютерами, которые получили большое распространение на компьютерном рынке, заинтересовалась крупная компания, занимавшаяся выпуском мощных вычислительных систем – IBM и решила наладить выпуск своей модели персонального компьютера. Совместно с фирмой Intel, разработавшей микропроцессорный комплект, и фирмой Microsoft, которая оснастила компьютер операционной системой MS DOS, IBM создала персональный компьютер IBM PC. Огромный потенциал фирмы IBM позволил в короткие сроки произвести огромное количество таких компьютеров. Их привлекательная для покупателей цена и некоторые новшества, например, больший, по сравнению с выпускавшимися в то время персональными компьютерами других фирм, объём оперативной памяти, позволили компьютеру IBM PC стать самой популярной "персоналкой" в мире. Итог – появление персональных компьютеров (ПК), широчайшее распространение сетевых компьютерных технологий, появление мирового информационного пространства.

В настоящее время закладываются черты компьютеров пятого поколения, а именно, дальнейшая миниатюризация аппаратной части, переход от обработки данных к обработке знаний, совершенствование архитектуры – появление "интеллектуальных интерфейсов". Его задача принять задание от пользователя в виде текста, голосом, движением (и т.п.) и перевести его в работающую программу для компьютера.

2.5. Классификации современных компьютеров.

Существуют различные критерии классификации компьютерной техники:

• рассмотренный ранее критерий по поколениям;

• по производительности;

• по условиям эксплуатации;

• по виду представления исходных данных

• по структуре и архитектуре

Классификации по приведенным критериям весьма условны, т.к. четкие границы между классами не всегда существует.

Классификация по производительности.

Компьютеры подразделяются на суперкомпьютеры; мэйнфреймы (универсальные компьютеры); миникомпьютеры; микрокомпьютеры, персональные компьютеры.

Термин суперкомпьютер введен давно в 60-х годах, предполагается, что компьютер входящий в этот класс имеет очень высокое быстродействие и большой объем памяти, за прошедшее время характеристики компьютеров росли так быстро, что то что раньше считалось суперкомпьютером сейчас может быть заменено персональным компьютером, появилось даже шуточное определение «суперкомпьютер – это компьютер весящий больше тонны». Но, тем не менее, на сегодняшний день можно сформулировать признаки суперкомпьютеров так:

- многопроцессорная архитектура;

- быстродействие порядка 2 000 терафлопс (Jaguar, производитель Cray, на май 2010 года, пиковая производительность R_peak= 2 331 терафлопс, максимальная производительность — R_max= 1 759 терафлопс, собрана на базе 224 162 процессоров Opteron);

- обслуживают коллективы в рамках больших вычислительных центров;

- назначение – обычно это решение задач, требующих выполнения огромного количества вычислений (прогноз погоды, расчет подземных ядерных взрывов, расчет аэродинамики корпуса самолета и т.д.);

- распространение не большое (имеется не в каждой стране, Россия на 7 месте по применению суперкомпьютеров).

Мэйнфреймы - это большие компьютеры, с высоким быстродействием и гигантскими объемами внешней памяти, которые могут выполнять обработку запросов одновременно нескольких тысяч пользователей. Мэйнфреймы отличаются высокой надежностью, используются для хранения и обработки больших баз данных, а также крупных web-узлов с большим количеством одновременных обращений, т.е. опять же коллективное использование.

Миникомпьютеры – несколько меньше по характеристикам, чем мэйнфреймы, сейчас чаще всего они используются для управления производственными процессами, но может сочетать управление производством с другими задачами, например, экономическими, конструкторскими, бухгалтерскими. Для организации работы с мини-ЭВМ тоже требуется специальный вычислительный центр, хотя и не такой многочисленный, как для больших ЭВМ. В настоящее время применяемость миникомпьютеров падает.

Микрокомпьютеры. Доступны многим учреждениям, представляют собой инструменты для решения разнообразных сложных задач. Для обслуживания достаточно вычислительной лаборатории в составе нескольких человек, с наличием прикладных программистов. Необходимые системные программы покупаются вместе с микро ЭВМ, разработку прикладных программ заказывают в больших вычислительных центрах или специализированных организациях.

Персональные компьютеры (ПК) — это микрокомпьютеры универсального назначения, рассчитанные на одного пользователя. Их отличает: невысокая стоимость, гибкость архитектуры, обеспечивающая возможность широкого применения (управление, наука, образование, быт), наличие операционной системы, максимально упрощающей работу с компьютером, наличие большого недорогого набора внешних устройств, наличие программ, позволяющих решать множество задач, высокая надежность.

Эта категория компьютеров получила особо бурное развитие в течение последних двадцати лет. Несмотря на свои небольшие размеры и относительно невысокую стоимость, современные персональные компьютеры обладают немалой производительностью. Многие современные персональные модели превосходят большие ЭВМ 70-х годов, мини-ЭВМ 80-х годов и микро-ЭВМ первой половины 90-х годов. Персональный компьютер (Personal Computer, РС) вполне способен удовлетворить большинство потребностей малых предприятий и отдельных лиц. Особенно широкую популярность персональные компьютеры получили после 1995 года в связи с бурным развитием сети Интернет.

ПК бывают настольные и переносные. Настольные ПК, используются в стационарных условиях комнаты или кабинета, они состоят системного блока, монитора, клавиатуры и мышки, которые соединены между собой. Системные блоки бывают горизонтальными и вертикальными. В некоторых моделях совмещены монитор и системный блок.

Переносные персональные компьютеры ноутбуки (notebook) или блокнотный компьютер. Ноутбук имеет жидкокристаллический дисплей, клавиатуру, совмещенную с системным блоком, оптический дисковод (DVD+RW), манипулятор для управления курсором. По размеру ноутбуки таковы, что легко помещаются в портфель.

Карманные переносные компьютеры помещаются на ладони и их так и называют - наладонники или по-английски - palmtop, что означает – лежащий на ладони. В этих компьютерах программы занесены в микросхемы. В набор программ входит операционная система, текстовый и графический редакторы, система баз данных и электронные таблицы, программы для работы в Интернете. Эти компьютеры позволяют обрабатывать документы, вести базы данных, производить вычисления, распечатывать документы, записывать их на дискету, работать в Интернете, но установить новые программы нельзя.

Карманные компьютеры. Они не имеют клавиатуры, оснащены сенсорным экраном и информация вводится на экран при помощи специальной указки-стека. Общее название карманных компьютеров - handhold computers - компьютеры, которые держат в руках. Переносной и карманный компьютеры удобны для использования в поездках.

Классификация по условиям эксплуатации.

По условиям эксплуатации компьютеры бывают универсальные и специальные.

Универсальные решают широкий круг задач: работа с текстами, мультимедиа, игры и т.п. предполагается, что условия эксплуатации комнатные нормальные.

Специальные компьютеры обычно решают более узкий круг задач в особых условиях эксплуатации. Например, управление технологическими процессами в условиях цеха, управление работой автоматики самолета и т.п. Аппаратные ресурсы специальных компьютеров часто конфигурируются под решаемые задачи.

По виду представления исходных данных:

-цифровые

-аналоговые

По структуре и архитектуре:

-однопрограммные, однопроцессорные

-многопрограммные, многопроцессорные

2.6. Архитектуры вычислительных систем сосредоточенной обработки информации.

Современный компьютер состоит из нескольких функциональных узлов: процессор, память, контроллеры устройств и т.д. Каждый узел представляет собой сложное электронное устройство, в состав которого может входить миллионы логических элементов. Для лучшего понимания принципа работы каждого узла и компьютера в целом вводится понятие уровней представления компьютера.

Цифровой логический уровень – уровень логических схем базовой системы элементов.

Микроархитектурный уровень – уровень организации обработки информации внутри функционального узла. Сюда относятся регистры различного назначения, устройство обработки поступающих команд, устройство преобразования данных, устройство управление.

Командный уровень – набор функциональных узлов и связи между ними, система команд и данных, передаваемых между устройствами.

Набор блоков, связей между ними, типов данных и операций каждого уровня называется архитектурой уровня.

Архитектура командного уровня называется обычно компьютерной архитектурой или компьютерной организацией. В этом разделе мы рассмотрим различные компьютерные архитектуры. Архитектуры других уровней будут рассмотрены в следующих разделах.

Компьютерами с сосредоточенной обработкой называются такие вычислительные системы, у которых одно или несколько обрабатывающих устройств (процессоров) расположены компактно (не в рамках компьютерной сети) и используют для обмена информацией внутренние шины передачи данных.

2.6.1. Архитектуры с фиксированным набором устройств

Компьютеры первого и второго поколения имели архитектуру закрытого типа с ограниченным набором внешнего оборудования. Такая архитектура характерна для компьютеров, базовая система логических элементов которых построена на дискретных электронных компонентах (электронных лампах, транзисторах). Введение любого дополнительного функционального блока в такие архитектуры был сопряжён с увеличением потребляемой мощности, занимаемой площади и резко увеличивал стоимость всей системы. Поэтому компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имел возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком.

Укрупнённая схема такой компьютерной архитектуры приведена на рис. 2.2. Оперативная память хранит команды и данные исполняемых программ, АЛУ обеспечивает не только числовую обработку, но и участвует в процессе ввода-вывода информации, осуществляя её занесение в оперативную память. Канал ввода/вывода представляет собой специализированное устройство, работающее по командам, подаваемым устройством управления. Канал допускает подключение определённого числа внешних устройств. Устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы.

Компьютеры такой архитектуры эффективны при решении чисто вычислительных задач. Они плохо приспособлены для реализации компьютерных технологий, требующих подключения дополнительных внешних устройств и высокой скорости обмена с ними информацией.

