Основные устройства ПЭВМ и их функциональное назначение

Структурная схема ПЭВМ .

Основные устройства ПЭВМ и их функциональное назначение

Из истории

Первой ЭВМ принято считать машину ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), созданную в США в конце 1945 г. Первоначально предназначенная для решения задач баллистики, машина оказалась универсальной, т.е. способной решать различные задачи. В качестве официальной апробации ЭВМ была выбрана задача оценки принципиальной возможности создания водородной бомбы. Машина успешно выдержала испытания, обработав около 1 млн. перфокарт фирмы IBM с исходными данными.

Еще до начала эксплуатации ENIAC Моучли и Эккерт по заказу военного ведомства США приступили к проекту над новым компьютером EDVAC (Electronic Discrete Automatic Variable Computer), который был совершеннее первого. В EDVAC программа электронным методом записывалась в специальную память на ртутных трубках (линиях задержки), а вычисления производились уже в двоичной системе счисления., что позволило существенно уменьшить количество ламп и других элементов электронных цепей машины. Полностью завершенная в 1952 г., ЭВМ содержала более 3500 ламп 19-ти различных типов и около 27000 других электронных элементов.

В конце 1944 г. к проекту в качестве научного консультанта был подключен 41-летний Джон фон Нейман, к тому времени уже имевший большой авторитет в научном мире как математик, внесший значительный вклад в квантовую механику и создавший математическую теорию игр. Творчески переработав и обобщив материалы по разработке проекта, фон Нейман в июне 1945 г. готовит итоговый 101-страничный научный отчет, который содержал превосходное описание как самой машины, так и ее логических возможностей.

В докладе выделено и детально описано пять базовых компонент универсального компьютера и принцип его функционирования архитектура фон Неймана:

· центральное арифметико-логическое устройство (АЛУ);

· центральное устройство управления (УУ), ответственное за функционирование всех основных компонент компьютера;

· запоминающее устройство (ЗУ);

· система ввода и вывода информации.

Была обоснована необходимость использования двоичной системы счисления, электронной технологии и последовательного порядка выполнения операций.

Принципы организации ЭВМ, предложенные фон Нейманом, стали общепринятыми.

Начиная с 1950 года, каждые 7-10 лет кардинально обновлялись конструктивно-технологические и программно-алгоритмические принципы построения и использования ЭВМ. В связи с этим правомерно говорить о поколениях вычислительных машин. Условно каждому поколению можно отвести 10 лет.

Шестое и последующие поколения ЭВМ

Электронные и оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом, нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

Пятое поколение ЭВМ: 1990-настоящее время.

Компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы.

Компьютеры с многими сотнями параллельно работающих процессоров, позволяющих строить системы обработки данных и знаний, эффективные сетевые компьютерные системы.

Шестое и последующие поколения ЭВМ

Электронные и оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом, нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

Манипулятор мышь

Манипулятор мышь – устройство управления манипуляторного типа. Небольшая коробочка с клавишами (1, 2 или 3 клавиши). Перемещение мыши по плоской поверхности (например, коврика) синхронизировано с перемещением указателя мыши на экране монитора.

Ввод информации осуществляется перемещением курсора в определенную область экрана и кратковременным нажатием кнопок манипулятора или щелчками (одинарными или двойными). По принципу работы манипуляторы делятся на механические, оптомеханические и оптические.

В портативных ПК в качестве мыши используются трекболы и пойнтеры.

Мониторы

Мониторы – устройства, которые служат для обеспечения диалогового режима работы пользователя с компьютером путем вывода на экран графической и символьной информации. В графическом режиме экран состоит из точек (пикселей от англ. pixel - picture element, элемент картинки), полученных разбиением экрана на столбцы и строки.

Количество пикселей на экране называется разрешающей способностью монитора в данном режиме. В настоящее время мониторы ПК могут работать в следующих режимах: 480х640, 600х800, 768х1024, 864х1152, 1024х1280 (количество пикселей по вертикали и горизонтали).

Разрешающая способность зависит от типа монитора и видеоадаптера. Каждый пиксел может быть окрашен в один из возможных цветов.

Стандарты отображения цвета: 16, 256, 64K, 16M цветовых оттенков каждой точки.

