6.3. Некоторые задачи информационного моделирования

В табл. 6. 1 представлена последовательность этапов информационного моделирования. Без информационного моделирования очень трудно или вообще нельзя решить некоторые задачи

1) прогнозирование: поиск ответа на вопросы: «Что будет через какое-то время?» или «Что будет, если...?»;

2) определение влияния одних факторов на другие.

3) поиск оптимальных решений: ответ на вопрос: «Как спланировать производство, чтобы достичь оптимального значения какого-то показателя?

7. Аппаратное обеспечение пк

7.1. Архитектура фон Неймана

Архитектура ЭВМ –– это описание совокупности устройств и блоков ЭВМ, связей между ними, а также описание принципа действия ЭВМ.

Большинство современных ЭВМ строится на базе принципов, сформулированных американским ученым Джоном фон Нейманом. В целом, эти принципы сводятся к следующему.

1. Основными блоками вычислительной машины являются устройство управления (УУ), арифметическо-логическое устройство (АЛУ), память и устройства ввода-вывода.

Рис. 7.1. Архитектура фон Неймана

АЛУ может выполнять определенный набор команд, которые отвечают арифметическим и логическим операциям. Результат выполненной команды сохраняется в АЛУ до прихода следующей команды.

УУ обеспечивает чтение и запись информации в ячейки памяти. Оно также формирует сигналы для управления работой АЛУ и работой внешних устройств.

2. Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы, называемые программой.

3. Алгоритм представлен в форме последовательности команд, совокупность которых называется программой.

4. Программа и данные хранятся в одной и той же памяти.

5. УУ и АЛУ объединяются в одно, называемое центральным процессором.

7.2. Аппаратная реализация пк

Совокупность материальных компонент компьютера, в которых реализуются различные информационные процессы, называется аппаратным обеспечением, или оборудованием персонального компьютера (ПК).

Современный персональный компьютер состоит из нескольких основных элементов:

– системного блока, который включает в себя средства для выполнения команд и обработки данных, накопители для хранения программ и данных и устройства, управляющие другими блоками компьютера;

– монитора (дисплея), предназначенного для вывода визуальной информации;

– клавиатуры, позволяющей вводить в компьютер алфавитно-цифровую информацию и специальные символы;

– манипулятора-мыши, предназначенного для ввода информации в компьютер при помощи его передвижения по столу и нажатия имеющихся кнопок.

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты.

Системный блок, как правило, вмещает в себя следующие узлы:

– электронные схемы, управляющие работой ПК (микропроцессор, память, материнская плата, системная шина и др.);

– накопители на жестких и гибких магнитных дисках, на оптических дисках (CD-ROM);

– блок питания, преобразующий переменное напряжение сети в низкое постоянное напряжение, необходимое для работы электронных схем;

– система вентиляции, обеспечивающая необходимый температурный режим для микропроцессора (МП) и других электронных узлов ПК;

– дополнительные узлы: дисковод для компакт-дисков, звуковая карта, внутренний модем и др.

Типичный системный блок показан на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Системный блок (вид спереди)

Размещение внутри блока перечисленных узлов зависит от типа корпуса системного блока. Чаще всего используется высокий вертикальный корпус tower, что в переводе означает «башня». На передней панели системного блока имеются кнопки, например, Power (питание) и Reset (перезапуск), а также индикаторные лампочки Power (сигнализирует о включенном питании) и HDD (сигнализирует о работе жесткого диска). На ряде корпусов имеется кнопка Turbo и цифровой индикатор, указывающий тактовую частоту работы МП.

На задней стороне системного блока (рис. 7.3.) находится ряд разъемов, и каждый из них имеет строго определенное значение. Два самых крупных разъема черного цвета (3 контакта) отвечают за подключение сетевого шнура, и шнура питания. Остальные разъемы относятся к определенным устройствам (звуковая карта, модем, видеокарта), или относятся к портам компьютера (LPT, COM, USB, PS/2), или подключается клавиатура. Каждый из разъемов различаются по количеству штырьков или по конструктивным особенностям.

Рис. 7.3. Системный блок (вид сзади)

Оборудование, которое расположено вне системного блока, относится к внешним устройствам ввода-вывода. Это оборудование также называют дополнительными или периферийными устройствами. Однако к периферийным можно отнести и некоторые устройства внутри самого системного блока. В первую очередь, это все типы накопителей.

Материнская (системная плата)

Основным узлом в системном блоке является материнская плата (motherboard, mainboard). На ней располагаются:

– процессор –– основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций;

– микропроцессорный комплект (чипсет) –– набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы;

– шины –– наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;

– оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) –– набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен;

– ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) –– микросхема, предназначенная для длительного хранения, в том числе и когда компьютер выключен;

– разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты).

Соединения элементов между собой осуществляются полосками фольги с обратной стороны платы (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Материнская плата Tomato

Процессор

Центральным устройством в компьютере является процессор (микропроцессор). Это самая большая по габаритам микросхема, которая размещена на материнской плате. В современных компьютерах над корпусом микропроцессора (МП) располагается небольшой вентилятор, обеспечивающий охлаждение компонентов этой микросхемы в процессе работы. К материнской плате МП подключается с помощью специальных разъемов. На корпусе МП обычно указывается тип процессора, например Pentium. По типу МП называется и сам компьютер (рис. 7.5).

  Рис. 7.5. Микропроцессор Pentium 4: вид сверху (слева) и

вид снизу (справа)

Микропроцессор выполняет две основные функции. Во-первых, он осуществляет вычисления согласно программе, хранящейся в оперативной памяти. Во-вторых, МП обеспечивает общее управление компьютером и вычислительными процессами. Соответственно, в МП имеются арифметико-логическое устройства (АЛУ) и устройство управления (УУ), известные по вычислительной машине фон Неймана.