2.6.2. Вычислительные системы с открытой архитектурой

В начале 70-х годов фирмой DEC (Digital Equipment Corporation) был предложен компьютер совершенно иной архитектуры. Эта архитектура позволяла свободно подключать любые периферийные устройства, что сразу же заинтересовало разработчиков систем управления различными техническими системами, так как обеспечивало свободное подключение к компьютеру любого числа датчиков и исполнительных механизмов. Главным нововведением являлось подключение всех устройств, независимо от их назначения, к общей шине передачи информации.

Системная шина конструктивно является набором параллельных проводников, состоит из трех шин:

• Шина Данных по ней передаются данные;

• Шина Адреса - опеределяет адреса данных;

• Шина Управления – передаются сигналы управляющие процессом обмена данными и выполнением операций.

Архитектура компьютера открытого типа, основанная на использовании общей шины, приведена на рис. 2.3 . Общее управление всей системой осуществляет центральный процессор. Он управляет общей шиной, выделяя время другим устройствам для обмена информацией. Внешние устройства (ВУ) подключаются к шине через – контроллер. Контроллер - это тоже процессор, выполняющий (в отличие от центрального микропроцессора ЦМП) небольшое число команд по управлению внешним устройством и согласование сигналов устройства с сигналами.

Например, раньше, чтобы распечатать какой либо участок памяти, процессор проверял готовность принтера, устанавливал пишущий узел в начало строки, изымал из памяти первый символ, печатал, второй, печатал и т.д. Сейчас ЦМП дает контроллеру задание распечатать область в памяти. А контроллер сам проверяет готовность устройства, сам по каналам прямого доступа к памяти обращается к памяти, сам пересылает распечатываемые ячейки к себе в буферную память, сам управляет печатью. ЦМП в это время продолжает работать дальше по прежней программе или по другой. Таким образом, каждое устройство работает относительно самостоятельно, повышая эффективность всей системы в целом.

Контроллер подключается к шине специальными устройствами – портами ввода-вывода. Каждый порт имеет свой номер, и обращения к нему процессора происходит, так же как и к ячейке памяти, по этому номеру. Процессор имеет специальные линии управления, сигнал на которых определяет, обращается ли процессор к ячейке памяти или к порту ввода-вывода контроллера внешнего устройства.

Принцип открытой архитектуры.

Открытая архитектура в ЭВМ - это архитектура, на которую открыто, без лицензирования опубликованы спецификации, что позволяет другим производителям разрабатывать дополнительные устройства к системам с такой архитектурой.

В 1981 году компания IBM выпускала большие машины и не придавала особого значения ПК, но, не желая оставлять без контроля соответствующий сектор рынка, была сформирована группа из двенадцати молодых людей, которые разрабатывали свой ПК. При этом они использовали много чужих самых лучших на тот день компонентов. Ни эти компоненты, ни системная магистраль не были лицензированы, т.к. не предполагалось расширение производства ПК. Созданный ими ПК оказался хорошим, рынок его принял, а нелицензированная шина позволяла множеству начинающих фирм выпускать большой список периферийных устройств, что, по началу, повысило его востребованность, но в дальнейшем фирмы, набравшись опыта, сами начали производить компьютеры собственного производства, конкурируя с IBM. В ряде своих изделий IBM отказалась от открытой архитектуры, но рынок их не принял, пришлось вернуться и конкурировать наравне со всеми.

Сегодня в основе ПК лежит открытая архитектура, т.е. способ построения, регламентирующий и стандартизирующий только описание принципа действия компьютера, и интерфейсы устройств его конфигурации, что позволяет собирать компьютер из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами производителями. ПК легко расширяется и модернизируется подключением разнообразных устройств, удовлетворяющих заданному стандарту, и тем самым пользователь конфигурирует свою машину в соответствии с собственной необходимостью.

Достоинства открытой архитектуры:

- возможность строить и модернизировать системы наиболее экономичным способом, т.к. нет необходимости разработки дополнительных интерфейсов к программным и аппаратным средствам;

- простота внедрения новых компонентов;

- возможность повторного использования компьютерных программ при переходе с одной платформы на другую;

- возможность заменять морально устаревшие блоки (upgrade) новыми;

- возможность конкуренции, приводящей к падению цен и росту качества.

Несмотря на преимущества, предоставляемые архитектурой с общей шиной, она имеет и серьёзный недостаток, который проявлялся всё больше при повышении производительности внешних устройств и возрастании потоков обмена информацией между ними. К общей шине подключены устройства с разными объёмами и скоростью обмена, в связи с чем "медленные" устройства задерживали работу "быстрых", а вся система работала как самое медленное звено. Дальнейшее повышение производительности компьютера было найдено во введении дополнительной локальной шины, к которой подключались "быстрые" устройства. Архитектура компьютера с общей и локальной шиной приведена на рис. 2.4.

Архитектура с общей локальной шиной.

Контроллер шины анализирует адреса портов, передаваемые процессором, и передаёт их контроллеру, подключённому к общей или локальной шине.

Конструктивно, контроллер каждого устройства размещается на общей плате с центральным процессором и запоминающим устройством или, если устройство не является стандартно входящим в состав компьютера, на специальной плате, вставляемой в специальные разъёмы на общей плате – слоты расширения.

Архитектура с общей и двумя локальными шинами.

Дальнейшее развитие микроэлектроники позволило размещать несколько функциональных узлов компьютера и контроллеры стандартных устройств в одной микросхеме СБИС. Это сократило количество микросхем на общей плате и дало возможность ввести две дополнительные локальные шины для подключения запоминающего устройства и устройства отображения, которые имеют наибольший объём обмена с центральным процессором и между собой. Хотя архитектура компьютера осталась прежней, структура современного персонального компьютера имеет вид, представленный на рис. 2.5.

Центральный контроллер играет роль коммутатора, распределяющего потоки информации между процессором, памятью, устройством отображения и остальными узлами компьютера. Кроме этого, в состав микросхемы центрального контроллера включены устройства, которые поддерживают работу компьютера. К ним относятся системный таймер; устройство прямого доступа к памяти, которое обеспечивает обмен данными между внешними устройствами и памятью в периоды, когда это не требуется процессору; устройство обработки прерываний, которое обеспечивает быструю реакцию процессора на запросы внешних устройств, имеющих данные для передачи.

Функциональный контроллер – это СБИС, которая содержит контроллеры для подключения стандартных внешних устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер, модем и т.д. Часто в состав этого контроллера входит такое устройство, как аудио карта, позволяющая получить на внешних динамиках высококачественный звук при прослушивании музыкальных и речевых файлов.

Для подключения специфических устройств, часть общей шины, соединяющая центральный и функциональный контроллеры имеет слоты расширения для установки плат контроллеров.

2.6.3. Архитектуры многопроцессорных вычислительных систем

Персональные компьютеры позволяют реализовать многие компьютерные технологии, начиная от работы в Internet, и кончая построением анимационных трёхмерных сцен. Однако существуют задачи, объём вычислений которых превышает возможности персонального компьютера. Для их решений применяются компьютеры с гораздо более высоким быстродействием. Для получения высокого быстродействия на существующей элементной базе используются архитектуры, в которых процесс обработки распараллеливается и выполняется одновременно на нескольких обрабатывающих устройствах. Существует три основных подхода к построению архитектур таких компьютеров: многопроцессорные, магистральные и матричные архитектуры.

Многопроцессорные архитектуры.

Архитектура простых многопроцессорных систем выполняется по схеме с общей шиной рис 2.6. Два или более процессоров и один или несколько модулей памяти размещены на общей шине. Каждый процессор, для обмена с памятью, проверяет, свободна ли шина, и, если она свободна, он занимает её. Если шина занята, процессор ждёт, пока она освободится. При увеличении числа процессоров производительность системы будет ограничена пропускной способностью шины. Чтобы решить эту проблему каждый процессор снабжается собственной локальной памятью рис. 2.6., куда помещаются тексты исполняемых программ и локальные переменные, обрабатываемые данным процессором.

Общее запоминающее устройство используется для хранения общих переменных и общего системного программного обеспечения. При такой организации нагрузка на общую шину значительно снижается.

Один из процессоров выделяется для управления всей системой. Он распределяет задания на исполнение программ между процессорами и управляет работой общей шины.

Периферийный процессор осуществляет обслуживание внешних устройств при вводе и выводе информации из общей памяти. Он может быть того же типа что и остальные процессоры, но обычно устанавливается специализированный процессор, предназначенный для выполнения операций управления внешними устройствами.

Магистральные архитектуры.

Архитектура магистрального суперкомпьютера приведена на рис.2.7. Магистральный принцип является самым распространённым при построении высокопроизводительных вычислительных систем. Компьютер такой системы имеет несколько функциональных обрабатывающих устройств, выполняющих арифметические и логические операции, и быструю регистровую память для хранения обрабатываемых данных. Данные, считанные из памяти, размещаются в регистрах и из них загружаются в обрабатывающие устройства. Результаты вычислений помещаются в регистры и используются, как исходные данные, для дальнейших вычислений. Таким образом, получается конвейер преобразования данных: регистры – обрабатывающие устройства – регистры – … .

Число функциональных устройств, показанных на рисунке, равно шести, "Сложение", "Умножение" и т.д., однако, в реальных системах их количество может быть иным. Устройство планирования последовательности выполнения команд распределяет данные, хранящиеся в регистрах, на функциональные устройства и производит запись результатов снова в регистры. Конечные результаты вычислений записываются в общее запоминающее устройство.

Матричные архитектуры.

В матричной вычислительной системе процессоры объединяются в матрицу процессорных элементов. В качестве процессорных элементов могут использоваться универсальные процессоры, имеющие собственное устройство управления, или вычислители, содержащие только АЛУ и выполняющие команды внешнего устройства управления. Каждый процессорный элемент снабжён локальной памятью, хранящей обрабатываемые процессором данные, но при необходимости процессорный элемент может производить обмен со своими соседями или с общим запоминающим устройством. В первом случае, программы и данные нескольких задач или независимых частей одной задачи загружаются в локальную память процессоров и выполняются параллельно. Во втором варианте все процессорные элементы одновременно выполняют одну и ту же команду, поступающую от устройства обработки команд на все процессорные элементы, но над разными данными, хранящимися в локальной памяти каждого процессорного элемента. Вариант архитектуры с общим управлением показан на рис. 2.8.