Режимы отображения цвета:

· 4-разрядное кодирование (16 цветов - VGA);

· 8-разрядное кодирование (256 цветов);

· 16-разрядное кодирование (64К цветов - High Color) 65536 цветов

· 24-разрядное кодирование (16М цветов - True Color) 16 777 216 цветов

· 32-разрядное кодирование (16М цветов - True Color) 4 294 967 296 цветов

Частота обновления изображения характеризует сколько раз в секунду обновляется изображение на экране монитора. Измеряется в Герцах. Современные видеоадаптеры обычно могут поддерживать высокую частоту обновления экрана во всех режимах разрешения.

По принципу действия все современные мониторы разделяются на:

1. Мониторы на базе электронно-лучевой трубки (CRT).

2. Жидкокристаллические дисплеи (LCD).

3. Плазменные мониторы.

Мониторы с ЭЛТ

Мониторы с лучевой трубкой с самого начала были неотъемлемой частью любого персонального компьютера, но процесс эволюции не стоял на месте и, как у всего прочего, устаревающей технологии пришлось уступить свое место более совершенной.

Самым важным элементом монитора является кинескоп, называемый также электронно- лучевой трубкой (основные конструкционные узлы кинескопа показаны на рис 1.1). Кинескоп состоит из герметичной стеклянной трубки, внутри которой находится вакуум, то есть весь воздух удален. Один из концов трубки узкий и длинный - это горловина, а другой - широкий и достаточно плоский - это экран. С фронтальной стороны внутренняя часть стекла трубки покрыта люминофором (luminophor). В качестве люминофоров для цветных ЭЛТ используются довольно сложные составы на основе редкоземельных металлов - иттрия, эрбия и т.п. Люминофор - это вещество, которое испускает свет при бомбардировке его заряженными частицами.

Для создания изображения в ЭЛТ-мониторе используется электронная пушка, откуда под действием сильного электростатического поля исходит поток электронов. Сквозь металлическую маску или решетку они попадают на внутреннюю поверхность стеклянного экрана монитора, которая покрыта разноцветными люминофорными точками.

Стандартные мониторы имеют длину диагонали 14, 15, 17, 19, 20, 21 и 22 дюйма. При настройке монитора необходимо устанавливать такие параметры разрешающей способности и режима отображения цвета, чтобы частота обновления кадров была 85 Гц.

ЖК - мониторы

Для нахождения принципиально новой схемы производства мониторов было сразу несколько мощных стимулов. Во-первых, CRT-мониторы имели весьма значительные размеры и вес, а также потребляли немалое количество энергии, что ограничивало сферу их применения, а также сводило на нет все попытки создать полноценные портативные компьютеры. Чемоданы (весом 10- 20 кг ) с ЭЛТ-мониторами (IBM 5100, вышедший в 1975 г ., и Osborne 1 выпуска 1981 г .) – назвать портативными язык как-то совсем не поворачивается. Во-вторых, при длительной работе за CRT-монитором у многих изрядно уставали глаза, а затем и вообще заметно ухудшалось зрение. В-третьих, мониторы на лучевой трубке генерировали вокруг себя неслабое магнитное поле, а также негативно реагировали на соседние поля. В-четвертых, ЭЛТ-дисплеи значительно искажали геометрию изображения, что откровенно не нравилось многим дизайнерам и инженерам.

И вот, наконец, технология, лишенная всех этих недостатков, была найдена. Так называемые жидкие кристаллы были открыты еще в далеком 1888 году австрийским ботаником Фридрихом Рейницером во время проведения опытов по нахождению значения холестерина в растениях. В дальнейшем оптические и прочие свойства этих веществ были исследованы немецким физиком Отто Леманом. Особые свойства нового органического вещества заключались в том, что при определенных температурах жидкие кристаллы одновременно приобретали свойства, присущие и жидкостям (текучесть) и твердым кристаллам (анизотропия ряда физических свойств и некоторая упорядоченность в расположении молекул). Однако долгие годы данная находка пользовалась исключительно научным интересом и никак не применялась на практике.