Элементарные операции МП выполняет по тактам. Продолжительность одного такта работы МП задается тактовой частотой. Измеряется тактовая частота в мегагерцах (МГц). Один мегагерц отвечает 1 миллиону колебаний в секунду или в случае микропроцессора –– 1 миллиону операций в секунду.

Тактовая частота генерируется электронным устройством, называемым тактовым генератором. Чем выше тактовая частота, тем меньше длительность такта и тем выше быстродействие МП.

Микропроцессор изготавливается на полупроводниковом кристалле кремния в виде большой интегральной схемы. Микросхема процессора Intel 8088, применявшегося в первых ПК, содержала одних транзисторов 3,5 тысячи. Схемы современных процессоров Pentium вмещают уже свыше 3 миллионов транзисторов.

Помимо тактовой частоты, важнейшей характеристикой микропроцессора является его разрядность.

Разрядность –– это количество разрядов в двоичных числах (или количество бит), которые обрабатывает процессор за один такт.

Напомним, что процессор оперирует с двоичными числами, а двоичные числа представляются в виде последовательности 0 и 1, например, 1011 или 10011010. Каждая цифра в двоичном числе записывается в свой разряд. Всего в числе 1011 имеется четыре разряда, а в 10011010 –– восемь разрядов.

Двоичные числа, которые обрабатываются МП в течение одного такта и которыми МП обменивается с памятью, называются словами. Слово может составлять 1 байт или 2 байта. Микропроцессоры первых ПК являлись 8-разрядными, все современные модели МП уже 32-разрядные. В настоящее время существуют и 64-разрядные МП.

В компьютерах типа IBM PC используют МП фирмы Intel, а также совместимые с ними модели МП других фирм (AMD, Cyrix и др.). Приведем перечень МП фирмы Intel в порядке возрастания производительности: Intel 8088, 80286, 80386 (SX и DX), 80486 (SX, SX2, DX, DX2 и DX4), Pentium, Celeron, Pentium II, MMX, Pentium III, Pentium IV. Большинство выпускаемых сейчас процессоров для IBM PC-совместимых компьютеров основано на микропроцессорах Pentium, Celeron.

Системная шина

Связь и обмен информацией всех узлов компьютера организуется с помощью системной шины (магистрали) (рис. 7.6). Системная шина связывает, в первую очередь, МП со всеми узлами. Кроме того, через системную шину узлы связываются между собой. Магистраль включает в себя следующие три шины.

Шина управления служит для управления со стороны МП всеми системами и процессами, происходящими в компьютере.

Шина адреса (адресная шина) служит для взаимодействия МП с памятью, осуществляет выбор нужной ячейки памяти, а также портов ввода-вывода.

Шина данных служит для взаимодействия МП с устройствами ввода-вывода, передает информацию от МП к устройству либо, наоборот, от устройства к МП.

Рис. 7.6. Связь узлов компьютера через системную шину

Рассмотрим схему обмена информацией между МП и ОЗУ (рис. 7.7). Последовательность работы этой схемы очень проста. Процессор сигнализирует по шине управления в ОЗУ о том, что он собирается считать данные, расположенные по определенному адресу (то есть в определенной ячейке). ОЗУ в ответ сообщает, что эти данные доступны. Затем МП по адресной шине сообщает адрес нужных ячеек в памяти, а по шине данных считывает информацию из ячеек.

Шина управления

Шина адреса

Шина данных

Рис. 7.7. Схема обмена информацией между памятью и микропроцессором

Память

На материнской плате размещаются устройства памяти, которые предназначены для хранения информации. Напомним, что любая информация записывается в память компьютера в виде двоичных чисел 0 и 1. В таком виде представляются программы и различные данные: документы, картинки, звук и т.д.

Размещение информации в памяти называется записью, а получение информации из памяти –– чтением или считыванием.

При записи предыдущие данные, хранящиеся в ячейках памяти, стираются. Записанные данные будут храниться в ячейках до тех пор, пока поверх них в те же ячейки не будут записаны новые данные. Сам процесс записи или считывания занимает очень небольшой промежуток времени, меньший сотни наносекунд (1 наносекунда –– миллиардная доля секунды). То есть устройства оперативной памяти характеризуются высоким быстродействием. Быстродействие –– это очень важная характеристика памяти, от нее зависят скорость и производительность работы всего компьютера.

Другой важной характеристикой памяти является ее объем, или, другими словами, емкость. Эта величина измеряется в байтах. Микропроцессор за один такт своей работы обрабатывает слово, состоящее из 1 байта. Такими же порциями информации (кратными 1 байту) МП обменивается с памятью. Запоминающие устройства конструктивно построены так, что физическая ячейка памяти способна воспринять порцию информации в 1 байт. Этой емкости памяти достаточно для записи в нее символа, вводимого с клавиатуры.

Физически память выполнена в виде отдельных микросхем –– запоминающих устройств (ЗУ), подключаемых к материнской плате с помощью специальных разъемов. ЗУ подразделяются на постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и внешнее запоминающее устройство (ОЗУ).

Постоянная память

Постоянная память или постоянное запоминающее устройство, ПЗУ, располагается на материнской плате. В современной литературе распространено сокращение ROM (Read Only Memory, что в переводе обозначает память только для чтения). Информация в ПЗУ записывается обычно производителем компьютера и служит, например, для начальной загрузки компьютера после его включения, для управления экранным изображением и т.д.

В ПЗУ хранится программа POST. При включении компьютера должны выполняться одни и те же стандартные операции: тестирование, настройка необходимых параметров используемого в данном компьютере оборудования и загрузка операционной системы. Эти действия при включении питания всегда выполняет одна и та же, заранее определенная программа, которая в IBM-совместимых компьютерах носит название POST.

Помимо программы POST в ROM хранятся подпрограммы –– процедуры, обеспечивающие операционной системе и приложениям стандартизованный доступ к любому оборудованию персонального компьютера. Необходимость в такой стандартизации возникает потому, что требуется обеспечить для выполняемых программ одинаковый, не зависящий от фирмы-производителя доступ к оборудованию. Совокупность процедур и программы POST называется базовой системой ввода-вывода (Basic Input Output System, BIOS).