Обмен данными с периферийными устройствами выполняется через периферийный процессор, подключённый к общему запоминающему устройству.

2.7. Функциональная организация персонального компьютера.

2.7.1. Центральный процессор

Центральный процессор (ЦП, или центральное процессорное устройство — ЦПУ; в английской версии CPU central processing unit) — часть аппаратного обеспечения компьютера, выполняющая операций по заданным программам, управляющая всеми прочими устройствами компьютера. После того как центральный процессор стал выпускаться на одной сверхбольшой интегральной микросхеме, он стал называться – центральным микропроцессором или ЦМП.

Более сорока лет, с появления микросхем, развитие аппаратного обеспечения шло в соответствии с законом технологического прогресса (эмпирическим законом Мура), гласящим, что количество транзисторов на одной микросхеме удваивается каждые 18 месяцев, все эти годы постоянно шла работа над увеличением быстродействия, снижением размеров и энергопотребления.

Миниатюризация и повышение быстродействия не противоречащие требования, поэтому прогресс в этой области так значителен. Наиболее хорошо видно это на примере компьютерных процессоров. Чем меньше размеры проводников в микросхеме, тем меньше они излучают и принимают наведенные электромагнитные колебания. К настоящему времени широко применяются процессоры по 45 нанометровой технологии, вступают 32нм технологии. При уменьшении толщины напыления элементов электронных схем в очень маленьком объеме размещаются десятки и сотни миллионов транзисторов (уже достигнуто значение 1 миллиард), длина проводников уменьшается, что позволяет увеличивать тактовую частоту, а, значит, и быстродействие. Уменьшение сечения проводников приводит к необходимости понижения напряжения, что снижает удельное энергопотребление схемы.

Рис 2.9. Микропроцессоры 8086 (4.77Мгц 29 000 транзисторов) 1978 года и Core i7 2008г (2.66 ГГц – 3.2 ГГц , 45 нм, 731 млн транзисторов).

Рост тактовой частоты сопровождается повышением выделения тепла и превышение тактовой частоты свыше 4ггц требует более эффективных способов охлаждения, чем воздушное, поэтому этот параметр замедлил свой рост. Тактовая частота 3 ггц была достигнута в 2003 году к 2010 году на ПК она не превышает 3.8 ггц.

Системная шина физически представляющая серию параллельных проводников конечно же имеет довольно большую длину и, стало быть, на ней может присутствовать частота ниже чем в процессоре. Частота на шине сейчас держится в рамках 1ггц, а именно по шине происходит обмен процессора (данными адресами и управляющими командами) с ОЗУ и другими устройствами.

Как мы увидели, экстенсивный путь повышения производительности путем увеличения тактовой частоты имеет физические ограничения. Выход из этой ситуации в улучшении организации процесса обработки информации. Например, известно, что обращение к ОЗУ посредством шины довольно длительный процесс. Для ускорения можно вызывать из памяти не одну а несколько команд заранее и хранить их в специальном наборе регистров (буфере выборки команд с упреждением). Таким образом, когда требуется определенная команда, она вызывается прямо из буфера на частоте процессора, а обращения к памяти не происходит.

Далее мы рассмотрим некоторые организационные способы повышения быстродействия.

Конвейерная архитектура.

При выборке с упреждением команда обрабатывается за два шага: сначала происходит вызов команды, а затем — ее выполнение. Еще больше продвинула эту стратегию идея конвейера. Суть конвейера в следующем - выполнение каждой команды сопровождается рядом однотипных действий:

1. выборка команды из ОЗУ;

2. дешифровка команды;

3. адресация операнда в ОЗУ;

4. выборка операнда из ОЗУ;

5. выполнение команды;

6. запись результата в ОЗУ.

Выполнение программы в целом пойдет быстрее, если действия будут выполняться отдельными аппаратными компонентами, а в обработке будут находиться несколько команд одновременно, например, результат работы 1-й команды после выполнения отправляется в ОЗУ шестым аппаратным компонентом, в это же время, выполняется 2-я команда пятым компонентом, в это же время, выбираются операнды 3-й команды из ОЗУ, в этоже время, адресуются операнды 4-й команды, в этоже время, дешифруется 5-я команда, в этоже время, выбирается 6-я.

Хотя конвейер может сбиваться, если следующая команда использует результат предыдущей, или команда перехода приведет к очистке конвейера, ускорение от такого приема может быть в десяток раз.

В нашем примере конвейер состоит из шести степеней, но некоторые современные процессоры имеют более 30 ступеней, что увеличивает производительность процессора, однако может приводить к увеличенным промежуткам простоя.

Суперскалярная архитектура.

Если в рамках одного процессора поместить не один конвейер, а несколько, то производительность вырастет на порядки. Общий блок выборки команд вызывает из памяти сразу по две команды и помещает каждую из них в один из конвейеров. Каждый конвейер содержит АЛУ для параллельных операций. Чтобы выполняться параллельно, две команды не должны конфликтовать из-за ресурсов и зависеть от результата выполнения предыдущей, т.е. не всякая задача будет решаться быстрей.

Система команд процессора.

Из первой главы известно, что любая обработка двоичных кодов представляется системой логических функций, каждая из которых может быть реализована аппаратно в виде цифровой схемы. Так можно реализовать простые операции – конъюнкцию, дизъюнкцию, более сложные - сложение, вычитание, или еще более сложные операции по работе с медиаданными. Любую последовательность действий (алгоритм) можно реализовать аппаратно на микропрограммном уровне в виде операции, и любую операцию можно осуществить в виде алгоритма. В этом смысле большой разницы между аппаратным и программным обеспечением нет. Набор выполняемых процессором команд называется системой команд. Какие именно команды войдут в систему команд процессора определяют разработчики процессора в зависимости от задач, которые предполагается решать.

В современных персональных компьютерах разных фирм применяются процессоры двух основных архитектур:

• полный набор команд переменной длины – Complex Instruction Set Computer (CISC);

• сокращённый набор команд фиксированной длины – Reduced Instruction Set Computer (RISC).

Весь ряд процессоров фирмы Intel, устанавливаемых в персональные компьютеры IBM имеют архитектуру CISC, а процессоры Motorola, используемые фирмой Apple для своих персональных компьютеров, имеют архитектуру RISC. Обе архитектуры имеют свои преимущества и недостатки. Так CISC-процессоры имеют обширный набор команд (до 400), из которых программист может выбрать команду наиболее подходящую ему в данном случае. Недостатком этой архитектуры является то, что большой набор команд усложняет внутреннее устройство процессора, увеличивает время исполнения команды на микропрограммном уровне. Команды имеют различную длину и время исполнения.

RISC-архитектура имеет ограниченный набор команд и каждая команда выполняется за один такт работы процессора. Небольшое число команд упрощает устройство управления процессора. К недостаткам RISC архитектуры можно отнести то, что если требуемой команды в наборе нет, программист вынужден реализовать её с помощью нескольких команд из имеющегося набора, увеличивая размер программного кода.

Кэш память процессора.

Для согласования «быстрого» процессора и «медленного» ОЗУ в состав процессора вводят кэш память. Кэш-память используется процессором для хранения самых часто используемых данных, за счет чего, время очередного обращения к ним значительно сокращается. Если емкость оперативной памяти 1 Гб и выше, то кэш у них около 2-8 Мб. Объем ее не велик, кэш первого уровня находится на одном кристалле с процессором и работает на частоте процессора, это устройство значительно повышает быстродействие всей системы. Более подробно о кэш памяти будет сказано ниже в разделе «Память компьютера».

Прерывание процессора.

Основой диалогового режима работы с компьютером являются прерывания работы процессора. При этом выполнение текущей последовательности команд приостанавливается, содержимое регистров запоминается, управление передаётся программе обрабабатывающей это прерывание с возможностью последующего восстановления работы.

В зависимости от источника возникновения сигнала прерывания делятся на аппаратные, программные, внутренние.

Аппаратныепрерывания вызывают события, исходящие от внешних источников движение мыши, нажатие клавиш клавиатуры, таймера, сетевой карты и т.д.

Программные прерывания инициируются исполнением команды в коде программы.

Внутренние прерывания есть результат нарушения каких-то условий работы процессора - деление на ноль или переполнение и т.д.

Основные направления развития архитектуры микропроцессоров

В настоящее время для повышения производительности процессоров используются следующие направления: многоядерность, многонитевая архитектура, вычисления с явным параллелизмом в командах.

Многоядерность. На одном кристалле создаются несколько микропроцессоров их работа организуeтся по принципу мультипроцессорных систем. При этом производительность растет, сохраняя в приемлемых границах энергопотребление и тепловыделение. Многоядерные процессоры эффективно работают, решая мультимедийные задачи (видео, компьютерные игры и др.).

Многонитевая архитектура базируется на том, что одна задача не в состоянии полностью загрузить все ресурсы процессора. Поэтому на одном процессоре осуществляется запуск нескольких задач одновременно, при этом распараллеливание программ осуществляется аппаратными средствами МП.

Вычисления с явным параллелизмом в командах использует технологию очень длинного командного слова. Распараллеливание алгоритма между исполнительными модулями производится компилятором на этапе создания машинного кода, когда команды объединяются в связки и не конкурируют между собой за ресурсы микропроцессора. При этом упрощается блок управления на кристалле.

2.7.2. Память компьютера. Оперативное запоминающее устройство.

Память компьютера подразделяется на внутреннюю и внешнюю.