Сам экран состоит из двух поляризационных фильтров, расположенных один за другим, причем они поляризуют свет в перпендикулярных направлениях. Пространство между поляризаторами заполняет матрица, состоящая из множества ячеек, заполненных жидкими кристаллами. В монохромном дисплее каждому пикселю соответствует одна ячейка, в цветном – несколько (чаще всего три). В случае цветного дисплея в конструкции также присутствует цветной фильтр, который придает «светящейся» ячейке определенный цвет (красный, зеленый или синий). Свет, проходящий через кристалл, еще раз поляризуется и выходит наружу. В состоянии покоя жидкие кристаллы полностью пропускают через себя свет, а при подаче напряжения на электроды (к каждой ячейке подведены отельный и общий электроды) степень поляризация кристалла изменяется, и количество пропускаемого света уменьшается в зависимости от величины напряжения. Таким образом формируется видимое пользователем изображение.

В мониторах LCD изображение формируется с помощью матрицы пикселей. Каждый пиксел формируется свечением одного элемента экрана, поэтому каждый монитор имеет свое максимальное физическое разрешение. Так, например, для мониторов 19 дюймов разрешающая способность 1280х1024.

Для того чтобы исключить искажения изображений на экране рекомендуется использовать мониторы LCD в режимах его максимального разрешения. Для мониторов LCD частота смены кадров не является критичной. Изображение выглядит устойчивым (без видимого мерцания) даже при частоте обновления кадров 60 Гц.

Плазменные панели

Пионером в сфере бытовых плазменных панелей стало совместное предприятие Fujitsu-Hitachi Plasma display ( FHP ). Приоритетным направлением их производства был выпуск исключительно самих плазменных матриц для дальнейшей реализации другим производителями. Принцип, сходный с используемым в плазменных панелях, применяется в обыкновенных неоновых рекламных вывесках. Они состоят из изогнутых герметичных сосудов, заполненных специальным газом, который при пропускании через него электрического тока начинает испускать свечение. Если уменьшить размер таких сосудов до нескольких долей миллиметра и затем составить из них матрицу, то получим примитивную модель плазменного монитора. Но на самом деле устройство PDP-панели значительно сложнее. Каждая подобная ячейка представляет собой, грубо говоря, миниатюрный кинескоп. Для наполнения используется сильно разреженный инертный газ, ионы которого при пропускании электрического разряда начинают испускать ультрафиолетовое излучение, уже под действием которого начинают светиться люминофор, находящийся на внутренней стороне каждой ячейки. Одновременно все ячейки гореть не могут, поэтому они зажигаются в определенной последовательности. Из-за этого PDP-панелям свойственно практически незаметное мерцание, конечно, неизмеримо меньшее, чем у CRT-мониторов. Стоит еще заметить, что внутренние элементы панели во время работы заметно нагреваются, поэтому в обязательном порядке присутствует встроенная система охлаждения, обычно состоящая из нескольких кулеров.

Изначально у плазменной технологии перед LCD было несколько важных преимуществ. Это более высокая контрастность и яркость, а также значительно меньшее время отклика. Однако у современных устройств PDP и LCD различие в этих характеристиках стремится к нулю. Одно из главных достоинств плазменных панелей – широченный экран – в то же время является и недостатком. Для комфортной работы за PDP-мониторов рекомендуется находиться от него на расстоянии в 4-5 диагоналей. То есть, если диагональ, допустим, равняется 40 дюймам , выходит, что кресло нужно ставить примерно в 4- 5 метрах от экрана, что для многих комнат является непозволительной роскошью. Поэтому до сих пор плазма широко применяется, в основном, в системах home theatre, при организации различных конференций-презентаций и, возможно, игр, а о полной замене компьютерного монитора обычно речь не идет.

Достоинства плазменных мониторов заключаются в том, что в них отсутствует мерцание изображения, картинка имеет высокую контрастность и четкость по всему дисплею, имеют хорошую обзорность под любым углом и малую толщину панели. К недостаткам следует отнести – большая потребляемая мощность. Они поедают примерно вдвое больше энергии, чем LCD-мониторы, так что вряд ли стоит ожидать появления, например, ноутов с плазменным экраном. Плюс ко всему, срок службы PDP-панели также примерно в два раза короче, чем у LCD, тем более что смерть одной самосветящейся ячейки является незаменимой утратой, в то время как выдохшуюся лампу LCD-монитора можно заменить, причем за разумные деньги.