Сегодня в качестве ROM наиболее широко используется флэш-память –– Flash Memory. Эта память может хранить данные при выключенном питании более ста лет. Информация в такой памяти может стираться и перезаписываться без специальных приспособлений, прямо на материнской плате, что дает возможность в случае необходимости легко обновить версию BIOS.

Разновидность постоянного запоминающего устройства — CMOS RAM.

CMOS RAM — это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы.

Рис. 7.8. Интегральные схемы BIOS и CMOS

Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS.

Оперативная память

Оперативная память является важнейшей составляющей компьютера. Процессор не может работать без памяти. Любое приложение при запуске переписывается с диска в оперативную память и только после этого выполняется. После выключения компьютера данные в оперативной памяти не сохраняются.

Оперативная память располагается на материнской плате. Ее также называют ОЗУ, от слов Оперативное запоминающее устройство, или RAM от слов Random Access Memory, что означает «память с произвольным доступом», т.е. ячейки RAM доступны процессору в любом порядке. Оперативная память чаще всего конструктивно выполнена в виде отдельных модулей, которые устанавливаются в специальные разъемы материнской платы –– слоты, хотя и встречаются разновидности материнских плат, на которых микросхемы памяти уже установлены прямо на плату. Используются три разновидности таких модулей: SIMM, DIMM и RIMM. Модули представляют собой небольшие печатные платы, на которые установлены один или несколько чипов оперативной памяти. Устанавливая дополнительные модули памяти или заменяя их на более емкие, пользователь может увеличивать объем памяти.

Модули SIMM (Single In-line Memory Module) характеризуются однорядным положением микросхем (однорядные модули). Они обычно имеют 32-битную шину (36 бит с учетом контрольных разрядов) данных и должны устанавливаться парами одинаковой емкости. В противном случае компьютер может не запуститься. Для подключения SIMM требуется 72-х разрядный коннектор.

Модули DIMM (Dual In-line Memory Module) –– модули памяти, расположенные в две линии (двухрядные модули). Это небольшие платы с размещенными на них микросхемами памяти (рис. 7.9). С одной стороны платы расположены контактные площадки, которые вставляются в специальный разъем на материнской плате. Эти модули могут иметь объем от 16 до 128 Мбайт и выше и не требуют парной установки. Обычно имеют 64-битную шину данных 168-разрядный коннектор.

Рис. 7.9. Микросхемы памяти: а) RIMM; б) DIMM

a) б)

В ближайшем будущем модули DIMM полностью вытеснят модули SIMM, так как в современных персональных компьютерах в качестве RAM устанавливается быстродействующая синхронная динамическая память с произвольным доступом (SDRAM, Synchronous Dynamic RAM). В настоящее время такая память выпускается только в виде модулей типа DIMM.

RIMM-модуль (Rambus In-Line Memory Module) –– новый высокоскоростной модуль оперативной памяти, разработанный компанией Rambus совместно с Intel. (см. рис. 7.9а). На материнской плате могут размещаться до трех RIMM-модулей.

Кэш-память

Для повышения производительности компьютера, имеющего быстродействующий процессор и медленную оперативную память, был разработан механизм доступа к RAM, использующий промежуточную быстродействующую кэш-память.

Кэш (англ. cache), или сверхоперативная память — очень быстрое ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью.

Внешняя память персонального компьютера

Для хранения информации (программ и данных) в IBM PC-совместимых компьютерах используют различного рода устройства, которые относят к внешней памяти ПК. При этом под внутренней памятью подразумевают, прежде всего, оперативную память (то есть ОЗУ). Внешняя память является, как правило, долговременной. Если в оперативной памяти данные хранятся не дольше времени работы программы, то во внешней памяти информация может храниться месяцами и годами. По этой причине устройства внешней памяти называют также накопителями. Еще одно отличие внешней памяти от оперативной памяти состоит в том, что она является энергозависимой, то есть при отключении питания данные, содержащиеся во внешней памяти, сохраняются.

Накопитель –– это устройство, состоящее из носителя информации и привода. Привод представляет собой совокупность механических и электронных компонент: корпуса, двигателя, считывающей головки, электронной схемы (контроллера) и др.

Устройства внешней памяти различаются, прежде всего, по типу носителя информации, например:

– жесткие магнитные диски (винчестеры);

– гибкие магнитные диски;

– оптические компакт-диски (CD-ROM);

– магнитные ленты.

Важными характеристиками устройств внешней памяти являются их емкость и время доступа к информации.

Накопители, в которых время доступа к информации зависит от ее местоположения на носителе, называются устройствами с последовательным доступом. Пример такого устройства –– магнитная лента.

Хранение информации на магнитных дисках

Магнитные диски своим названием обязаны наличию тонкого магнитного слоя на своей поверхности. Информация записывается в различные участки этого магнитного слоя. Запись производится по концентрическим окружностям –– дорожкам (трекам) (рис. 7.10). Все концентрические дорожки разбиваются на участки дуги, которые называются секторами. Сектор –– это наименьший физический участок поверхности диска, на который может быть произведена запись данных.

Рис. 7.10. Поверхность магнитного диска

Ёмкость сектора постоянна и составляет 512 байтов. Чем больше секторов и дорожек на диске, тем большее количество информации можно разместить. Большинство накопителей на магнитных дисках имеют более чем одну активную рабочую поверхность. Например, на гибких дисках магнитный слой может наноситься с двух сторон, а в винчестерах имеется не один диск, а целый набор дисков.

Новые магнитные диски, как правило, не имеют правильной разметки на дорожки и секторы. Такая разметка диска, которая называется форматированием, выполняется обычно пользователем. В процессе форматирования созданным дорожкам и секторам присваиваются номера, причем начало каждого сектора помечается специальным байтом –– байтом синхронизации. Если при форматировании на поверхности диска обнаруживаются дефектные места, то на них будет поставлена определенная электронная метка, и на них в дальнейшем информация записываться не будет.

