4.3 Внутренние устройства системного блока
МАТЕРИНСКАЯ ПЛАТА
Это основная плата ПК (рисунок 4), которая содержит схемные компоненты компьютера. Именно она определяет его потенциальные возможности и эффективность работы.
Рисунок 4
На ней размещаются:
процессор – основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций;
микропроцессорный комплект (чипсет) – набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера;
шины – наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами и данными между устройствами компьютера;
оперативная память – набор микросхем, предназначенных для временного хранения программ и данных при включенном компьютере;
постоянное запоминающее устройство – микросхема для длительного хранения данных;
слоты – разъемы для подключения дополнительных устройств.
Форм-фактор системной платы – стандарт, определяющий размеры системной платы для персонального компьютера, места ее крепления к корпусу; расположение на ней интерфейсов шин, портов ввода/вывода, разъёма центрального процессора (если он есть) и слотов для оперативной памяти, а также тип разъема для подключения блока питания.
Форм-фактор (как и любые другие стандарты) носит рекомендательный характер. Спецификация форм-фактора определяет обязательные и опциональные компоненты. Однако подавляющее большинство производителей предпочитают соблюдать спецификацию, поскольку ценой соответствия существующим стандартам является совместимость системной платы и стандартизированного оборудования (периферии, карт расширения) других производителей.
Виды форм факторов:
Устаревшие: Baby-AT; Mini-ATX; полноразмерная плата AT; LPX.
Современные: АТХ; microATX; Flex-АТХ; NLX; WTX, CEB.
Внедряемые: Mini-ITX и Nano-ITX; Pico-ITX; BTX, MicroBTX и PicoBTX
ЖЕСТКИЙ ДИСК (HDD, НЖМД) (HARD DISK DRIVE, НАКОПИТЕЛЬ НА ЖЕСТКИХ МАГНИТНЫХ ДИСКАХ)
Это основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ (рисунок 5).
Рисунок 5
Часто жесткий диск называют «винчестер». Само название «винчестер» появилось в 1973 г., когда компания IBM выпустила пакет из двух дисков по 30 МБ с маркировкой «30/30», что напоминало пользователям калибр двустволки «Винчестер 30/30».
На самом деле это не один диск, группа соосных дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с большой скоростью. Над каждой поверхностью располагается головка чтения/записи. При высоких скоростях вращения дисков (90-250 об/с) в зазоре между головкой и диском образуется аэродинамическая подушка, и головка парит над магнитной поверхностью на высоте, составляющей несколько тысячных долей миллиметра. При изменении силы тока, протекающего через головку, происходит изменение напряженности динамического магнитного поля в зазоре, что вызывает изменения в стационарном магнитном поле ферромагнитных частиц, образующих покрытие диска. Так осуществляется запись на диск. При считывании данных намагниченные частицы покрытия, проносящиеся вблизи головки, наводят в ней ЭДС самоиндукции. Возникающие при этом электромагнитные сигналы усиливаются и передаются на обработку.
Управление работой жесткого диска выполняет специальное аппаратно-логическое устройство – контроллер жесткого диска.
Основные параметры жесткого диска:
емкость;
надежность;
производительность.
Емкость жесткого диска зависит от технологии их изготовления. Сейчас на пластину может приходиться более 1 Тбайт.
Характерной особенностью маркировки винчестера является то, что указанная в названии модели примерная емкость рассчитана на миллион байт (а не Мбайт) или миллиард байт (а не гигабайт). В математическом виде это выглядит следующим образом: по мнению производителей винчестеров 1МБ=106=1000000 , а реально 1 МБ = 220=1048576 байт. Поэтому, например, диск объемом 80 ГБ (по данным производителя) на самом деле имеет емкость 74,5 ГБ.4
Сегодня жесткие диски имеют очень высокий показатель внутренней передачи данных (до 30-60 Мбайт/с) и их производительность зависит от характеристик интерфейса, с помощью которого они связаны с материнской платой.
Среднее время доступа зависит от скорости вращения диска и лежит в пределах от 4-10 мкс.
Существует два показателя надежности винчестера:
число циклов старт/стоп, измеряется в тысячах (Start/Stop Cycles);
среднее время наработки отказов (Mean Time Before Failure – MTBF) измеряется в сотнях тысячах часов.
