Состав персонального компьютера

Рассмотрим состав и назначение основных блоков ЭВМ на примере настольного персонального компьютера (ПК или PC – personal computer) архитектуры x86-64. Внешний вид такого ПК за последние десять лет не претерпел существенных изменений, если, конечно, это не ультрасовременный моноблок, планшет или ноутбук. Минимальный набор необходимых для работы устройств по-прежнему включает системный блок и внешние (периферийные) устройства: монитор (дисплей) и клавиатуру. Современный компьютер чаще всего имеет в своём составе также манипулятор-мышь и звуковые колонки.

Системный блок – корпус, в котором размещены основные электронные компоненты или модули ПК. Иногда, особенно в магазинах, именно его и называют компьютером, так как монитор продаётся отдельно. Типоразмеры корпуса бывают двух основных видов:

- вертикального расположения (tower – башня), разновидности: baby-tower, mini-tower, midi-tower, big-tower;

- горизонтального расположения (desktop), разновидности: small-footprint, slimline, (ultra) superslimline.

Состав системного блока (рис. 4.3):

- системная (или материнская) плата (motherboard) с расположенными на ней электронными компонентами, платами и разъёмами;

- накопители или приводы для сменных накопителей;

- блок питания (БП).

Состав персонального компьютера - student2.ru

Рис. 4.3. Состав ПК

Блок питания смонтирован вместе с корпусом системного блока. Мощность блока питания варьируется в зависимости от типа корпуса – от 100–150 Вт (slim) до 300–330 Вт (big tower), выпускаются и более мощные модели 500 и даже 800 Вт.

На материнской плате размещаются все внутренние устройства компьютера (без которых компьютер принципиально не может работать – процессор и память), а также интегрируется всё больше устройств, относящихся к внешним (аудио-, видео-, сетевой и другие интерфейсные контроллеры).

Тип и характеристики различных элементов и устройств материнской платы, как правило, определяется типом и архитектурой центрального процессора. Как правило, именно центральный процессор или процессоры, их семейство, тип, архитектура и исполнение определяют тот или иной вариант архитектурного исполнения материнской платы.

По числу процессоров, составляющих центральный процессор, различают однопроцессорные и многопроцессорные (мультипроцессорные) материнские платы. Большинство персональных компьютеров являются однопроцессорными системами и комплектуются однопроцессорными материнскими платами.

Центральный процессор (ЦП, или CPU – Central Processing Unit) современного компьютера – микропроцессор (МП) – функционально законченное программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное на одной или нескольких СБИС. Именно процессор выполняет в соответствии с программой обработку информации и управление устройствами компьютера. В составе микропроцессора объединяются шиной уже знакомые нам АЛУ и УУ, а также регистры микропроцессорной памяти (МПП), часто имеется кэш-память и математический сопроцессор чисел с плавающей запятой. Тактовая частота процессора может существенно превосходить частоту системной шины и получаться из неё путём умножения. Частоту шины задаёт генератор тактовых импульсов (ГТИ), а процессора – его внутренний умножитель частоты.

Основные функции микропроцессора:

- выборка команд из памяти;

- декодирование команд, т.е. выделение из машинной команды кода операции и операндов, определение её назначения;

- выполнение операций, закодированных в командах;

- управление передачей информации между своими регистрами памяти, оперативной памятью и внешними устройствами;

- обработка прерываний (запрос на обработку по требованию внешнего устройства или при выполнении программы, например, переполнение).

Среди регистров МПП следует отметить счётчик адреса команд (автовычисление адреса следующей команды), регистр состояния (флаговый регистр – переполнение, ноль, знак результата), указатель стека (последний вошёл – первый вышел, неявная адресация), регистры общего назначения (хранение различных данных, работа с ними быстрее, чем с памятью).

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

- полная система команд переменной длины – Complex Instruction Set Computer (CISC);

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

Весь ряд процессоров фирмы Intel, устанавливаемых в персональные IBM-совместимые компьютеры, имеют архитектуру CISC, а процессоры Motorola, используемые фирмой Apple для своих персональных компьютеров, имеют архитектуру RISC. Обе архитектуры имеют свои преимущества и недостатки.

CISC-процессоры имеют обширный набор команд (сотни), из которых программист может выбирать наиболее подходящие для решения задачи. Недостатком этой архитектуры является то, что большой набор команд усложняет внутреннее устройство управления процессором, увеличивает время исполнения команды на микропрограммном уровне. Команды имеют различную длину и время исполнения.

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

Процессоры для ПК выпускают многие фирмы, но законодателем моды здесь являются фирмы Intel и AMD (Advanced Micro Devices). Одним из приоритетных направлений увеличения производительности признано увеличение количества вычислительных ядер процессора, содержащихся в одном корпусе. Многоядерные процессоры способны осуществлять независимое параллельное выполнение нескольких потоков команд одновременно.

Одним из представителей последних моделей производительных процессоров семейства Intel Core i7 третьего поколения является Intel Core i7-3970X Processor Extreme Edition. Этот самый мощный (на сегодня сентябрь 2012 г.) шестиядерный процессор для настольных ПК можно охарактеризовать следующими параметрами:

- Тактовая частота – 3,5 (с технологией Turbo Boost – 4,0) ГГц;

- Кеш память (технология Smart Cache) – 15 МБ;

- Разрядность – 64 бит;

- Размер корпуса – 52,5 на 45 мм;

- Количество транзисторов – 2,27 млрд.;

- Тип разъёма материнской платы – FCLGA2011;

- Технология Hyper-Threading (гиперпоточность) – позволяет каждому ядру процессора одновременно выполнять две задачи (два потока команд), в результате чего шесть физических ядер определяются операционной системой как 12 виртуальных;

- Технология виртуализации VT (Virtualization Technology) – поддержка нескольких операционных систем на одном компьютере;

- Технология Turbo Boost – автоматически ускоряет работу процессора при необходимости за счёт «передачи» неиспользуемых ресурсов производительности активным ядрам (путём повышения их тактовой частоты свыше номинальной);

- Технология SpeedStep – энергосбережение за счёт динамического изменения частоты и энергопотребления процессора в зависимости от используемого источника питания.