Накопители на жестких магнитных дисках (винчестеры)

Рис. 7.11. Винчестер

Операционная система и все запускаемые приложения должны быть доступны процессору для их загрузки в оперативную память и последующего выполнения. При этом они должны сохраняться и после выключения компьютера. Наиболее подходящим для этого местом хранения являются носители на жестких магнитных дисках –– НЖМД, или винчестеры (рис. 7.11).

Винчестер (жесткий диск) имеет один или несколько плоских магнитных дисков, к которым подводятся головки чтения-записи. Эти головки находятся на специальном держателе –– позиционере, который напоминает рычаг звукоснимателя в проигрывателе грампластинок.

Диски винчестера укреплены на одной оси, которая вращается двигателем. Скорость вращения дисков очень высока и составляет от 60 до 120 об/с. Чем выше скорость вращения, тем больше может быть скорость чтения-записи информации. Благодаря высокой скорости вращения между дисками и головками создается поток воздуха, который приподнимает легкие головки, и они как бы «летят» над вращающимся диском.

Большая скорость вращения, множество головок и быстрое их позиционирование обеспечивает минимальное время доступа к информации, хранящейся на винчестере среди других современных устройств долговременного хранения данных. Это предопределяет их повсеместное применение в компьютерах в качестве долговременной памяти.

Винчестер имеет очень большую ёмкость: от 10 до 100 Гбайт и выше. У современных моделей скорость вращения шпинделя (вращающего вала) обычно составляет 7200 об/мин, среднее время поиска данных 9 мс, средняя скорость передачи данных до 60 Мбайт/с. Винчестер связан с процессором через контроллер жесткого диска.

В последнее время всё шире используются накопители на сменных дисках, которые позволяют не только увеличивать объём хранимой информации, но и переносить информацию между компьютерами. Объём сменных дисков — от сотен Мбайт до нескольких Гбайт.

На жестком диске ПК обычно размещается операционная система, которая загружается в память сразу после включения компьютера.

Диск, на котором расположена операционная система, называется системным, и ему присваивается имя, обозначаемое буквой С.

Каждый жесткий диск может для удобства быть разбит на несколько разделов. Выполняется разбиение с помощью специальной программы. Образовавшиеся разделы жесткого диска называются логическими дисками. Им присваиваются буквы: C, D, E, F, G… Логический диск с буквой С, при этом, по-прежнему остается системным.

Накопители на гибких магнитных дисках

Для хранения небольших объемов информации и переноса их с одного компьютера на другой используются гибкие магнитные диски (дискеты), которые вставляются в специальный накопитель –– дисковод. Приемное отверстие накопителя находится на лицевой панели системного блока. Правильное направление подачи гибкого диска отмечено стрелкой на его пластиковом кожухе.

Гибкие магнитные диски называются также флоппи-дисками (от английского слова floppy –– свободно висящий). Флоппи-диски были разработаны еще до появления ПК. Первые IBM PC уже оснащались приводами для таких дисков, имевшими диаметр 5,25 дюйма (133 мм). Емкость первых дисков была невелика, она составляла всего 160 Кбайт. Магнитный слой на них был нанесен только с одной стороны.

Сейчас используются в основном флоппи-диски диаметром 3,5 дюйма (89 мм) с двусторонним магнитным покрытием. Эти дискеты выпускаются, как правило, в исполнении HD-типа (High Density –– высокая плотность) и имеют емкость 1,44 Мбайта.

На пластмассовом корпусе трехдюймовых дискет имеется подвижная пластинка (металлическая или пластмассовая), которая закрывает окошко для считывания и записи. Когда дискета вставляется в дисковод, эта пластинка автоматически отодвигается. По обе стороны от этикетки расположены два отверстия. Одно отверстие –– простое, оно обозначает, что данная дискета HD-типа. Другое отверстие имеет маленькую пластмассовую задвижку. Когда эта задвижка закрыта (отверстия нет), на дискету можно производить запись. Если же задвижка открыта (имеется сквозное отверстие), то дискета защищена от записи, и с нее можно производить только считывание информации.

На обратной стороне дискеты находится вращающий кружок для фиксации в приводе. Очень важно правильно вставлять дискету в щель дисковода: защитной пластинкой вперед и вращающимся кружком фиксации диска вниз.

Рис. 7.12. Устройство дискеты

Дискета состоит из круглой полимерной подложки (рис. 7.12), 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.

Конструкция привода гибких дисков похожа на конструкцию винчестера: чтение-запись осуществляется с помощью головок, а в приводе диска имеется также два двигателя, обеспечивающих вращение диска и позиционирование головок. Однако скорость вращения гибкого диска на порядок меньше скорости вращения жесткого диска и составляет 5–6 об/с. Поэтому работа компьютера с дискетой происходит значительно медленнее, чем с жестким диском.

Гибкие диски считаются малонадежными носителями информации. Пыль, грязь, влага, температурные перепады и внешние электромагнитные поля очень часто становятся причиной частичной или полной утраты данных, хранившихся на гибком диске. Поэтому использовать гибкие диски в качестве основного средства хранения информации недопустимо. Их используют только для транспортировки информации или в качестве дополнительного (резервного) средства хранения.

Фирма Iomega выпустила накопитель Zip, который, возможно, станет основным накопителем на гибких дисках в ЭВМ следующего поколения. На сменных дисках накопителя Zip помещается 100 Мбайтов информации.

Аналогичную задачу решают флоптические диски. Они выглядят как обычные 3,5-дюймовые магнитные диски, но позволяют записывать до 120 Мбайтов информации. Во флоптических дисководах используется обычная магнитная запись, однако позиционирование головки осуществляется с помощью лазера.