Производительность жесткого диска оценивается тремя характеристиками:
количество операций ввода/вывода в секунду показывает число обращений, выполняемых за секунду (обращение состоит из вращения диска, перемещения привода и чтения/записи блока данных);
скорость передачи данных определяется скоростью вращения диска и используемым интерфейсом;
загрузка процессора – это доля тактов процессора, затраченных на обработку обращения к жесткому диску.
Существует два основных интерфейса для жестких дисков:
IDE (Integrated Drive Electronics – электроника интегрированных накопителей) – для обычных компьютеров;
SCSI (Small Computer Systems Interface – интерфейс маленьких компьютерных систем) – для высокопроизводительных компьютеров.
ДИСКОВОД ГИБКИХ ДИСКОВ (FDD, НГМД)
Для оперативного переноса небольших объемов информации используются гибкие магнитные диски (дискеты), которые вставляются в специальный накопитель – дисковод. Сейчас стандартными считаются диски размером 3.5" емкостью 1.4 Мбайт. Гибкие диски считаются малонадежными носителями информации. Сегодня практически отказались от этого типа носителей.
ДИСКОВОДЫ ОПТИЧЕСКИХ ДИСКОВ
Существует три вида компакт дисков:
компакт диск только для чтения (Compact Disk Read Only Memory – CD-ROM);
записываемый компакт-диск (Compact Disk Recordable – CD-R);
перезаписываемый компакт-диск (Compact Disk ReWritable – CD-RW).
На диске CD-ROM промышленным способом записывается информация, и произвести ее повторную запись невозможно. Основу компакт-диска диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм составляет слой оптически чистой поликарбонатной пластмассы - это нижняя сторона подложка (back layer). На нее нанесен тонкий слои алюминия, придающий диску необходимые отражающие свойства. От окисления и механических повреждении его защищает лакировка. Поверх лакового слоя печатается этикетка диска.
Данные на диске записываются в виде спирали. Лазерный луч определяет цифровую последовательность единиц и нулей по форме микроскопических ямок (пит) на спирали. Принцип считывания информации можно разбить на четыре этапа:
Луч слабого лазера испускается лазер-диодом привода CD-ROM. Проходя через систему линз, он фокусируется на областях спирали данных компакт-диска, двигаясь по траекториям, задаваемым сервоприводом. Сервопривод служит для перемещения направляющей линзы.
Луч производит считывание, отражаясь с различной интенсивностью от пит-слоя компакт-диска.
Отраженный луч возвращается, попадая в группу призм. Там происходит его преломление и отражение на фотодетектор.
Фотодетектор определяет интенсивность светового потока и переправляет эту информацию к микропроцессору дисковода, который завершает ее анализ, преобразуя в цифровую последовательность.
Основная область применения: тиражирование программ и информационных материалов, таких как справочные руководства, обучающие пакеты, словари, энциклопедии и библиотеки изображений.
CD-R (Compact Disc Recordable) - разновидность компакт-диска, разработанная компаниями Philips и Sony для однократной записи информации. Первые CD-R были произведены в 1988.
CD-R представляет из себя тонкий диск из прозрачного пластика - поликарбоната - толщиной 1,2 мм, диаметром 120 мм (стандартный) или 80 мм (мини). Поликарбонатный диск имеет спиральную дорожку для направления луча лазера при записи и считывании информации. Диск со стороны где находится эта спиральная дорожка, покрыт записывающим слоем, который состоит из очень тонкого слоя органического красителя и затем отражающим слоем из серебра, его сплава или золота. Этот отражающий слой покрывается защитным лаком, и уже на этот защитный слой наносятся различные надписи краской. Ёмкость стандартного CD-R составляет 74 минуты аудио или 650 МБ данных. Однако, на данный момент стандартным можно считать CD-R ёмкостью 700 МБ данных (точнее 736 966 656 байт) или 79 минут 59 секунд и 74 фрейма. Также, на рынке имеются 90 минутные / 790 МБ и 99 минутные / 870 МБ диски, которые получили гораздо меньшее распространение.
Чистый CD-R не является полностью пустым, на нем имеется служебная дорожка с сервометками ATIP - Absolute Time In Pregroove - абсолютное время в служебной дорожке. Эта служебная дорожка нужна для системы слежения, которая удерживает луч лазера при записи на дорожке и следит за скоростью записи. Она также содержит информацию об изготовителе этого диска, сведения о материале записывающего слоя, длине дорожки для записи и т.п. Служебная дорожка не разрушается при записи данных на диск и многие системы защиты от копирования используют её для того, чтобы отличить оригинал от копии.
