Память в персональных компьютерах

При имеющемся в последние годы значительном повышении скорости процессоров быстродействие компьютерных систем мо­жет увеличиваться не столь заметно. Это связано с тем, что мощ­ность компьютера определяется его общей архитектурой и зави­сит не только от тактовой частоты процессора. Важную роль в повышении быстродействия систем играют скорость работы па­мяти и пропускная способность шины.

Для офисных приложений особенно критичным часто оказы­вается организация взаимодействия центрального процессора и оперативной памяти. Большую роль в связи с этим играют па­мять и наборы микросхем, установленные на системной плате.

Наиболее важные характеристики памяти - ее емкость (объем хранимой информации) и время доступа. В настоящее время в качестве запоминаю­щих элементов оперативной памяти используются большие интег­ральные микросхемы (БИС). При обработке информации процессором может произойти обращение к любой ячейке оперативной памяти, поэтому ее на­зывают памятью с произвольным доступом, или RAM (Random Access Memory). Существуют различные типы модулей памяти

В современных ПК имеется, как правило, постоянное запоми­нающее устройство (ПЗУ), или ROM (Read Only Memory). Важ­нейшей функцией этой памяти является хранение BIOS (Basic Input Output System - базовая система ввода-вывода). Программы, входящие в BIOS тестируют основные устройства, необходимые для работы ПК.

Кроме того, в ПК имеется память с питанием от батарейки, называемая CMOS RAM объемом 256 байт. Эта служит для хранения данных о текущих параметрах (параметры жестких дис­ков, оперативной памяти, микропроцессора, показания часов и т.д.). При необходимости содержимое CMOS RAM можно кор­ректировать.

Системная плата(материнская) служит основой для размещения ряда основных устройств ПК: микропроцессора, ОЗУ, ПЗУ СMOS памяти, системной и локальных шин. Специально для работы с графическими и видеоданными раз­работана шина AGP (Accelerated Graphics Port). Универсальная последовательная шина USB (Universal Serial Bus) разработана для одновременного подключения к компьютеру большого числа периферийных устройств, а также для облегчения процесса уста­новки новых устройств.

Системная плата играет важную роль: от ее характеристик во многом зависит работа ПК. Существует несколько типов систем­ных плат, которые обычно ориентированы на конкретные мик­ропроцессоры. В условиях быстрого обновления аппаратной час­ти компьютеров выбор системной платы особенно важен, так как он во многом определяет возможности будущей модернизации компьютера

ВНЕШНИЕ УСТРОЙСТВА ПК

Внешними называются устройства, обеспечивающие ввод, вы­вод и накопление информации в ПК и взаимодействующие с процессором и оперативной памятью через системную или локаль­ную шину, а также через порты ввода-вывода.

В соответствии с этим определением к внешним относятся как устройства, находящиеся вне системного блока (клавиатура, мышь, монитор, принтер, внешний модем, сканер и т.д.), так и устройства, размещаемые внутри него (накопители на дисках, контроллеры устройств, внутренние факс-модемы и др.).

Нередко внешние устройства называются периферийными. Однако термин «периферийные» иногда используется в узком смысле: им обозначают часть устройств, обеспечивающих ввод и вывод информации (клавиатуру, координатные манипуляторы, сканеры, дигитайзеры, принтеры, графопостроители и т.д.). Поэтому здесь и далее нами используется термин «внешние устройства».

Для IBM-совместимых ПК большинство внешних устройств управляется контроллерами, установленными в разъемы расши­рения материнской платы.

Контроллер - это плата, управляющая работой конкретного типа внешних устройств и обеспечивающая их связь с системной (материнской) платой.

Большинство контроллеров являются платами расширения системы. Иногда (особенно в портативных компьютерах) непосред­ственно в материнскую плату встраиваются и другие контролле­ры, в том числе видеоадаптеры и звуковые платы.

Платы расширения. Платы расширения (дочерние платы) ус­танавливаются на материнскую плату. Они предназначены для подключения к шине ПК дополнительных устройств. Как прави­ло, материнская плата имеет от 4 до 8 разъемов (слотов) расшире­ния. Они бывают 8-, 16- и 32-разрядные в соответствии с разряд­ностью процессора и параметрами внешней шины данных мате­ринской платы.

Важнейшими типами плат расширения являются:

1) видеоадаптеры (графические ускорители);

2) внутренние модемы;

3) звуковые платы;

4) адаптеры локальной сети.