Накопители на компакт-дисках

Рис. 7.13. Накопитель CD-ROM Рис. 7.14. CD-ROM

Большинство современных ПК оборудуются приводом CD-ROM для компакт-дисков (рис. 7.13). Сокращение CD-ROM образовано двумя буквенными обозначениями: CD –– Compakt-Disk (компакт-диск) и ROM –– Read Only Memory (память только для чтения). Компакт диски, для которых предназначены приводы CD-ROM, выполнены по лазерной технологии, поэтому их еще называют лазерными дисками (рис. 7.14). CD-ROM представляет собой прозрачный полимерный диск диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм, на одну сторону которого напылен светоотражающий слой алюминия, защищенный от повреждений слоем прозрачного лака. Толщина напыления составляет несколько десятитысячных долей миллиметра.

Информация на диске представляется в виде последовательности впадин (углублений в диске) и выступов (их уровень соответствует поверхности диска), расположенных на спиральной дорожке, выходящей из области вблизи оси диска. На каждом дюйме (2,54 см) по радиусу диска размещается 16 тысяч витков спиральной дорожки. Для сравнения — на поверхности жесткого диска на дюйме по радиусу помещается лишь несколько сотен дорожек. Емкость CD достигает 780 Мбайт. Информация наносится на диск при его изготовлении и не может быть изменена.

CD-ROM обладают высокой удельной информационной емкостью, что позволяет создавать на их основе справочные системы и учебные комплексы с большой иллюстративной базой. Один CD по информационной емкости равен почти 500 дискетам. Cчитывание информации с CD-ROM происходит с достаточно высокой скоростью, хотя и заметно меньшей, чем скорость работы накопителей на жестком диске. CD-ROM просты и удобны в работе, имеют низкую удельную стоимость хранения данных, практически не изнашиваются, не могут быть поражены вирусами, c них невозможно случайно стереть информацию.

В отличие от магнитных дисков, компакт-диски имеют не множество кольцевых дорожек, а одну — спиральную, как у грампластинок. В связи с этим, угловая скорость вращения диска не постоянна. Она линейно уменьшается в процессе продвижения читающей лазерной головки к краю диска.

Cегодня почти все персональные компьютеры имеют накопитель CD-ROM. Но многие мультимедийные интерактивные программы слишком велики, чтобы поместиться на одном CD. На смену технологии СD-ROM стремительно идет технология цифровых видеодисков DVD. Эти диски имеют тот же размер, что и обычные CD, но вмещают до 17 Гбайт данных, т.е. по объему заменяют 20 стандартных дисков CD-ROM. На таких дисках выпускаются мультимедийные игры и интерактивные видеофильмы отличного качества, позволяющие зрителю просматривать эпизоды под разными углами камеры, выбирать различные варианты окончания картины, знакомиться с биографиями снявшихся актеров, наслаждаться великолепным качеством звука.

Наряду с CD-ROM существуют следующие устройства.

Записывающий накопитель CD-R (Compact Disk Recordable) способен, наряду с прочтением обычных компакт-дисков, записывать информацию однократно на специальные оптические диски емкостью 650 Мбайт. В дисках CD-R отражающий слой выполнен из золотой пленки. Между этим слоем и поликарбонатной основой расположен регистрирующий слой из органического материала, темнеющего при нагревании. В процессе записи лазерный луч нагревает выбранные точки слоя, которые темнеют и перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные впадинам. Накопители CD-R, благодаря сильному удешевлению, приобретают все большее распространение. Существуют также устройства многократной записи CD-RW.

Рис. 7.14. Накопитель CD-MO

Накопитель на магнито-оптических компакт-дисках СD-MO (Compact Disk — Magneto Optical) (рис. 7.14). Диски СD-MO можно многократно использовать для записи. Ёмкость от 128 Мбайт до 2,6 Гбайт.

Накопители на магнитной ленте (стримеры)

Стример (англ. tape streamer) — устройство для резервного копирования больших объёмов информации. В качестве носителя здесь применяются кассеты с магнитной лентой ёмкостью 1–2 Гбайта и больше.

Стримеры позволяют записать на небольшую кассету с магнитной лентой огромное количество информации. Встроенные в стример средства аппаратного сжатия позволяют автоматически уплотнять информацию перед её записью и восстанавливать после считывания, что увеличивает объём сохраняемой информации.

Недостатком стримеров является их сравнительно низкая скорость записи, поиска и считывания информации.

Порты

Подключение к ПК внешних устройств (монитора, мыши, клавиатуры, принтера, модема и т.д.) выполняется через специальные интерфейсы, то есть устройства сопряжения. Соответствующие разъемы для подключения располагаются на задней стенке системного блока.

Существуют последовательные и параллельные порты, которые различаются способом передачи данных. Для последовательного порта характера последовательная во времени передача данных (бит за битом), а для параллельного –– одновременная передача нескольких битов (порции по 8 битов, то есть по одному байту).

Через последовательные порты к системному блоку подключаются мышь, джойстик, модем и другие периферийные устройства. Обозначается последовательный порт как COM (COMmunication port). Если в компьютере имеется несколько последовательных портов, то они имеют имена от COM1 до COM4. Поскольку последовательная передача данных применяется при обмене информацией на больших расстояниях, COM-порты могут использоваться для связи с удаленным принтером или с каким-либо другим устройством.

Параллельные порты в IBM-совместимом компьютере служат обычно для подключения принтера. Поэтому этот порт называют также принтер-портом и обозначают как LTP (Line PrinTer –– линия принтера). В некоторых случаях параллельный порт может использоваться для подключения сканера и плоттера.