При записи CD-R сфокусированным мощным лазерным лучом нагреваются небольшие области слоя красителя. Краситель передает тепло смежной с ним подложке, под действием которого она изменяет свои свойства и начинает рассеивать свет. В областях, не нагревающихся лазером, подложка остается прозрачной и при считывании данных пропускает луч. Последний проходит до металлического слоя, отражается от него и через подложку попадает на светочувствительный датчик. Результат - последовательность отражающих и не отражающих участков. При чтении диска на него направляется маломощный лазерный луч, и светочувствительный датчик воспринимает последовательность отраженных сигналов.
Существуют два режима записи: односеансный и многосеансный. В односеансном режиме запись всего диска должна осуществляться за один проход без перерывов. В многосеансном режиме данные записываются за несколько сеансов, в результате чего информация на диске представляется в виде нескольких отдельных томов. Не все накопители CD-ROM способны читать диски, записанные подобным способом. Режим многосеансной записи позволяет записать часть данных, остановиться, а затем продолжить запись.
Одно из достижений технологии записи CD-дисков - способ "записи пакетами" (Packet Writing). При использовании пакетной записи у пользователя создается полная иллюзия работы с обычным жестким диском: можно копировать файл на диск, редактировать или удалять его, создавать еще несколько файлов на диске и т. д. При использовании этого режима, часть объёма лазерного диска становится недоступной (остаётся около 550 Мб). Данные, записанные в режиме Packet Writing на одном дисководе, не всегда будут читаться на другом.
CD-R используется главным образом в качестве средства создания резервных копий в целях архивирования.
Диск CD-RW во многом похож на CD-R, но его записывающий слой изготавливается из специального сплава, который можно нагреванием приводить в два различных устойчивых агрегатных состояния - аморфное и кристаллическое. Этот сплав обычно изготавливается из серебра, индия, сурьмы и теллура.
Для записи информации на диск применяются два цикла: цикл стирания и цикл записи. В процессе стирания магнитное поле имеет одинаковую полярность, соответствующую двоичным нулям. Лазерный луч нагревает последовательно весь стираемый участок и таким образом записывает на диск последовательность нулей. В цикле записи полярность магнитного поля меняется на противоположную, что соответствует двоичной единице. В этом цикле лазерный луч включается только на тех участках, которые должны содержать двоичные единицы, и оставляя участки с двоичными нулями без изменений.
В процессе чтения с диска используется эффект Керра, заключающийся в изменении плоскости поляризации отраженного лазерного луча, в зависимости от направления магнитного поля отражающего элемента. Отражающим элементом в данном случае является намагниченная при записи точка на поверхности диска, соответствующая одному биту хранимой информации. При считывании используется лазерный луч небольшой интенсивности, не приводящий к нагреву считываемого участка, таким образом, при считывании хранимая информация не разрушается. Такой способ в отличие от обычного, применяемого в оптических дисках, не деформирует поверхность диска и позволяет повторную запись без дополнительного оборудования. CD-RW позволяют перезаписывать информацию порядка 1000 раз.
DVD — носитель информации в виде диска, внешне схожий с компакт-диском, однако имеющий возможность хранить больший объём информации за счёт использования лазера с меньшей длиной волны, чем для обычных компакт дисков.
Первые диски и проигрыватели DVD появились в ноябре 1996 в Японии и в марте 1997 в США.
Изначально «DVD» расшифровывалось как «Digital Video Disc» (цифровой видеодиск). Позже многие стали расшифровывать DVD как Digital Versatile Disc (цифровой многофункциональный диск). Toshiba, заведующая официальным сайтом DVD Forum, использует «Digital Versatile Disc». Но к консенсусу не пришли до сих пор, поэтому сегодня «DVD» официально вообще никак не расшифровывается.