К внутренней памяти относят оперативная память (ОЗУ), кэш-память и специальную память. К внешней памяти компьютера относят накопители на жёстких магнитных дисках, накопители на компакт-дисках и д.р. Основные параметры, характеризующие любую память это объем, энергозависимость и скорость обмена.

Память, в которой хранятся исполняемые программы и данные называется оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) или RAM (Random Access Memory) – памятью со свободным доступом. ОЗУ позволяет записывать и считывать информацию из ячейки, обращаясь к ней по её номеру или адресу. Ячейка памяти имеет стандартное число двоичных разрядов. В настоящее время стандартный размер ячейки ОЗУ равняются одному байту. Информация в ОЗУ сохраняется всё время, пока на схемы памяти подаётся питание, то есть она является энергозависимой.

Существует два вида ОЗУ, отличающиеся техническими характеристиками: динамическое ОЗУ или DRAM (Dynamic RAM) и статическое ОЗУ или SRAM (Static RAM). Один двоичный разряд динамического ОЗУ построен на одном транзисторе и конденсаторе, наличие или отсутствие заряда на котором определяет значение, записанное в данном бите. При записи или чтении информации из такой ячейки требуется время для накопления (стекания) заряда на конденсаторе, разряжение конденсаторов компенсируется, периодическими циклами регенерации (подзарядки), что тоже требует времени. Поэтому быстродействие динамического ОЗУ на порядок ниже, чем у статического ОЗУ, двоичный разряд которого представляет собой триггер на четырёх или шести транзисторах, через который ток либо течет, либо не течет, регенерация ему не требуется. Однако из-за большего числа элементов на один разряд в одну СБИС статического ОЗУ помещается гораздо меньше элементов, чем у динамического ОЗУ. Например, современные СБИС динамических ОЗУ способны хранить 256 – 1024 Мбайт информации, а схемы статических ОЗУ только 256 – 512 Кбайт. Кроме этого статические ОЗУ более энергоёмки и значительно дороже. Обычно, в качестве оперативной или видео памяти используется динамическое ОЗУ. Статическое ОЗУ используется в качестве небольшой буферной сверхбыстродействующей памяти. В кэш память из динамической памяти заносятся команды и данные, которые процессор будет выполнять в данный момент.

Скорость работы ОЗУ ниже, чем быстродействие процессора, поэтому применяются различные методы для повышения её производительности. Одним из способов увеличения быстродействия динамического ОЗУ является размещение в одном корпусе микросхемы СБИС нескольких модулей памяти с чередованием адресов. Байт с нулевым адресом находится в первом модуле, байт с первым адресом находится во втором модуле, байт со вторым адресом находится в первом модуле и т.д. Поскольку, обращение к памяти состоит из нескольких этапов: установка адреса, выбор ячейки, чтение, восстановление, то эти этапы можно совместить во времени для разных модулей. Другим способом увеличения быстродействия является чтение из памяти содержимого ячейки с заданным адресом и нескольких ячеек, расположенных рядом. Они сохраняются в специальных регистрах защёлках. Если следующий адрес указывает на одну из уже считанных ячейках, то её содержимое читается из защёлки.

Конструктивно оперативная память выполняется в виде модулей памяти - сменных плат с микросхемами памяти, т.е. память может наращиваться или модернизироваться.

Рис 2.10. Модули памяти SIMM вверху и DIMM внизу.

Модули могут иметь один ряд контактов SIMM (устаревшая) и два DIMM

В настоящее время наиболее широкое распространение имеют модули DDR-2 SDRAM (double-data-rate two synchronous dynamic random access memory) — синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных, второе поколение.

В многоядерных архитектурах применяются модули DDR-3 SDRAM.

Несмотря на разработку новых типов схем динамических ОЗУ, снижающую время обращения к ним, это время все ещё остаётся значительным и сдерживает дальнейшее увеличение производительности процессора. Для уменьшения влияния времени обращения процессора к ОЗУ и увеличения производительности компьютера дополнительно устанавливается сверхбыстродействующая буферная память, выполненная на микросхемах статической памяти. Эта память называется кэш-памятью (от английского Cache – запас). Время обращения к данным в кэш-памяти на порядок ниже, чем у ОЗУ и сравнимо со скоростью работы самого процессора.

Запись в кэш-память осуществляется параллельно с запросом процессора к ОЗУ. Данные, выбираемые процессором, одновременно копируются и в кэш-память. Если процессор повторно обратиться к тем же данным, то они будут считаны уже из кэш-памяти. Такая же операция происходит и при записи процессором данных в память. Они записываются в кэш-память, а затем, в интервалы, когда шина свободна, переписываются в ОЗУ. Современные процессоры имеют встроенную кэш-память, которая находится внутри процессора, кроме этого есть кэш-память и на системной плате. Чтобы их различать кэш-память делится на уровни. На кристалле самого процессора находится кэш-память первого уровня, она имеет объём порядка 32-128 Кбайт и самую высокую скорость обмена данными. В корпусе процессора, но на отдельном кристалле находится кэш-память второго уровня, которая имеет объём порядка 256 Кбайт – 2 Мбайта. И, наконец, кэш-память третьего уровня расположена на системной плате, её объём может составлять 16 - 1000 Мбайт.

Управление записью и считыванием данных в кэш-память выполняется автоматически под управлением контроллера. Когда кэш-память полностью заполняется, то для записи последующих данных, устройство управления кэш-памяти по специальному алгоритму автоматически удаляет те данные, которые реже всего использовались процессором на текущий момент. Использование процессором кэш-памяти увеличивает производительность процессора, особенно в тех случаях, когда происходит последовательное преобразование относительно небольшого числа данных, которые постоянно, во время преобразования хранятся в кэш-памяти.

В одном адресном пространстве с ОЗУ находится специальная память, предназначенная для постоянного хранения таких программ как тестирование и начальной загрузки компьютера, управление внешними устройствами. Она является энергонезависимой, то есть сохраняет записанную информацию при отсутствии напряжения питания. Такая память называется постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) или ROM (Read Only Memory). Постоянные запоминающие устройства можно разделить, по способу записи в них информации, на следующие категории:

- ПЗУ, программируемые однократно. Такие ПЗУ программируются при изготовлении и не позволяют изменять записанную в них информацию.

- Перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ). ППЗУ позволяют перепрограммировать их многократно. Стирание хранящейся в ППЗУ информации осуществляется или засветкой полупроводникового кристалла ультрафиолетовым излучением, или электрическим сигналом, повышенной мощности.

2.7.3. Внутренние шины передачи информации.

Общая шина, наряду с центральным процессором и запоминающим устройством, во многом определяет производительность работы компьютера, так как обеспечивает обмен информацией между функциональными узлами. Общая шина, как уже было сказано, делится на три отдельные шины по типу передаваемой информации: шина адреса, шина данных, шина управления. Каждая шина характеризуется шириной – числом параллельных проводников для передачи информации. Другим важным параметром шины является тактовая частота шины – это частота, на которой работает контроллер шины при формировании циклов передачи информации.

Шина адреса предназначена для передачи адреса ячейки памяти или порта ввода-вывода. Ширина шины адреса определяет максимальное количество ячеек, которое она может напрямую адресовать. Если ширина шины адреса равна n, то количество адресуемой памяти равно 2ⁿ.

Шина данных предназначена для передачи команд и данных, и её ширина во многом определяет информационную пропускную способность общей шины. В современных компьютерах ширина шины данных составляет 32-64.

Шина управления включает в себя все линии, которые обеспечивают работу общей шины. Её ширина зависит от типа шины и определяется алгоритмом её работы или, как говорят, протоколом работы шины. Протокол работы шины состоит из нескольких циклов и выполняется контроллером шины, расположенным внутри процессора (рис. 2.8.) или отдельным контроллером шины (рис. 2.5.).

Приведём примерный протокол работы системной шины. Первый такт работы шины инициируется процессором, когда ему требуется произвести обмен информации с каким-либо устройством. Процессор выставляет на шину адреса адрес порта внешнего устройства или ячейки памяти и устанавливает управляющие сигналы, показывающие какой тип обмена и с каким устройством или памятью, он собирается произвести. На втором такте работы процессор ожидает от устройства сигнала о его готовности к приёму или передаче информации. Второй такт может повторяться бесконечное число раз, пока не будет получен сигнал о готовности устройства. На третьем такте процессор выставляет на шину данных передаваемую информацию при записи, или открывает шину данных для приёма информации. На четвёртом такте происходит обмен информацией и работа протокола передачи заканчивается.

Несмотря на то, что производители компьютеров постоянно предлагают новые варианты протоколов работы общих шин, которые обеспечивает более высокую производительность операций обмена информацией, её пропускная способность оказывается недостаточной для обеспечения данными таких высокопроизводительных функциональных узлов как центральный процессор, и некоторых внешних устройств, таких, например, как видео подсистема с высоким качеством отображения. Поэтому разработчики предлагают включать в состав компьютера дополнительные шины, связывающие напрямую центральный процессор и отдельные наиболее быстродействующие устройства. Такие шины получили название локальных шин. Сейчас персональный компьютер может использовать до пяти различных шин. На рис.2.5.показана схема использования локальных шин для подключения к процессору запоминающего устройства и видеоконтроллера.

Ниже приведены обозначения и основные характеристики общих и локальных шин, применяемых в персональных компьютерах фирмы IBM.

Общая шина PCI (Peripheral Component Interconnect) применяется в настольных компьютерах, в настоящее время используется модификация PCI 2.1. Тактовая частота контроллера этой шины 66 МГц ширина шины адреса 32, а шины данных 64 разряда. Пиковая пропускная способность шины PCI 2.1 528 Мбайт/С.

Общая шина PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) применяется в переносных компьютерах класса ноутбук и имеет параметры сравнимые с параметрами шины PCI.