Устройства ввода

Наиболее универсальным устройством ввода информации является клавиатура. Клавиатура позволяет вводить числовую и текстовую информацию, кроме того, с помощью клавиатуры пользователь может управлять работой компьютера. К устройства ввода относятся также манипуляторы типа мышь, трекболы и джойстики. Точный ввод рисунков и чертежей можно выполнять с помощью дигитайзеров. Для оптического считывания изображений и преобразования в цифровой код используются сканеры. Последние годы все большее распространение получают видеокамеры и фотоаппараты. Для ввода звуковой информации используется микрофон, который подключается к входу звуковой платы. Чтобы работать с тем или иным внешним устройством ввода-вывода, необходима специальная программа, называемая драйвером.

Драйвер –– это программа, управляющая работой устройства. После первого подключения устройства к ПК нужно выполнить установку соответствующего драйвера.

Клавиатура

Клавиатура компьютера — устройство для ввода информации в компьютер и подачи управляющих сигналов. Содержит стандартный набор клавиш печатной машинки и некоторые дополнительные клавиши — управляющие и функциональные клавиши, клавиши управления курсором и малую цифровую клавиатуру (рис. 7.15).

Все символы, набираемые на клавиатуре, немедленно отображаются на мониторе в позиции курсора (курсор — светящийся символ на экране монитора, указывающий позицию, на которой будет отображаться следующий вводимый с клавиатуры знак).

Клавиатура имеет 12 функциональных клавиш, расположенных вдоль верхнего края. Нажатие функциональной клавиши приводит к посылке в компьютер не одного символа, а целой совокупности символов. Функциональные клавиши могут программироваться пользователем. Например, во многих программах для получения помощи (подсказки) задействована клавиша F1, а для выхода из программы — клавиша F10.

Рис. 7.15. Клавиатура компьютера

Управляющие клавиши имеют следующее назначение:

Enter — клавиша ввода;

Esc (Escape — выход) –– клавиша для отмены каких-либо действий, выхода из программы, из меню и т.п.;

Ctrl и Alt — эти клавиши самостоятельного значения не имеют, но при нажатии совместно с другими управляющими клавишами изменяют их действие;

Shift (регистр) — обеспечивает смену регистра клавиш (верхнего на нижний и наоборот);

Insert (вставлять) — переключает режимы вставки (новые cимволы вводятся посреди уже набранных, раздвигая их) и замены (старые символы замещаются новыми);

Delete (удалять) — удаляет символ с позиции курсора;

Back Space или — удаляет символ перед курсором;

Home и End — обеспечивают перемещение курсора в первую и последнюю позицию строки, соответственно;

Page Up и Page Down — обеспечивают перемещение по тексту на одну страницу (один экран) назад и вперед, соответственно;

Tab — клавиша табуляции обеспечивает перемещение курсора вправо сразу на несколько позиций до очередной позиции табуляции;

Caps Lock — фиксирует верхний регистр, обеспечивает ввод прописных букв вместо строчных;

Print Screen — обеспечивает печать информации, видимой в текущий момент на экране;

Длинная нижняя клавиша без названия — предназначена для ввода пробелов;

Клавиши , , и служат для перемещения курсора вверх, вниз, влево и вправо на одну позицию или строку.

Малая цифровая клавиатура используется в двух режимах — ввода чисел и управления курсором. Переключение этих режимов осуществляется клавишей Num Lock.

Клавиатура содержит встроенный микроконтроллер (местное устройство управления), который выполняет следующие функции:

– последовательно опрашивает клавиши, считывая введенный сигнал и вырабатывая двоичный скан-код клавиши;

– управляет световыми индикаторами клавиатуры;

– проводит внутреннюю диагностику неисправностей;

– осуществляет взаимодействие с центральным процессором через порт ввода-вывода клавиатуры.

Клавиатура имеет встроенный буфер — промежуточную память малого размера, куда помещаются введённые символы. В случае переполнения буфера нажатие клавиши будет сопровождаться звуковым сигналом — это означает, что символ не введён (отвергнут). Работу клавиатуры поддерживают специальные программы, "зашитые" в BIOS, а также драйвер клавиатуры, который обеспечивает возможность ввода русских букв, управление скоростью работы клавиатуры и др.

Манипуляторы

Манипуляторы (мышь, джойстик и др.) — это специальные устройства, которые используются для управления курсором.

Рис. 7.17. Мышь

Рис. 7.18. Джойстик

Рис. 7.19. Трекбол

Мышь имеет вид небольшой коробки, полностью умещающейся на ладони (рис. 7.17). Мышь связана с компьютером кабелем через специальный блок — адаптер, и её движения преобразуются в соответствующие перемещения курсора по экрану дисплея. В верхней части устройства расположены управляющие кнопки (обычно их три), позволяющие задавать начало и конец движения, осуществлять выбор меню и т.п. Подключается мышь к компьютеру через последовательный порт.

Джойстик — обычно это стержень-ручка, отклонение которой от вертикального положения приводит к передвижению курсора в соответствующем направлении по экрану монитора (рис. 7.18). Часто применяется в компьютерных играх. В некоторых моделях в джойстик монтируется датчик давления. В этом

случае, чем сильнее пользователь нажимает на ручку, тем быстрее движется курсор по экрану дисплея.

Трекбол — небольшая коробка с шариком, встроенным в верхнюю часть корпуса (рис. 7.19). Пользователь рукой вращает шарик и перемещает, соответственно, курсор. В отличие от мыши, трекбол не требует свободного пространства около компьютера, его можно встроить в корпус машины.

Дигитайзер — устройство для преобразования готовых изображений (чертежей, карт) в цифровую форму. Представляет собой плоскую панель — планшет, располагаемую на столе, и специальный инструмент — перо, с помощью которого указывается позиция на планшете. При перемещении пера по планшету фиксируются его координаты в близко расположенных точках, которые затем преобразуются в компьютере в требуемые единицы измерения.

Сканеры

Сканер — устройство для ввода в компьютер графических изображений. Создает оцифрованное изображение документа и помещает его в память компьютера.

Если принтеры выводят информацию из компьютера, то сканеры, наоборот, переносят информацию с бумажных документов в память компьютера. Существуют ручные сканеры, которые прокатывают по поверхности документа рукой, и планшетные сканеры (рис. 7.20), по внешнему виду напоминающие копировальные машины, а также барабанные сканеры.