DVD может существовать в нескольких модификациях. Самая простая из них отличается от обычного диска только тем, что отражающий слой расположен не на составляющем почти полную толщину (1,2 мм) слое поликарбоната, а на слое половинной толщины (0,6 мм). Вторая половина - это плоский верхний слой. Емкость такого диска достигает 4,7 ГБ и обеспечивает более двух часов видео телевизионного качества. Если оба слоя несут информацию, то суммарная емкость составляет 8,5 ГБ. А если использовать двухсторонний двухслойный диск. В этом случае его емкость составит 17 ГБ! Скорость чтения/записи DVD указывается кратной 1350 Кб/с, то есть 16-скоростной привод обеспечивает чтение (или запись) дисков в 16 × 1350 = 21600 Кб/с (21,09 Мб/с). Для воспроизведения DVD с видео необходим DVD-привод и декодер MPEG-2 (то есть либо бытовой DVD-проигрыватель, либо компьютерный DVD-привод и программный плеер). Фильмы на DVD сжаты с использованием алгоритма MPEG-2 для видео и различных (часто многоканальных) форматов для звука. Битрейт сжатого видео варьируется от 2000 до 9800 Кбит/с, часто бывает динамическим.(VBR Variable bitrate)
Аудиоданные в DVD-фильме могут быть в формате PCM, DTS, MPEG или Dolby Digital (AC-3). В странах, использующих стандарт NTSC, все фильмы на DVD должны содержать звуковую дорожку в формате PCM или AC-3, а все NTSC-плееры должны эти форматы поддерживать. Таким образом, любой стандартный диск может быть воспроизведён на любом стандартном оборудовании.
В странах, использующих стандарт PAL (большая часть Европы), поначалу хотели ввести в качестве стандарта звука для DVD форматы PCM и MPEG-2, но под влиянием общественного давления и, идя вразрез с пожеланиями Philips, DVD-Forum включил Dolby AC-3 в список опциональных форматов звука на дисках и обязательных форматов в плеерах.
Отличие DVD от CD
В первую очередь у DVD-дисков меньший диаметр углублений, на дорожке они расположены с меньшим «шагом» и самих дорожек на диске гораздо больше. Использование насечек меньшего размера стало возможным благодаря применению лазера с меньшей длиной волны, посылающего более «плотный» луч. В то время как лазер в обычном устройстве CD-ROM имеет длину волны 780 нанометров, устройства DVD используют лазер с длиной волны 650 или 635 нм, что позволяет покрывать лучом в два раз больше насечек на одной дорожке и в два раза больше дорожек. Кроме того, поверхность диска, отведенная для хранения данных, немного больше, чем у CD-ROM; DVD также предусматривает другой формат секторов и более надежный код коррекции ошибок. Все эти нововведения позволили достичь примерно в семь раз большей емкости дисков DVD, чем традиционных CD.
Но семикратный прирост емкости диска - это далеко не предел. Пожалуй, самое интересное в спецификациях DVD - это возможность создания двухсторонних и двухслойных дисков. Двухсторонний диск делается просто: так как толщина диска DVD может составлять лишь 0,6 мм (половина толщины обычного CD-ROM), появляется возможность соединить два диска тыльными сторонами и получить двухсторонний DVD. Правда, вам придется вручную переворачивать его, но с развитием технологий DVD появятся приводы, способные читать обе стороны без вмешательства пользователя.
В отличие от компакт-дисков, в которых структура аудиодиска фундаментально отличается от диска с данными, в DVD всегда используется файловая система UDF.
Кроме того, для DVD существуют ограничения - региональная привязка DVD.
ВИДЕОКАРТА (ВИДЕОАДАПТЕР)
Совместно с монитором видеокарта образует видеоподсистему ПК (рисунок 6).
Рисунок 6
Все операции, связанные с управлением экраном осуществляет видеоадаптер. Физически видеокарта выполнена в виде отдельной дочерней платы, которая вставляется в один из слотов материнской платы.
Ранее (в устаревших ПК) использовались видеоадаптеры для шин ISA, VL-Bus и PCI. Также был распространен стандарт AGP. Сейчас широко используется более скоростная шина PCI-E.
За время существования ПК сменилось несколько стандартов видеоадаптеров: MDA (монохромный), CGA (4 цвета), EGA (16 цветов), VGA (256 цветов).
В настоящее время применяются следующие:
SVGA (Super Video Graphics Adapter), обеспечивающие по выбору до 16.7 миллионов цветов с возможностью произвольного выбора разрешения экрана из стандартного ряда значений (640×480, 800×600, 1024×768, 1152×864, 1280×1024 точек и далее).
XGA (eXtended Video Graphics Adapter) – расширенный видеографический адаптер. Поддерживает разрешение — 1024×768, 256 цветов.