Локальная шина для подключения видеоконтроллера AGP (Accelerated Graphics Port) позволяет организовать непосредственную связь видеоконтроллера и оперативного запоминающего устройства. Она ориентирована на массовую передачу видео данных. Имеет конвейерную организацию выполнения операций чтения/записи, что позволяет избежать задержек при обращении к модулям памяти. За один такт работы может передать два, четыре или восемь блоков данных, в зависимости от установленного режима работы. При установке режима параллельной передачи восьми блоков обеспечивает пиковую скорость передачи 2112 Мбайт/С. ПО НОВОЙ ВЕРСИИ.

Локальная шина USB.  USB (Universal Serial Bus  — универсальная последовательная шина), шина с последовательной передачей данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств.

Шина USB 1.0 впервые была представлена в 1994г, более скоростная версия USB 2.0 вышла в конце 2001 года, USB 3.0 появилась в 2008 году.

USB заменила устаревшие COM- и LPT-порты, позволила работать с большим количеством устройств, обеспечивая технологию «plug and play» горячего подключения и отключения устройств.

Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырёхпроводный кабель два провода для приёма и передачи данных, а два — для электропитания периферийного устройства. К одному контроллеру шины USB можно подсоединить до 127 устройств по топологии «звезда».

Шина ориентирована, имеет понятие «главное устройство» (он же контроллер USB) и периферийные устройства. Шина имеет древовидную топологию, поскольку периферийным устройством может быть разветвитель, имеющий несколько исходящих разъемов. Кабели USB ориентированы, то есть имеют физически разные наконечники к периферийному устройству и к контроллеру.

Версия USB 2.0 имеет три режима обмена данными:

• Low-speed, 10—1500 Кбит/c - используется для медленных устройств - клавиатуры, мыши, джойстика;

• Full-speed, 0,5—12 Мбит/с - для аудио и видеоустройств;

• Hi-speed, 25—480 Мбит/с - для видеоустройств и устройств хранения информации.

USB 3.0 повышает максимальную скорость передачи информации до 5,0 Гбит/с — что более чем на порядок больше 480 Мбит/с, которые может обеспечить USB 2.0. Версия 3.0 может подавать ток до 900 мА (USB 2.0 только 500 мА), что позволит избавиться от блоков питания во многих устройствах.

Шина USB получила широкое распространение к ней подключаются сейчас клавиатура, мышь, принтеры, флеш-память и многие другие устройства.

2.7.4. Внешние запоминающие устройства

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения программ и данных, она всегда энергонезависима, т.е. данные не уничтожаются при отключении электропитания. В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором. Данные от ВЗУ к процессору и наоборот проходят примерно по следующей цепочке:

Наибольшее распространение в настоящее время получили дисковые ВЗУ которые, в зависимости от типа носителя, можно разделить на магнитные и оптические.

Накопители на магнитных дисках

Накопители на магнитных дисках подразделяются на накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД или HDD) и накопители на гибких магнитных дисках (НГМД или FDD), принципиально они весьма сходны, но имеются конструктивные отличия.

Способ записи двоичной информации на магнитной поверхности называется магнитным кодированием. Он заключается в том, что магнитные домены выстраиваются вдоль дорожек в направлении приложенного магнитного поля своими северными и южными полюсами. Устанавливается однозначное соответствие между двоичной информацией и ориентацией магнитных доменов. Информация на магнитные диски записывается и считывается магнитной головкой, которая перемещается радиально с фиксированным шагом, а сам диск при этом вращается вокруг своей оси рис 2.12.

Основа жесткого диска - платтер изготавливается из сплавов алюминия или керамики, на который наносится магнитный слой. Жёсткость диска позволяет увеличить плотность записи, по сравнению с гибким диском. Несколько жёстких дисков иногда надеваются на одну общую ось и представляют собой пакет дисков. Такие пакеты позволяют резко увеличить объём информации, хранящейся на одном дисководе жёсткого диска.

Пакет дисков находится в гермозоне корпусе с очищенным от пыли и влаги воздухом или азотом, там же находится блок головок с устройством их позиционирования и привод вращения диска. Головки в рабочем состоянии не касаются поверхности пластин, а держатся на тонком слое воздуха. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках около 10 нм). При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

Жесткий диск HDD управляется процессором через контроллер жесткого диска.

Головка, считывает или записывает информацию, расположенную на концентрической окружности, которая называется дорожкой или треком. Количество дорожек на диске определяется шагом перемещения головки и зависит от технических характеристик привода диска и качества самого диска. За один оборот диска может быть считана информация с одной дорожки. Общее время доступа к информации на диске складывается из времени перемещения головки на нужную дорожку и времени одного оборота диска. Каждая дорожка дополнительно разбивается на ряд участков – секторов. Сектор содержит минимальный блок информации, который может быть записан или считан с диска, обычно он составляет 512 байтов (планируется переход к секторам 4096 байт). Чтение и запись на диск осуществляется блоками, поэтому дисководы называют блочными устройствами.

Физическая структура диска определяется количеством дорожек и числом секторов на каждой дорожке. Она задаётся при форматировании диска, которое выполняется специальными программами и должно быть проведено перед первым использованием диска для записи информации.

Кроме физической структуры диска, говорят ещё о логической структуре диска. Логическая структура определяется файловой системой, которая реализована на диске и зависит от операционной системы компьютера, на котором используется данный диск. Логическая структура подразумевает выделение некоторого количества секторов для выполнения служебных функций размещения файлов и каталогов на диске.

Параметры, характеризующие жесткие диски.

Форм–фактор характеризует диаметр диска обычно он 3.5 дюйма, иногда 2.5 для ноутбуков.

Емкость в 2010 году она достигла 3 терабайтов при форм-факторе диска 3.5 дюйма. Время доступа – это время, за которое головка позиционируется на диске для чтения или записи, оно составляет миллисекунды от 2.5 до 16 мс.

Скорость вращения шпинделя — количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и средняя скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются жесткие диски со следующими стандартными скоростями вращения: 5400, 7200, 10 000 и 15 000 об/мин для серверов.

Скорость передачи данных при последовательном доступе до 111,4 Мб/с, на сегодняшний день.

Объём буфера. Буфер – это промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В современных дисках он обычно варьируется от 8 до 64 Мб.

Накопители на гибких магнитных дисках.

Устаревающее устройство. 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. Все сменные носители на дисках, в том числе и рассмотренные ниже оптические диски, характеризуются своим диаметром (форм-фактором). Наибольшее распространение получили диски 3,5 дюйма (89 мм). Но существуют диски с форм-фактором 5,25 дюйма и 1,8 дюйма.

Сами магнитные диски изготавливаются из гибкого синтетического материала, на который с обеих сторон нанесён слой магнитного материала. Такие гибкие диски имеют объём хранимой информации 1,38 Мбайт, число дорожек 80, количество секторов на дорожках 18.

Дискета устанавливается в НГМД автоматически в нем фиксируется, после чего диск раскручивается до частоты вращения 360 об/мин. Дискета вращается только при обращении к ней. Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков.

Кроме гибких дисков широкое распространение получили сменные магнитные носители типа ZIP. Использование более совершенной системы позиционирования головок системы привода позволило увеличить плотность записи, и довести его для диска с форм-фактором 3,5 дюйма до 250 Мбайт. К сожалению, диски ZIP несовместимы с обычными гибкими дисками и для их использования приходится устанавливать специальный привод ZIP.

Накопители на оптических дисках

Оптический компакт-диск (Compact Disk (CD)), который был предложен в 1982 году фирмами Philips и Sony, первоначально, для записи звуковой информации, произвёл переворот и в компьютерной технике, так как идеально подходил для записи цифровой информации больших объёмов на сменном носителе. Объём информации, записанной на компакт-диске, составляет 600-700 Мбайт. К достоинствам компакт-диска можно отнести и его относительную дешевизну в массовом производстве, высокую надёжность и долговечность, нечувствительность к загрязнению и воздействию магнитных полей.

К нынешнему времени существует ряд типов оптических дисков: CD-ROM диски только для чтения, CD-R допускающие запись в условиях ПК, CD-RW допускающие повторную запись, DVD-R, DVD-RW – диски повышенной плотности записи. Конструктивно они сходны, в самом же устройстве дисков имеются различия.

Оптические диски представляют собой прозрачные полимерные пластины диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм, на одну сторону которых напылен светоотражающий слой алюминия или золота, защищенный от повреждений слоем прозрачного лака. Толщина напыления составляет несколько десятитысячных долей миллиметра.

Двоичные данные на диске представляются в виде последовательности впадин pits ( ямка в диске) и выступов lands (их уровень соответствует поверхности диска), расположенных на спиральной дорожке рис 2.13. В CD-ROM используется считывающая головка с микролазером и фотоэлементом. Глубина впадин на поверхности диска равна четверти длины волны лазерного света. Если в двух последовательных тактах считывания информации луч света лазерной головки переходит с выступа на дно впадины или обратно, разность длин путей света в этих тактах меняется на полуволну, что вызывает ослабление совместно попадающих на фотоэлемент прямого и отраженного от диска света. Если в последовательных тактах считывания длина пути света не меняется, то и состояние фотоэлемента не меняется. В результате ток через фотоэлемент образует последовательность двоичных электрических сигналов, соответствующих сочетанию впадин и выступов на дорожке.

Емкость CD-ROM достигает 780 Мбайт. Информация наносится на диск при его изготовлении и не может быть изменена. Запись на CD-ROM (Сompact Disk Read-Only Memory) при промышленном производстве производится в несколько этапов. Сначала с использованием мощного инфракрасного лазера, в стеклянном контрольном диске выжигаются отверстия диаметром 0,8 микрон. По контрольному диску изготавливается шаблон с выступами в тех местах, где лазер прожёг отверстия. В шаблон вводится жидкая смола (поликарбонат), и получают диск с таким же набором впадин, что и отверстий в контрольном диске. Со стороны впадин на диск напыляется тонкий слой алюминия, который затем покрывается лаком, защищающим его от царапин.