При организации операций ввода-вывода в ПК необходимо согласование одинакового кода передаваемых данных, согласо­вание скоростей передачи и приема данных, обеспечение единства формата обмена данными и наличия стандартного протокола управляющих сигналов.

Для выполнения перечисленных требований в ПК предусмот­рены специальные контроллеры ввода-вывода. Ввод-вывод реа­лизуется через порты ввода-вывода.

Последовательный порт передает информацию по одному биту. В ПК можно использовать до четырех последовательных портов - СОМ1, COM2, COM3, COM4. Через последовательные порты подключаются такие устройства, как «мышь», внешний модем и плоттер.

Параллельный порт передает информацию побайтно. Максимально ПК может использовать 3 параллельных порта: LPT1, LPT2, LPT3. Обычно параллельные порты исполь­зуются для подключения принтеров.

Однако через параллельный порт могут подключаться и другие устройства: внешние накопи­тели, сканеры, ключи аппаратной защиты программ от несанк­ционированного копирования. Необходимо помнить, что при включенном ПК нельзя присоединять кабели к разъемам после­довательных и параллельных портов - это может вывести из строя платы контроллеров ввода-вывода и присоединенные устройства.

Для связи портативного и настольного ПК, а также настоль­ного ПК с некоторыми моделями лазерных принтеров в после­днее время часто используются инфракрасные порты, обеспечива­ющие беспроводное взаимодействие устройств.

Ожидается, что в ближайшем будущем порты будут вытесне­ны шиной USB (Universal ScriaJ Bus - универсальная последова­тельная шина), обеспечивающей значительно большую скорость обмена, чем обычные порты. USB будет использоваться для со­единения с внешними проигрывателями дисков DVD и CD-ROM, с цифровыми видео- и фотокамерами, а в последующем и с жест­кими дисками.

НАКОПИТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ

Накопитель - устройство для долговременного хранения боль­ших объемов информации.

Помимо термина "накопители" в литературе применяют сле­дующие его аналоги: "внешние запоминающие устройства" (ПЗУ) и "устройства массовой памяти" (Mass Storage Device).

По способу размещения в ПК накопители бывают:

внешние - располагаются вне системного блока, имеют соб­ственный наружный корпус, источник питания с собственным выключателем и кабелем;

внутренние - располагаются на монтажной стойке системно­го блока ПК. Они не имеют собственного корпуса, подключают­ся непосредственно к контроллеру накопителей и источнику пи­тания ПК.

По способу записи накопители разделяются:

• устройства произвольного доступа (накопители на магнит­ных дисках - НМД);

• устройства последовательного доступа (накопители на маг­нитных лентах - НМЛ).

Основными типами накопителей на дисках являются:

• накопители на гибких магнитных дисках - НГМД (floppy disk drives (FDD));

• накопители на жестких магнитных дисках - НЖМД (hard disk drives (HDD)), винчестер (Winchester disk);

• накопители на сменных компакт-дисках (CD-ROM drives);

Помимо указанных типов накопителей, в последнее время широко используются накопители на перезаписываемых оптичес­ких дисках, накопители на сменных магнитных дисках большой емкости, а также накопители на магнитооптических дисках, флэш-память.

Накопители на гибких магнитных дисках (дискетах). Инфор­мация на дискету записывается по концентрическим окружнос­тям, называемым дорожками. Дорожки, в свою очередь, делятся на отдельные секторы, между которыми имеются так называемые межсекторные промежутки. Количество дорожек и секторов, а также размер сектора зависят от типов устройства и носителя, а также способа разметки (форматирования) последнего.

Форматирование - это процесс записи на диск специальной управляющей информации, определяющей точки начала и конца отдельных секторов дискеты. Оно выполняется специальными программами. Стандартное форматирование дискет размером 3,5 дюйма позволяет размещать на них до 1,44 Мбайта информации.

Накопители на жестких магнитных дисках. НЖМД представ­ляют собой несколько металлических дисков, размещенных на одной оси и заключенных в герметизированный металлический корпус. Поверхности дисков покрыты специальным магниточувствительным веществом. Каждая поверхность имеет свою головку чтения-записи. Все головки размещены на общем приводе и перемещаются вдоль диска одновременно. Скорость враще­ния современных НЖМД - 5400 - 7200 об/мин. Жесткие диски несменяемы. Они требуют очень бережного обращения, посколь­ку даже при незначительной тряске или ударах головки легко могут быть повреждены.