Трехмерные мониторы

Трехмерное реалистичное изображение является мечтой не только каждого геймера, но и вообще любого пользователя компьютера. К сожалению, картинки, просто расположенной на экране плоского монитора, для создания эффекта присутствия явно не достаточно. Наш мозг воспринимает объемность окружающего мира так: правый и левый глаз видят картинку с немного разных точек зрения, и, при наложении этих изображений, мы понимаем, что окружающие нас предметы не плоские, а обладают определенным объемом. На этом принципе основано подавляющее большинство разработок по созданию трехмерных дисплеев.

Наибольшую достоверность происходящего позволяют создать различные шлемы виртуальной реальности, где перед каждым глазом расположен отдельный маленький дисплей. Но по своим особенностям шлемы мало пригодны для регулярной работы. Другая популярная технология разделения изображения на две части использует красно-синие (красно-зеленые) очки-светофильтры. Для создания иллюзии объема изображение в них особым образом видоизменяется, и при просмотре его через данные очки нам представляется трехмерная картина. Довольно много интересных разработок создано с применением LCD-панелей. В одной из них вместо единственного экрана используется сразу два, расположенных друг за другом на небольшом расстоянии. Через верхнюю полупрозрачную панель свободно просматривается изображение на нижней. Если отключить полупрозрачный экран, то с таким 3D-монитором можно спокойно работать как с обыкновенным LCD. В другой оригинальной разработке используется всего один ЖК-экран, а для имитации объема подсветка дисплея происходит преднамеренно неравномерно. Уровень реалистичности у таких подходов находится на весьма высоком уровне. Но пока все подобные мониторы не получили широкой поддержки у разработчиков операционных систем и компьютерных игр, а для успешности разработки это, увы, является одним из основополагающих факторов.

Структурная схема ПЭВМ .

Основные устройства ПЭВМ и их функциональное назначение

Из истории

Первой ЭВМ принято считать машину ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), созданную в США в конце 1945 г. Первоначально предназначенная для решения задач баллистики, машина оказалась универсальной, т.е. способной решать различные задачи. В качестве официальной апробации ЭВМ была выбрана задача оценки принципиальной возможности создания водородной бомбы. Машина успешно выдержала испытания, обработав около 1 млн. перфокарт фирмы IBM с исходными данными.

Еще до начала эксплуатации ENIAC Моучли и Эккерт по заказу военного ведомства США приступили к проекту над новым компьютером EDVAC (Electronic Discrete Automatic Variable Computer), который был совершеннее первого. В EDVAC программа электронным методом записывалась в специальную память на ртутных трубках (линиях задержки), а вычисления производились уже в двоичной системе счисления., что позволило существенно уменьшить количество ламп и других элементов электронных цепей машины. Полностью завершенная в 1952 г., ЭВМ содержала более 3500 ламп 19-ти различных типов и около 27000 других электронных элементов.

В конце 1944 г. к проекту в качестве научного консультанта был подключен 41-летний Джон фон Нейман, к тому времени уже имевший большой авторитет в научном мире как математик, внесший значительный вклад в квантовую механику и создавший математическую теорию игр. Творчески переработав и обобщив материалы по разработке проекта, фон Нейман в июне 1945 г. готовит итоговый 101-страничный научный отчет, который содержал превосходное описание как самой машины, так и ее логических возможностей.

В докладе выделено и детально описано пять базовых компонент универсального компьютера и принцип его функционирования архитектура фон Неймана:

· центральное арифметико-логическое устройство (АЛУ);

· центральное устройство управления (УУ), ответственное за функционирование всех основных компонент компьютера;

· запоминающее устройство (ЗУ);

· система ввода и вывода информации.

Была обоснована необходимость использования двоичной системы счисления, электронной технологии и последовательного порядка выполнения операций.

Принципы организации ЭВМ, предложенные фон Нейманом, стали общепринятыми.

Начиная с 1950 года, каждые 7-10 лет кардинально обновлялись конструктивно-технологические и программно-алгоритмические принципы построения и использования ЭВМ. В связи с этим правомерно говорить о поколениях вычислительных машин. Условно каждому поколению можно отвести 10 лет.