При воспроизведении лазерный диод небольшой мощности освещает диск со стороны противоположной нанесенному слою алюминия, который является отражателем светового луча лазера, а впадины превращаются в выступы. Впадины на диске имеют глубину равную четверти длины волны лазера, из-за чего фотодиод, принимающий отражённый свет лазера, получает света от выступа меньше, чем от площадки.

Впадины и площадки записываются на диск не по трекам как НЖМД, а непрерывно по спирали, как в грампластинке. Начинается запись от центра диска и занимает приблизительно 32 мм диска. Спираль проходит 22188 оборотов вокруг диска, её общая длина составляет 5600 М. На всём протяжении спирали скорость записи остаётся постоянной, поэтому контроллер CD привода при воспроизведении следит за постоянством линейной скорости, изменяя значение угловой скорости вращения диска. Так на внутренней стороне скорость равна 530 оборотов в минуту, а на внешней стороне скорость падает до 200 оборотов в минуту, при этом линейная скорость остаётся постоянной равной 1,2 М/С . Скорость чтения/записи CD при этом составляет 150 Кб/с (то есть 153 600 байт/с), что удобно для звукозаписи, но слишком медленно для прочих видов обмена на компьютере. Для повышения скорости обмена кратно повышают скорость вращения. Например, 48-скоростной привод обеспечивает максимальную скорость чтения (или записи) CD, равную 48 × 150 = 7200 Кб/с (7,03 Мб/с), но если скорость так велика, то полимерные диски могут разрываться от центробежных сил, чтобы этого не происходило, скорость повышают в приемлемых границах, но вводят не одну, а несколько оптических систем работающих параллельно.

В середине 90-х годов появились устройства, устанавливаемые непосредственно на компьютере, и позволяющие производить однократную запись информации на компакт-диск. Для таких устройств выпускают специальные компакт-диски, которые получили название CD-Recodable (CD-R). Отражающим слоем у них служит тонкий слой позолоты. Между слоем позолоты и слоем поликарбамидной смолы вводится слой красителя. На диске без записи этот слой красителя бесцветен, но под воздействием лазерного луча краситель темнеет, образуя пятна, которые при воспроизведении воспринимаются как выступы.

Позднее появились компакт-диски с возможностью перезаписи – CD-ReWritable (CD-RW). На этих дисках слой красителя может находиться в двух состояниях: кристаллическом и аморфном. Эти два состояния имеют разную отражательную способность. Лазер устройства имеет три уровня мощности. При записи мощность лазерного диода повышается, и расплавляет слой красителя, переводя его в аморфное состояние с низкой отражательной способностью, что соответствует выступу (запись информации). При средней мощности краситель плавится и переходит в кристаллическое состояние с высокой отражательной способностью (стирание информации). Низкая мощность лазера используется для считывания информации.

Дальнейшее развитие технологий производства компакт-дисков привело к созданию дисков с высокой плотностью записи – цифровой универсальный диск Digital Versatile Disk (DVD). Впадины на них имеют меньший диаметр (0,4 микрона), а спираль размещается с плотностью 0,74 микрона между дорожками (вместо 1,6 микрон у CD). Это позволило увеличить объём информации на диске до 4,7 Гбайт. Дальнейшее увеличение объёма информации обеспечивается применением двухсторонних DVD.

С 2006 года запущен формат Blu-ray (blue ray — синий луч) с повышенной плотностью записи, разработка консорциума BDA. Blu-ray получил своё название от использования для записи и чтения коротковолнового (405 нм) «синего» лазера. CD и DVD приводы используют инфракрасный и красный лазеры с длиной волны 780 нм и 650 нм соответственно. Укороченная волна в сочетании с улучшенной оптикой, позволили уменьшить размер пятна, фокусировки лазера, что позволило сузить дорожку вдвое по сравнению с DVD-диском (до 0,32 мкм) и тем увеличить плотность записи данных и одновременно повысить скорость считывания до 432 Мбит/с.

Однослойный диск Blu-ray (BD) может хранить 23.3, 25, 27, 33 Гб, двухслойный диск может вместить 46.6, 50, 54, 66 Гб. Также в разработке находятся диски вместимостью 100 Гб и 200 Гб с использованием четырёх и восьми слоёв соответственно.

Корпорация TDK уже анонсировала прототип четырёхслойного диска объёмом 100 Гб, планируется выпуск десятислойного диска ёмкостью 320 Гигабайт.

2.7.5. Флэш-память. В 1994 г. Был выпущен новый тип памяти - флэш-память (Flash-memory). Флэш-память представляет собой микросхему ппзу с неограниченным числом циклов перезаписи.

В флэш-памяти использован новый принцип записи и считывания отличный от того, который используется в известных схемах ППЗУ. Кристалл схемы флэш-памяти состоит из трёх слоёв. Средний слой, имеющий толщину порядка 1,5 нм, и изготовлен из ферроэлектрического материала. Две крайние пластины представляют собой матрицу проводников для подачи напряжения на средний слой.

Запись. При подаче напряжения, на пересечении проводников возникает напряжение, достаточное для изменения направления магнитного момента атомов его кристаллической решетки, расположенной под местом пересечения проводников. Направление магнитного поля сохраняется и после снятия внешнего электрического поля. Изменение направления магнитного поля ферроэлектрика изменяет сопротивления этого участка слоя.

Считывание. На один крайний слой подаётся напряжение, а на втором оно замеряется. Сопротивление, будет иметь разное значение для участков с разным направление магнитного момента. Такой тип флэш-памяти получил название FRAM (ферроэлектрическая память с произвольным доступом).

Конструктивно флэш-память выполняется в виде отдельного блока, содержащего микросхему флэш-памяти и контроллер, для подключения к одному из стандартных входов компьютера. В объём флэш-памяти может превышать 1 Гбайт, скорость записи составляет 0,7 Мбайт/С, а скорость считывания – 1,5 Мбайт/С.

2.8. Внешние устройства

2.8.1. Видеоситемы

Видеосистема предназначена для оперативного отображения текстовой и графической информации в целях визуального восприятия её пользователем компьютера. Состоит из трех компонент:

• видеоадаптер;

• монитор (называемый также дисплеем);

• программное обеспечение (драйверы видеосистемы).

Видеоадаптер:

• включается в системную шину,

• принимает от шины данные, предназначенные для вывода на печать,

• посылает в монитор сигналы управления яркостью лучей и синхросигналы строчной и кадровой развёрток.

Монитор преобразует полученные сигналы в зрительные образы. А программные средства обрабатывают видеоизображения — выполняют кодирование и декодирование сигналов, координатные преобразования, сжатие изображений и др.

Мониторы

Для персональных компьютеров используются мониторы следующих типов:

• на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ);

• на основе жидкокристалических индикаторов (ЖКИ, LCD – Liquid Crystal Display);

• плазменные мониторы (PDP – Plasma Display Panels);

• электролюминесцентные мониторы (FED – Field Emission Display);

• самоизлучающие мониторы (LEP – Light Emission Plastics).

Основными характеристики мониторов:

• размер экрана монитора, задаётся величиной его диагонали в дюймах обычно 14-17 для домашних, для профессиональной работы, требующей отображения мелких деталей 21 и 22;

• разрешающая способность, которая определяется числом пикселей по горизонтали и вертикали (800600, 1024768, 18001440, 20481536);

• рабочая частота кадровой развёртки определяет скорость смены кадров изображения (50-100 кадров в секунду), эта характеристика влияет на утомляемость глаз при продолжительной работе на компьютере. Чем выше частота кадровой развёртки тем меньше утомляемость глаз. Частота смены кадров во многом зависит от разрешающей способности экрана: чем выше разрешающая способность, тем меньше частота смены кадров, например, при разрешении 800600 максимальная частота смены кадров может составить 120 Гц, а при разрешении 16001200 – 67 Гц.

На разрешающую способность монитора и качество изображения влияет объём видео памяти. Современные видеоконтроллеры для хранения цвета каждого пикселя расходуют до 4 байт памяти, для чего необходимо иметь объём видеопамяти от 32 до 128 Мбайт. Больший объём видеопамяти позволяет устанавливать более высокий режим разрешения и большее число цветов для каждого пикселя.

Мониторы на основе ЭЛТ

Мониторы на основе ЭЛТ используют электронно-лучевые трубки, применяемые в обычных телевизионных приёмниках, и устройства, формирующего на экране точки (пиксели). Луч, двигающийся горизонтально, периодически, засвечивает люминофор экрана, который под действием потока электронов начинает светиться, образуя точку. Для цветных мониторов засветка каждой точки осуществляется тремя лучами, вызывающие свечение люминофора соответствующего цвета – красного, зелёного и синего. Цвет точки создаётся смешением этих трёх основных цветов и зависит от интенсивности каждого электронного луча. Цветной монитор может отображать до 16 млн. оттенков в каждой точке.

Мониторы на жидкокристалических индикаторах

Мониторы на жидкокристалических индикаторах представляют собой плоские панели. Эти мониторы используют специальную прозрачную жидкость, которая при определённых напряжённостях электростатического поля кристаллизуется, при этом изменяется её прозрачность и коэффициент преломления световых лучей. Эти эффекты используются для формирования изображения. Конструктивно такой монитор выполнен в виде двух электропроводящих стеклянных пластин, между которыми помещён слой кристаллизующейся жидкости. Для создания электростатического поля стеклянная пластина покрыта матрицей прозрачных проводников, а пиксель формируется на пересечении вертикального и горизонтального проводника. Иногда на пересечении проводников ставят активный управляющий элемент – транзистор. Такие экраны, которые получили название TFT-экранов (Thin Film Transistor – тонкоплёночный транзистор), имеют лучшую яркость и предоставляют возможность смотреть на экран даже с отклонением до 45 от вертикали. Этот показатель отличает TFT-экраны от экранов с пассивной матрицей, которые обеспечивали качество изображения только при фронтальном наблюдении.