Рис. 7.20. Планшетный сканер

Если при помощи сканера вводится текст, компьютер воспринимает его как картинку, а не как последовательность символов. Для преобразования такого графического текста в обычный символьный формат используют программы оптического распознавания образов. Современные сканеры позволяют распознавать миллиарды цветовых оттенков.

Способность сканера различать цвета называется глубиной распознавания цвета. Изменяется глубина распознавания в битах, например, черно-белые сканеры являются 1-битными. Сканеры 24-битные (обычно, планшетные и барабанные) распознают 16,7 миллиона возможных цветов, а 32-битные сканеры –– 4,3 миллиарда цветов. Указанная связь между количеством распознаваемых цветов и глубиной цвета обусловлена тем, что изображение в сканере представляется в виде набора точек –– пикселов, каждый из которых имеет свой цвет.

Максимальная плотность точек, которую способен различить сканер, называется разрешающей способностью сканера.

Измеряется разрешающая способность в единицах dpi. Первые модели сканеров имели разрешающую способность 200–300 dpi. Для современных планшетных сканеров эта величина составляет 600–1200 dpi и более, для сканеров барабанного типа она может быть 8000 dpi и выше.

Сканер в результате считывания документа формирует файл графического формата (например, BMP, TIFF, JPEG). Если исходный документ содержал текст, то файл, полученный в результате сканирования, не может быть прочитан программой текстового редактора. Необходимо выполнить преобразование файла в текстовый формат. Для этого существуют специальные программы, называемые программами оптического распознавания текста.

Сканеры применяются при работе с большими массивами текстовых документов, они независимы в деятельности художников и дизайнеров. Широкое применение сканеры находят в издательской деятельности.

Устройства вывода

Монитор

Рис. 7.21. Монитор

Основным устройством вывода информации в ПК является монитор (рис. 7.21). Монитор служит для отображения на экране графической и символьной информации. В подавляющем большинстве ПК используются мониторы на отображения информации применяются экраны на жидких кристаллах.

Принцип работы ЭЛТ заключается в следующем. В ЭЛТ имеется прозрачный экран, на внутреннюю поверхность которого нанесено люминофорное покрытие. Люминофор может светиться при попадании на него пучка свободных электронов. Электронная пушка излучает поток электронов, который проходит через отклоняющиеся электроды. Эти электроды могут изменять направление электронов и интенсивность их потока. В результате падения электронов на экран подсвечиваются с нужной интенсивностью определенные точки люминофора. Так формируется изображение на экране.

Электронный луч в ЭЛТ высвечивает на экране последовательно строку за строкой. Этот процесс прохождения электронного луча называется строчной разверткой, а набор строк, проходимых электронным лучом, –– растром. Чем ближе расположены строки растра, тем четче и качественнее получаемое изображение. Однако строки не могут размещаться ближе, чем расстояние между соседними точками люминофора. Для характеристики качества изображения на экране монитора вводят разрешающую способность.

Разрешающая способность –– это число точек изображения, которые воспроизводятся по горизонтали и вертикали.

Например, значение разрешающей способности 640 х 480 отвечает 640 строкам растра, каждая из которых состоит из 480 точек. Возможны и другие стандартные значения разрешающей способности, например, 800 х 600, 1024 х 768.

Размер экрана характеризуется длиной его диагонали, которая обычно выражается в дюймах: 9, 14, 15, 17, 19, 20, 21 и др. Мониторы с небольшим экраном (до 15 включительно) используются для целей обучения, а также в домашних и некоторых офисных компьютерах. Для работы с графическими, издательскими системами требуется размер экрана не менее 17, а желателен 21.

Поскольку люминофор плотно заполняет всю поверхность экрана, расстояние между точками люминофора примерно равно размеру точки. Размер точки люминофора в современных мониторах колеблется от 0,21 до 0,28 мкм. Чем меньше размер точки, тем более качественное изображение получается на экране.

Мониторы бывают черно-белые (монохромные) и цветные. В случае цветного монитора имеется уже не одна, а три электронные пушки, каждая из которых управляется своей системой электродов. На поверхность экрана нанесен люминофор из трех базовых цветов (красного, зеленого и синего), из которых формируется цветное изображение. Каждая из пушек «стреляет» только по точкам люминофора своего цвета. Свечение трех соседних точек разного цвета приводит к зрительному смешению трех базовых цветов.

Жидкокристаллические мониторы

Все шире используются наряду с традиционными ЭЛТ-мониторами. Жидкие кристаллы (рис. 7.22) — это особое состояние некоторых органических веществ, в котором они обладают текучестью и свойством образовывать пространственные структуры, подобные кристаллическим. Жидкие кристаллы могут изменять свою структуру и светооптические свойства под действием электрического напряжения. Меняя с помощью электрического поля ориентацию групп кристаллов и используя введённые в жидкокристаллический раствор вещества, способные излучать свет под воздействием электрического поля, можно создать высококачественные изображения, передающие более 15 миллионов цветовых оттенков.

Рис. 7.22. Жидкокрис- таллический монитор

Большинство ЖК-мониторов использует тонкую плёнку из жидких кристаллов, помещённую между двумя стеклянными пластинами. Заряды передаются через так называемую пассивную матрицу — сетку невидимых нитей, горизонтальных и вертикальных, создавая в месте пересечения нитей точку изображения (несколько размытого из-за того, что заряды проникают в соседние области жидкости).