XGA-2 «продвинутая» версия видеорежима XGA. Поддерживает я разрешение 1600x1200.
UXGA (Ultra eXtended Video Graphics Adapter) – сверхрасширенный видеографический адаптер. Поддерживает разрешение экрана 1600×1200 при 16,7 млн. цветов.
Для каждого размера монитора существует свое оптимальное разрешение экрана, которое должен обеспечить видеоадаптер.
Все существующие видеокарты отличаются друг от друга по параметрам:
поддерживаемые видеорежимы, которые различаются между собой максимальным разрешением – количеством пикселей, отображаемых на мониторе по горизонтали и вертикале;
глубина цвета – количество оттенков цветов, которое определяется разрядностью представления цвета, например, 8 бит могут отобразить 256 цветов;
размер видеопамяти – напрямую зависит от первых двух параметров;
частота регенерации экрана – количество изображений, сменяемых в секунду. Зависит от частоты применяемого видеопроцессора.
Современные графические контроллеры содержат 128 или 256 МБ видеопамяти. Наиболее часто применяются два типа памяти:
SGRAM (Synchronous Graphics RAM) – синхронная графическая память, представляет собой разновидность синхронной статической памяти;
DDR SDRAM – аналогична применяемой в модулях оперативной памяти.
Производительность видеокарты в значительной степени влияет на общую производительность системы, так как позволяет разгрузить центральный процессор.
ЗВУКОВАЯ КАРТА
Звуковая карта явилась одним из наиболее поздних усовершенствований ПК (рисунок 7)
Рисунок 7
Она устанавливается в один из слотов материнской платы в виде дочерней карты и выполняет вычислительные операции, связанные с обработкой звуков, речи, музыки.
Основные характеристики звуковой карты:
частота дискретизации;
разрядность АЦП.
Большинство звуковых карт поставляются с программным обеспечением, при этом синтез звука осуществляется по технологии FM и WT-синтеза.
В цифровом FM-синтезе каждый из описанных управляемых генераторов называется оператором. В операторе выявляются два базовых элемента: фазовый модулятор и генератор огибающей. Фазовый модулятор задает частоту (высоту) звука, а генератор огибающей - его амплитуду (громкость). В большинстве случаев для синтеза одного инструмента достаточно двух операторов: оператора несущей (основной тон) и оператора модулирующей частоты (обертон). Обычно пара операторов определяет голос; современные наборы микросхем для FM-синтеза звука содержат до 36 - 40 голосов, осуществляя различные режимы (алгоритмы) FM-синтеза (в том числе и самые сложные, предполагающие использовать 18 и более операторов для синтеза речи). В звуковых картах обычно присутствует специальный генератор шума, обрабатываемый одним оператором (оператором огибающей).
WT-синтез (Wave Table synthesis); такие устройства именуют также синтезаторами выборок или сэмплерами (Samples). Идея применения WT-синтеза состоит в использовании специальных алгоритмов, позволяющих по одному лишь характерному тону (выборке) музыкального инструмента воспроизвести все остальные тона. Выборки сигналов (таблицы) сохраняются в ROM (Read Only Memory) или программно загружаются в RAM (Random Access Memory) звуковой карты, после чего специализированный WT-процессор выполняет операции над выборками сигнала, изменяя их амплитуду и частоту. При этом генерируемое WT-методом звучание ближе к звуку реальных инструментов, нежели при FM-технологии. Дополнительную гибкость WT-методу дает возможность простого изменения таблиц выборок.
Многие карты поддерживают как FM-так и WT-синтез.
Широкое распространение получили платы фирмы Creative Labs. Однако в массовых персональных компьютерах вместо звуковых карт часто используется технология AC’97 (Audio Codec – звуковой кодек) компании Intel. Звуковая система интегрированная в чипсет материнской платы в качестве контроллера шины AC-link, а аудио кодек или цифровой контроллер мог устанавливаться дополнительно на плату, или система работала на базе центрального процессора.
Следующее поколение архитектуры звуковой подсистемы материнских плат Azalea, 2006.
Звук воспроизводится через внешние звуковые колонки, подключаемые к выходу звуковой карты. Специальный разъем позволяет отправить звуковой сигнал на внешний усилитель. Имеется также разъем для подключения микрофона, что позволяет записывать речь или музыку и сохранять их на жестком диске для последующей обработки и использования.