Так же как в случае с дискетами, жесткие диски перед исполь­зованием должны быть отформатированы.

Информация на жестких дисках размещается на дорожках, а внутри дорожек - по секторам. Поскольку НЖМД состоит из нескольких пластин, часто используется понятие цилиндра. Ци­линдр - это совокупность дорожек на пакете магнитных дисков с одинаковыми номерами.

Основными характеристиками НЖМД являются:

• информационная емкость;

• плотность записи;

• число дорожек;

• время доступа (в миллисекундах);

• наружные габариты.

В современных ПК информационная емкость НЖМД измеряется в Гбайтах. В ПК массового применения время доступа к НЖМД обычно находится в интер­вале от 8 до 18 мс. В настольных ПК обычно используются НЖМД с габаритами 3,5 дюйма, в портативных - 2,5 дюйма.

Накопители на сменных компакт-дисках. Накопители на смен­ных компакт-дисках (CD-ROM drives) являются популярным ви­дом накопителей, необходимых для использования систем муль­тимедиа. Они позволяют считывать информацию с ком­пакт-дисков, вмещающих до 650 Мбайт. Все шире начинают использоваться накопители на DVD-ROM-дисках, которые способны вмешать до 17 Гбайт информации. Накопители DVD могут использоваться и для считывания инфор­мации с обычных CD-ROM-дисков.

Накопители на перезаписываемых компакт-дисках. В последнее время получили широкое распространение перезаписываемые компакт-диски: CD-R и CD-RW.

Накопители на CD-R-дисках допускают однократную запись информации на компакт-диск, а накопители CD-RW позволяют многократно перезаписывать компакт-диски. В них используют­ся специальные диски, допускающие запись с помощью этих уст­ройств. Диски для накопителей CD-R могут использоваться и для однократной записи на устройствах CD-RW.

Чтение информации с CD-R- и CD-RW-дисков может осуще­ствляться с обычных накопителей на компакт-дисках.

Начинают использоваться также и накопители DVD-RAM, DVD-RW и др., обеспечивающие запись и перезапись DVD-дисков. Однако соответствующие стандарты для них еще окончатель­но не выработаны.

Накопители на сменных магнитных дисках большой емкости.

На смену старым моделям НГМД приходят их усовершенствован­ные разновидности, позволяющие записывать на специальные дискеты большие объемы информации.

Накопители на магнитооптических дисках. Накопители на стираемых магнитооптических дисках основаны на оригинальной схеме чтения-записи информации, обеспечивающей высокую (650 Мбайт и выше) информационную емкость носителей и надежность хранения информации. Запись производится относительно мед­ленно, а считывание - быстро.

Накопители на магнитной ленте. Стриммер - устройство для записи и воспроизведения цифровой информации на кассету с магнитной лентой. Стриммеры используются в ПК для резервно­го архивирования информации и создаются как во внешнем, так и во внутреннем исполнении. Их основными достоинствами яв­ляются большие объемы хранимой информации (нескольких де­сятков гбайтов) и низкая стоимость хранения данных.

ВИДЕОКОНТРОЛЛЕРЫ И МОНИТОРЫ

Отображение информации на экране монитора ПК обеспечи­вается видеоадаптерами (видеоконтроллерами).

Видеоконтроллер - плата расширения, обеспечивающая фор­мирование изображения на экране монитора на основе информа­ции, передаваемой от процессора.

Информация может отображаться в текстовом или графичес­ком режиме.

В текстовом режиме осуществляется посимвольное изображе­ние данных на экране монитора. Стандартным считается режим, в котором на экране одновременно может отображаться 25 строк по 80 символов в каждом. Возможны и нестандартные режимы отображения информации 25x40, 43x80, 50x80.

Изображения отображаемых в текстовом режиме символов хранятся в ПЗУ. После включения питания компьютера эти изоб­ражения перезаписываются из ПЗУ в оперативную память, поэто­му появляется возможность переопределить вид символов, ото­бражаемых на экране. Большинство компьютеров не русифицировано аппаратно, поэтому для возможности изображения сим­волов кириллицы используются специальные программы, подме­няющие изображение определенных символов с кодами свыше 128 на изображения русских букв.