Активные матрицы вместо нитей используют прозрачный экран из транзисторов и обеспечивают яркое, практически не имеющее искажений изображение. Экран при этом разделен на независимые ячейки, каждая из которых состоит из четырех частей (для трёх основных цветов и одна резервная). Количество таких ячеек по широте и высоте экрана называют разрешением экрана. Современные ЖК-мониторы имеют разрешение 642х480, 1280х1024 или 1024х768. Таким образом, экран имеет от 1 до 5 млн. точек, каждая из которых управляется собственным транзистором. По компактности такие мониторы не знают себе равных. Они занимают в 2–3 раза меньше места, чем мониторы с ЭЛТ и во столько же раз легче; потребляют гораздо меньше электроэнергии и не излучают электромагнитных волн, воздействующих на здоровье людей.

Сенсорный экран

Общение с компьютером осуществляется путём прикосновения пальцем к определённому месту чувствительного экрана. Этим выбирается необходимый

Рис. 7.23. Сенсорный экран

режим из меню, показанного на экране монитора. (Меню — это выведенный на экран монитора список различных вариантов работы компьютера, по которому можно сделать конкретный выбор.) Сенсорными экранами (рис. 7.23) оборудуют рабочие места операторов и диспетчеров, их используют в информационно-справочных системах и т.д.

Видеоадаптер

Изображение, которое появляется на экране монитора, определяется видеосигналом, который поступает в монитор от специального устройства, называемое видеоадаптером. Видеоадаптер представляет собой, как правило, отдельную плату, которая вставляется в соответствующий размер на материнской плате. Команды по формированию изображения поступают от микропроцессора в видеоадаптер, где согласно этим командам конструируется изображение. Это изображение заносится во внутреннюю память видеоадаптера, называемую видеопамятью. На основе содержимого видеопамяти формируется выходной сигнал видеоадаптера (видеосигнал), который подается в монитор.

Изображение на экране должно периодически обновляться (более 70 раз в секунду). Поэтому в схему ПК введена видеопамять, которая хранит данные о предыдущем изображении, что особенно полезно в случае неподвижных или медленно меняющихся картинок на экране. Емкость видеопамяти в современных ПК составляет не менее 1 Мбайт, но может достигать 16 Мбайт и более. Видеопамять является оперативной памятью и входит в общий ресурс памяти ПК, хотя физически она расположена на плате видеоадаптера.

Одной из разработок фирмы IBM был улучшенный графический адаптер (Enhanced Graphics Adapter, или сокращенно EGA). Этот адаптер, появившийся в 1984 г., мог одновременно воспроизводить 16 цветов из палитры в 64 цвета. Дальнейшее усовершенствование EGA выразилось в появлении новой модели VGA (Video Graphics Array). Этот видеоадаптер хорошо совмещался с предшествующими моделями и позволял добиться одновременного воспроизведения 256 цветов из 4096 возможных и разрешающей способности 640х480.

Когда стало ясно, что стандарт VGA себя исчерпал, большинство независимых фирм-разработчиков принялись его улучшать. Результатом стало появление видеоадаптеров SVGA (что означает Super VGA). Новые SVGA-адаптеры позволяли достичь разрешающей способности 1024х768. В видеоадаптерах SVGA возможно воспроизведение до 16,7 миллиона цветов.

Принтеры

Наиболее популярными устройствами для вывода информации на бумагу являются принтеры. Эти устройства позволяют выводить при печати как символьную (тексты, числа), так и графическую (рисунки, диаграммы, графики) информацию. Все знаки, выводимые принтером на печать, представляются в виде набора отдельных точек. Способ нанесения этих точек на бумагу зависит от конструкции принтера. Возможны различные классификации принтеров:

– по последовательности печати (посимвольные, построчные, постраничные);

– по количеству воспроизводимых цветов (черно-белые, цветные);

– по способу действия;

– по способу получения изображения на бумаге (матричные, струйные, лазерные, светодиодные, термические и др.).

Матричные принтеры –– это принтеры, которые первыми начали применяться в IBM PC-совместимых компьютерах. Они являются ударными печатающими устройствами. В них имеется печатающая головка с выдвигающимися иголочками. Между головкой и бумагой располагается красящая лента. Когда работает принтер, в головке выдвигаются нужные иголки. Они ударяются по бумаге через красящую ленту, и на бумаге остается след или оттиск. Чем больше иголок в печатающей головке, тем выше качество изображения. Головка принтера может быть оснащена 9, 18 или 24 иголками. Эти принтеры являются наиболее дешевыми, однако они обладают невысокой скоростью работы, дают низкое качество оттиска и производят значительный шум при печати. Скорость печати матричных принтеров –– 5–6 минут на одну страницу.

Струйные принтеры генерируют символы в виде последовательности чернильных точек. Печатающая головка принтера имеет крошечные сопла, через которые на страницу выбрызгиваются быстросохнущие чернила.

Эти принтеры требовательны к качеству бумаги. Цветные струйные принтеры создают цвета, комбинируя чернила четырех основных цветов — ярко-голубого, пурпурного, желтого и черного. Скорость печати –– 4–8 страниц в 1 минуту.

Лазерные принтеры (рис. 7.25) позволяют получить наибольшее качество оттиска, черно-белого или цветного, поэтому эти принтеры широко используются в издательском деле. Принцип создания изображения с помощью лазерного принтера следующий. Луч лазера, управляемый компьютером, производит электризацию поверхности барабана, имеющегося в лазерном принтере. К заряженным участкам барабана прилипают частички сухого красящего порошка –– тонера. Когда через принтер пропускается лист бумаги, частички тонера переносятся с барабана на него. В результате получается оттиск высокого качества. Лазерные принтеры обладают высокой скоростью печати (десять и более страниц в минуту) и не требуют использования специальной бумаги.

Рис. 7.25. Лазерный притер

Благодаря скоростным качествам лазерные принтеры широко используются в качестве сетевых принтеров. Одной из основных характеристик лазерных принтеров является разрешающая способность –– это количество печатаемых точек на единицу длины. Для лазерных принтеров обычным разрешением является 600 dpi, но некоторые модели позволяют достичь и более высоких разрешений. Цветные лазерные принтеры пока очень дороги. Скорость печати –– 20 и более листов в 1 минуту.