Плазменные мониторы

В плазменных мониторах изображение формируется светом, выделяемым при газовом разряде в каждом пикселе экрана. Конструктивно плазменная панель состоит трёх стеклянных пластин, на две из которых нанесены тонкие прозрачные проводники: на одну вертикально, на другую – горизонтально. Между ними находится третья пластина, в которой в местах пересечения проводников двух первых пластин имеются сквозные отверстия. Эти отверстия при сборке заполняются инертным газом: неоном или аргоном, они и образуют пиксели. Плазма газового разряда, возникающая при подаче высокочастотного напряжения на вертикальный и горизонтальный проводники, излучает свет в ультрафиолетовом диапазоне, который вызывает свечение люминофора. Каждый пиксель представляет собой миниатюрную лампу дневного света. Высокая яркость и контрастность, отсутствие дрожания изображения, а так же большой угол отклонения от нормали, при котором изображение сохраняет высокое качество, являются большими преимуществами таких мониторов. К недостаткам можно отнести недостаточную пока разрешающую способность и достаточно быстрое (пять лет при офисном использовании) ухудшения качества люминофора. Пока такие мониторы используются только для конференций и презентаций.

Электролюменесцентные мониторы состоят из двух пластин, с ортогонально нанесёнными на них прозрачными проводниками. На одну из пластин нанесён слой люминофора, который начинает светиться при подаче напряжения на проводники в точке их пересечения, образуя пиксель.

Самоизлучающие мониторы используют матрицу пикселей, построенную на основе полупроводникового материала, излучающего свет при подаче на него напряжения (светодиод). На сегодняшний день имеются монохромные самоизлучающие дисплеи с жёлтым свечением, но они уступают по сроку службы LCD мониторам. Удалось создать органический проводник, имеющий широкий спектр излучения. На основе этого материала планируется создать полноразмерный цветной самоизлучающий монитор. Достоинства таких мониторов заключаются в том, что они обеспечивают 180-градусный обзор, работают при низком напряжении питания и имеют малый вес.

2.8.2. Устройства ручного ввода информации

Клавиатура.

Клавиатурой называется устройство для ручного ввода информации в компьютер.

Современные типы клавиатур различаются, в основном, принципом формирования сигнала о нажатии клавиши. Наиболее распространённые клавиатуры имеют под каждой клавишей купол, выполненный из специальной резины, который прогибается при нажатии клавиши и замыкает контакты проводящим слоем, расположенным на куполе. У некоторых клавиатур под каждой клавишей находится магнит, который при нажатии перемещается и проходит через катушку, наводя в ней ток самоиндукции.

Среди современных типов клавиатур можно отметить беспроводную клавиатуру, в которой передача информации в компьютер происходит с помощью датчика инфракрасного излучения, аналогично пультам управления различной бытовой техники. Такая клавиатура позволяет работать в любом, удобном для пользователя месте помещения, не привязываясь к расположению системного блока. Можно так же отметить гибкую резиновую клавиатуру, которая работает бесшумно, защищена от механических и химических разрушающих воздействий, очень тонкая и может быть свёрнута в виде цилиндра.

Клавиатурный процессор, опрашивает 50 раз в секунду состояние клавиатуры, вырабатывает скан-код, а сервисные программы операционной системы уже определяют какой именно символ или команда были введены. При нажатии клавиши клавиатурный процессор посылает в специальный буфер клавиатуры, расположенный в оперативной памяти, скан-код клавиши, состоящий из двух байт: байта собственно скан-кода и байта, определяющего какие дополнительные управляющие клавиши при этом удерживались нажатыми. К управляющим клавишам относятся клавиши Ctrl, Alt, Shift, которые ещё и различаются по месту расположения: левые и правые, а так же их комбинации. Сервисная программа читает из буфера клавиатуры эти два байта и передаёт их в программу, которая решает какой именно символ или управляющий сигнал необходимо отобразить.

Специальная программа в операционной системе Windows, например, позволяет изменить целиком раскладку клавиш или национальный алфавит или значения отдельных клавиш.

Клавиатурный процессор предоставляет пользователю возможность ввода символа, который не отображён на клавиатуре. Для этого на малой цифровой клавиатуре (она расположена слева) набирается десятичный код требуемого символа при одновременном удерживании клавиши Alt. Таким образом можно ввести символ псевдографики или управляющий символ, отсутствующий на клавиатуре.

Манипулятор типа "мышь".

Механическое устройство состоит из резинового шарика, вращающего, при перемещении мыши, и двух роликов, расположенных под прямым углом друг к другу. Ролики, в свою очередь, вращают колесики с прорезями. Свет от светодиода через прорезь попадает на фотодиод, который отсчитывает число прорезей и направление их прохождения. Сигналы от прорезей поступают в компьютер, и сервисная программа, управляющая курсором мыши, перемещает его на экране в требуемом направлении. Эта же программа отслеживает нажатие левой и правой кнопки и число их нажатий за определённый промежуток времени. Программа способна отследить любое количество нажатий от одного до тридцати двух тысяч, однако, на практике используется только одиночный или двойной щелчок кнопки.

Дополнительное устройство для ручного ввода информации - манипулятор "мышь" представляет удобное средство для работы с компьютером. Современные графические операционные системы предоставляют пользователю графические объекты, размещённые на экране дисплея, и обращение к ним производится с помощью движущегося по экрану специального значка – курсора, обычно имеющего вид стрелки, который позволяет активизировать объект, не задумываясь о командах, которые при этом выполняются. Профессиональные пользователи активизируют работу объектов командами с клавиатуры, так как это ускоряет работу и не требует перемещения рук от клавиатуры. Но и профессионалы пользуются мышью, например, работая в графических редакторах или создавая приложения в визуальных средах программирования. Мышь используется и в некоторых игровых программах.

Например, в портативных компьютерах мышь вмон­тирована в корпус компьютера и представляет собой площадку с сенсорами, которые отслеживают движения пальца по площадке и силу его давления и перемещают курсор по экрану или, при более сильном нажатии, выполняют команду. Такие устройства получили названия трекпоинты или трекпады. Но наиболее популярные типы мыши, применяемые в настольных компьютерах, имеют вид небольшой коробочки, сверху которой находятся две кнопки управления командами мыши и колесико скроллинга, применяемого для прокрутки информации в некоторых приложениях. На нижней части находится механическое или электронное устройство, отслеживающее перемещение мыши по поверхности.

Электронные устройства перемещения используют принцип обработки отраженных световых импульсов от поверхности, по которой перемещается мышь. Такие устройства значительно надёжнее механических. Выпускаются мыши, передающие информацию в компьютер по инфракрасному каналу. У таких мышей отсутствует "хвостик", связывающий её с компьютером, из-за которого она и получила своё имя.

Джойстик. Манипулятор типа джойстик является основным устройством для управления многочисленными компьютерными играми. Хотя большинство игровых программ допускают управление от клавиатуры, джойстики обеспечивают больший контроль над игрой и значительно полнее передают реальную игровую ситуацию, связанную с работой авиационных, автомобильных и иных имитаторов движения. Для истинных фанатов игр выпускают джойстики, похожие на реальные органы управления объектом: штурвалы, педали, рули и даже целые кабины.

2.8.3. Устройства печати.

Существует несколько типов устройств, обеспечивающих получение твёрдой копии электронного документа на бумаге или другом материале. Наибольшее распространение получили два типа таких устройств: принтеры и плоттеры.

Принтеры.

это устройства вывода данных из компьютера, формирующие поточечное изображение копии документов на бумаге или ином аналогичном материале, например, прозрачной плёнке, применяемой для размножения документов типографским способом. Принтеры весьма разнообразны по принципу действия и качеству воспроизведения изображения, по размеру бумаги, на которой они могут его воспроизводить, а так же возможности печати цветных или только чёрно-белых изображений и скорости печати.

Основные характеристики принтеров:

• разрешающая способность - определяет качество получаемого бумажного документа, измеряется числом элементарных точек (dots), которые помещаются на одном дюйме – dots per inch (dpi). Чем выше разрешающая способность тем точнее воспроизводятся детали изображения. Современные принтеры обеспечивают разрешение от 200 до 2880 dpi;

• производительность принтера, которая измеряется количеством печатаемых страниц, в минуту – page per minute (ppm). Обычно производительность указывается для страниц формата А4.

Матричные принтеры. Изображение в матричных принтерах формируется из точек, которые получаются путём удара тонкой иглы по красящей ленте, прижимаемой в момент удара к бумаге. Иглы, число которых составляет от 9 до 24, объединены в головке и размещены в ней вертикально в один ряд. Каждая игла управляется отдельным магнитом, а головка движется горизонтально вдоль листа. Таким образом, за один проход головки получается полоса, высота которой в точках равна числу игл в головке. Скорость матричных принтеров не высока и составляет около 2 ppm. Разрешающая способность составляет 200 – 360 dpi. Достоинством матричных принтеров является низкая стоимость расходных материалов (красящей ленты) и возможность печати одновременно нескольких копий документа. К недостатками относится низкая скорость печати и шум при печати.

Струйные принтеры. В нашей стране это в настоящее время наиболее распространённый тип принтера. Печатающая головка струйного принтера вместо иголок содержит тонкие трубочки – сопла, через которые на бумагу выбрасываются мельчайшие дозированные капли красителя. Число сопел в головке составляет от 12 до 64.