При работе в графическом режиме осуществляется поточеч­ное отображение информации на экране. За счет этого становит­ся возможным отображение на экране монитора не только алфа­витно-цифровых символов, но и произвольных изображений. При работе в графическом режиме каждая точка экрана моде­лируется набором битов, характеризующим цвет конкретной ото­бражаемой точки

Графический экран может моделироваться разными набора­ми точек по вертикали и горизонтали. Для режима VGA - это раз­решение 640x480 точек, а для SVGA стандартными являются раз­решения 640x480, 800x600, 1024x768, 1280x1024 или 1600x1280 то­чек. Первое число соответствует числу точек по горизонтали, а второе - по вертикали. Чем больше точек на экране, тем четче изображение. Соответственно чем больше битов используется для моделирования одной точки, тем более точно передаются цвето­вые оттенки.

Современные видеоадаптеры часто называют графическими ускорителями (акселераторами), поскольку они имеют специаль­ные микросхемы, ускоряющие обработку больших массивов ви­деоданных. Они имеют свой специализированный микропроцес­сор и память.

Объем памяти видеоадаптера имеет особое значение, посколь­ку в ней моделируется полное графическое поточечное изображе­ние экрана. Чем больше битов используется для представления одной точки и чем выше разрешение, тем больше требуется памя­ти видеоадаптеру для формирования изображения. Отметим, что видеоадаптер использует собственную память, которую не следу­ет путать с оперативной памятью.

Как правило, рекомендуется использовать видеоадаптеры с объемом памяти не менее 2 Мбайт. Для некоторых приложений мультимедиа, интенсивно использующих анимацию, требуется видеоадаптер с объемом памяти 16 - 32 Мбайт.

Однако мало иметь видеопамять необходимого объема. Тре­буется, чтобы монитор мог обеспечивать вывод в режимах с вы­соким разрешением, а также чтобы программное обеспечение, задающее формирование изображения (драйвер видеоадаптера), могло поддерживать соответствующий видеорежим.

Еще одной важной характеристикой видеоадаптеров являет­ся обеспечиваемая ими частота регенерации изображения на эк­ране монитора. Подробнее об этом далее.

Мониторы, В настольных ПК используются мониторы на элек­тронно-лучевых трубках.

Для работы в графических средах рекомендуется использова­ние мониторов с диагональю экрана не ниже 15-17 дюймов, по­скольку при высоком разрешении отдельные элементы изображе­ния на мониторах с маленькой диагональю становятся трудно различимыми. Именно поэтому для выполнения сложных графи­ческих работ в издательских системах применяются мониторы с длиной диагонали не ниже 17 дюймов.

Мониторы характеризуются следующими основными парамет­рами:

• максимальным разрешением;

• длиной диагонали;

• расстоянием между пикселами (точками изображения);

• частотой кадровой развертки;

• степенью соответствия стандартам экологической безопас­ности (режиму энергосбережения и пониженного излучения).

Максимальное разрешение, обеспечиваемое большинством 14-и частью 15-дюймовых мониторов, не превышает 1024x768 точек, даже если видеоадаптер поддерживает более высокое разрешение. Многие 15-дюймовые мониторы, а также все мониторы с длиной диагонали от 17 дюймов поддерживают режим 1280x1024 точек. Режим 1600x1280 обеспечивается только достаточно дорогими и высококачественными мониторами.

Частота кадровой развертки определяет качество и устойчи­вость изображения. Чем она выше, тем лучше. Считается, что минимальным уровнем комфортности изображения для глаза яв­ляется частота не менее 75 Гц. Современные европейские стан­дарты предусматривают частоту 85 Гц. Идеальной можно считать частоту строчной развертки порядка 100 Гц. При такой частоте изображение воспринимается полностью неподвижным.

Относительно соответствия стандартам экологической безо­пасности следует выделять мониторы, удовлетворяющие требо­ваниям стандарта MPR-2 и более строгих шведских стандартов ТСО'95 и ТСО'99. Следует иметь в виду, что маркировка LR -Low Radiation (мониторы с пониженной радиацией) не всегда оз­начает соответствие указанным стандартам.

В портативных ПК используются LCD- и TFT-дисплеи, а так­же дисплеи с двойным сканированием экрана. TFT-дисплеи (ак­тивная матрица) наиболее перспективны, но пока довольно до­рогие. Разрешающая способность большинства TFT-дисплеев со­ставляет 640x480. В более дорогих портативных ПК она составляет 800x600 точек и значительно реже 1024x768.