Разрешение от 300 до 1200 dpi; скорость печати до 10 ppm; бесшумность работы. Струйные принтеры выполняют и цветную печать. При цветной печати цветная точка получается смешением в заданных пропорциях красителей трёх основных цветов: голубого, пурпурного и жёлтого, выстреливаемого из трех сопел.

Основными недостатками является высокая стоимость расходных материалов и возможность засыхания красителя в сопле, что заставляет преждевременно заменять весь печатающий блок.

Лазерные принтеры. Лазерные принтеры обеспечивают наиболее качественную печать с наивысшим разрешением и скоростью. Изображение в них формируется в несколько этапов. На первом этапе происходит засветка узким прерывистым световым лучом от лазерного диода барабана, на который нанесён тонкий слой материала, электролизующегося под действием света. На втором этапе барабан посыпается мелко дисперсионным красящим порошком, который налипает на барабан в точках засветки, а лишний порошок удаляется. Третий этап состоит в прокатывании барабана с налипшим на него порошком по бумаге, в результате чего краситель переходит на бумагу. Последний этап состоит в термической обработке бумаги. Она нагревается до 200, в результате порошок расплавляется, проникая в структуру бумаги, закрепляется на ней. Лазерные принтеры могут обеспечить печать цветного изображения. Оно получается нанесением на барабан порошков разных цветов.

К достоинствам лазерных принтеров можно отнести высокое качество печати до 2880 dpi, скорость печати (до 40 ppm), а так же низкая себестоимость копии и бесшумность в работе.

Плоттеры.

Плоттеры или графопостроители используются, в основном, для вывода графической информации – чертежи, схемы, диаграммы и т.п. Основное достоинство плоттеров заключается в том что они предназначены для получения изображения на бумаге большого формата, например, А1.

Плоттеры делятся на два больших класса: векторные и растровые. В векторных плоттерах пишущий узел перемещается относительно бумаги сразу по вертикали и горизонтали, вычерчивая на бумаге непрерывные кривые в любом направлении. В растровых плоттерах пишущий узел перемещается относительно бумаги только в одном направлении, и изображение формируется строка за строкой из последовательности точек.

Векторные плоттеры используют для рисования узел, который, в общем, называется пером. В качестве пера используются перья с чернилами, фибровые и пластиковые стержни (фломастеры), карандашные грифели и мелки или шариковые узлы однократного и многоразового действия. Перьевые плоттеры обеспечивают высокое качество как однотонных, так и цветных изображений, но имеют невысокую скорость работы. Постепенно перьевые и шариковые узлы плоттеров вытесняются струйными узлами, которые аналогичны узлам струйных принтеров.

2.8.4. Устройства поддержки безбумажных технологий

До появления электронных носителей информации основные средством сохранения документов являлась бумага. Перевод бумажных документов в электронные копии позволит сохранять их практически вечно. Кроме того, развитие глобальной сети позволяет обмениваться информацией только в электронном виде. Поэтому устройства, преобразующие бумажные документы в электронные копии и снабжённые системами автоматического распознавания текста, являются необходимыми элементами создания систем безбумажной технологии.

Наиболее распространёнными устройства для решения задачи перевода бумажных документов в электронные копии являются сканеры. Сканеры весьма разнообразны, и их можно классифицировать по целому ряду признаков. Прежде всего, сканеры бывают черно-белые и цветные.

Чёрно-белые сканеры могут считывать штриховые и полутоновые изображения. Полутоновые изображения могут иметь до 256 градаций серого цвета. В цветных сканерах сканируемое изображение освещается через вращающийся светофильтр, воспринимающий последовательно три основных цвета, или тремя последовательно зажигаемыми лампами красного, зелёного и голубого цветов.

Характеристика сканеров

Разрешающая способность, измеряющаяся количеством различаемых точек на дюйм изображения, и составляет от 75 до 1600 dpi. Высокое разрешение необходимо для комфортного визуального восприятия. Для нормальной работы программ распознавания образов, и, в частности, распознавания текстов, которым снабжаются сканеры, вполне достаточно разрешающей способности в 300-600 dpi. Для публикации картинок на web-сайтах Интернета достаточно разрешения 80 dpi. Увеличение разрешения улучшает качество, но резко увеличивает размер файла.

Скорость сканирования документа. Измеряется в количестве секунд, затрачиваемых на сканирование одной страницы. Снижается скорость сканирования и при увеличении разрешающей способности сканера.

Конструктивно сканеры делятся на три типа: ручные, планшетные и роликовые. Ручные сканеры перемещаются по изображению вручную. Они выполнены в виде блока с рукояткой, который "прокатывают" по изображению. За один проход сканируется лишь часть изображения, так как ширина сканирования не превышает 105 мм. Всё изображение сканируется за несколько проходов. Специальное программное обеспечение, поставляемо вместе со сканерами позволяет совмещать части отсканированного изображения. Ручные сканеры имеют малые габариты и низкую стоимость и позволяют сканировать изображения любого размера, но могут возникать искажения при совмещении частей изображения.

Планшетные сканеры являются наиболее распространённым типом сканера. В них сканирующая головка (линейка светодиодов) перемещается относительно неподвижного оригинала, который помещается на прозрачное стеклянное основание. Достоинство таких сканеров заключается в том, что с их помощью можно сканировать и листовые и сброшюрованные документы (книги). Скорость сканирования таких сканеров составляет 2-10 секунд на страницу формата А4. К недостаткам планшетных сканеров можно отнести необходимость ручного позиционирования каждой страницы оригинала.

Роликовые сканеры используются для пакетной обработки листовых документов. В них подача очередного листа для сканирования происходит автоматически. Сканирующая головка в таких сканерах неподвижна, а лист оригинала перемещается относительно неё. К недостаткам роликовых сканеров можно отнести проблему выравнивания листов и сложность работы с листами нестандартного размера.

2.8.5. Устройства обработки звуковой информации

Звуковая карта обеспечивает запись и воспроизведение звуковой информации с качеством не хуже того, который обеспечивает звуковой компакт-диск. Имеет 16-битный стереофонический цифро-аналоговый и аналого-цифровой преобразователи для записи и воспроизведения звуковой информации с цифрового или аналогового носителей и микрофона. Поддерживает функции создания звуковых эффектов для игровых программ. Имеет стандартные выходы для подключения акустической системы компьютера и внешних усилителей звуковых частот.

Звуковая карта работает в трёх основных режимах: создание, запись и воспроизведение звуковых сигналов.

В режиме создания звука плата действует как музыкальный инструмент, синтезирующий сложный звуковой сигнал.

В режиме записи звуковая карта принимает звук от внешнего источника и производит его оцифровку, то есть преобразует его из аналоговой (непрерывной) формы в цифровую (дискретную) и сохраняет числовые данные виде файлов на диски. Качество оцифрованного звука во многом зависит от разрядности преобразования и частоты дискретизации.

При воспроизведении звуковая карта может принимать оцифрованный или непрерывный сигнал. Для этого карта имеет специальные разъёмы для подключения источников непрерывного сигнала, вход для подключения выход CD-диска и усилитель, позволяющий выводить сигнал на внешние акустические системы.

Качество оцифровываемого и воспроизводимого сигнала зависит от таких параметров звуковой карты, как частота дискретизация, которая должна составлять не менее 44 кГц, разрядность оцифрованного сигнала (12-16 бит) и возможность стереофонической записи и воспроизведения.

2.8.7. Устройства для соединения компьютеров в сеть

Модем.

Одной из популярных областей применения персонального компьютера является работа в глобальной сети Internet. К ней компьютер подключается по обычной телефонной или специальной линии с помощью устройства, которое называется модем (Модулятор + ДЕМодулятор). Цифровые данные, поступающие в модем из компьютера, преобразуются в нём путём модуляции в специальный непрерывный сигнал, который и направляется в линию передачи. Модем-приёмник осуществляет обратное преобразование сигнала (демодуляцию) и пересылает восстановленные цифровые данные в свой компьютер. Скорость передачи данных современными модемами составляет 33 600 или 56 000 бит в секунду и зависит от поддерживаемого модемом протокола передачи. Модем конструктивно может быть выполнен как отдельное устройство, подключаемое к компьютеру через один из его стандартных последовательных входов или как внутреннее устройство, размещаемое внутри системного блока компьютера.

Развивающиеся цифровые технологии передачи данных, требующие значительно больших скоростей передачи и качества связи, требуют использования цифровых модемов. Цифровые модемы не являются действительно модуляторами-демодуляторами сигналов, так как и на входе и на выходе имеют импульсный сигнал. Они выпускаются разных модификаций для конкретных цифровых сетей и их скорость передатчик составляет от 300 Кбит/С до 2-5 Мбит/С. Выпускаются также сотовые модемы для работы в системе сотовой связи, и радиомодемы, которые осуществляют приём и передачу в пределах прямой видимости пары модемов и работают на ультракоротких волнах.

Сетевая карта.

Если компьютеры объединяются в сеть, для которой прокладывается специальный кабель, то вместо модема можно использовать специальные платы расширения, вставляемые в слот расширения системной платы. Такие платы называются сетевыми адаптерами или сетевыми картами. Скорость передачи данных по сети через сетевые карты составляет 10 – 100 Мбит/С.

Сетевая карта имеет свой уникальный адрес, который однозначно определяет адрес локального компьютера в сети. Она преобразует данные, поступающие к ней от компьютера в специальные пакеты – кадры, пересылает их адресату, то есть другой сетевой карте и отвечает за надёжную доставку указанному адресату по сети. Так как функции, которые выполняет сетевая карта, достаточно сложны, в её состав включен специализированный процессор, обеспечивающий высокоскоростную аппаратную поддержку выполнения этих функций. При выборе сетевой карты основным параметром является тип сети, в состав которой будет включен локальный компьютер. Известные стандартные типы локальных сетей, такие как FDDI, Ethernet и др., несовместимы между собой, и каждая сетевая карта поддерживает только определённый вид локальной сети.

48