Одна из последних разработок фирмы AMD – «первый в мире реально восьмиядерный процессор для ПК» AMD FX 8350 (8-Core Black Edition), имеет во многом сходные в сравнении с представленным процессором Intel характеристики. Стоимость процессоров AMD может оказаться на 10% дешевле аналогичных процессоров Intel. Однако многие разработчики программ отдают предпочтение спецификациям процессоров Intel, поэтому не все программы оптимизированы для работы на процессорах AMD, хотя для обычного пользователя эта разница может быть и незаметна.

Оперативным запоминающим устройством (ОЗУ, или RAM – Random Access Memory) называется память с произвольным (и чтение, и запись) доступом. Оперативная, т.е. рабочая, память предназначена для хранения исполняемых программ и соответствующих им данных. Стандартный размер адресуемой ячейки ОЗУ равняется одному байту. Информация в ОЗУ сохраняется всё время, пока на схемы памяти подаётся питание, т.е. она является энергозависимой.

Существует два вида ОЗУ, отличающиеся техническими характеристиками: динамическое ОЗУ, или DRAM (Dynamic RAM), и статическое ОЗУ, или SRAM (Static RAM). Разряд динамического ОЗУ построен на одном транзисторе и конденсаторе, наличие или отсутствие заряда на котором определяет значение, записанное в данном бите. При записи или чтении информации из такой ячейки требуется время для накопления (стекания) заряда на конденсаторе. Поэтому быстродействие динамического ОЗУ на порядок ниже, чем у статического ОЗУ, разряд которого представляет собой триггер на четырёх или шести транзисторах. Однако из-за большего числа элементов на один разряд в одну СБИС статического ОЗУ помещается гораздо меньше элементов, чем у динамического ОЗУ. Например, современные СБИС динамических ОЗУ способны хранить 256–1024 Мбайт информации, а схемы статических ОЗУ только 256–512 Кбайт. Кроме этого, статические ОЗУ более энергоёмки и значительно дороже. Обычно в качестве оперативной или видеопамяти используется динамическое ОЗУ.

Статическое ОЗУ используется в качестве небольшой буферной сверхбыстродействующей памяти. Эта память называется кэш-памятью (от англ. cache – запас). Время обращения к данным в кэш-памяти на порядок ниже, чем у ОЗУ, и сравнимо со скоростью работы самого процессора. Запись в кэш-память осуществляется параллельно с запросом процессора к ОЗУ. Данные, выбираемые процессором, одновременно копируются и в кэш-память. Если процессор повторно обратится к тем же данным, то они будут считаны уже из кэш-памяти. Такая же операция происходит и при записи процессором данных в память. Они записываются в кэш-память, а затем в интервалы, когда шина свободна, переписываются в ОЗУ.

Современные многоядерные процессоры имеют встроенную кэш-память, которая находится внутри корпуса процессора и разделяется на несколько уровней. Самой быстрой памятью, работающей на частоте процессора, является кэш первого уровня (L1-cache). По сути, она является неотъемлемой частью процессора, поскольку расположена на одном с ним кристалле и входит в состав функциональных блоков. Подразделяется на кэш команд и кэш данных. Кэш первого уровня имеет небольшой объём – обычно не более 128 Кбайт. Кэш-память второго уровня имеет уже меньшее быстродействие, но больший объём – единицы Мбайт, при этом весь объём складывается из равных долей кэша каждого ядра. И, наконец, кэш третьего уровня является наименее быстродействующей микропроцессорной памятью, но всё равно значительно превосходящей по быстродействию оперативную память. Кэш третьего уровня обычно расположен отдельно от ядра ЦП, достигает объёма в десятки Мбайт и является общим для всех ядер, при этом каждое ядро процессора может динамически использовать до 100 % от доступного объёма кэш-памяти.

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

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

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

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

Системная (общая) шина обеспечивает обмен информацией между функциональными узлами. Общая шина делится на три отдельные шины по типу передаваемой информации: шина адреса, шина данных, шина управления. Каждая шина характеризуется шириной или разрядностью – числом параллельных проводников для передачи информации. Другая важная характеристика – тактовая частота шины, на которой работает контроллер шины при управлении передачей информации.

Шина адреса предназначена для передачи адреса ячейки памяти или порта ввода-вывода. Ширина шины адреса определяет максимальное количество ячеек, которое она может адресовать напрямую. Если ширина шины адреса равна N, то количество адресуемой памяти равно 2^N. Шина данных предназначена для передачи команд и данных. В современных компьютерах по шестидесятичетырёхразрядной шине данных за один такт передаётся 8 байт информации. Ширина шины управления зависит от типа шины и алгоритма её работы или, как говорят, протокола работы шины.

Примерный протокол работы системной шины состоит из четырёх пунктов. Первый такт – процессор выставляет на шину адреса адрес ячейки памяти или порта внешнего устройства и устанавливает на шине управления сигналы, определяющие тип обмена. На втором такте работы процессор получает сигнал готовности выбранного устройства к приёму или передаче информации. Если сигнал готовности не получен, второй такт может повторяться бесконечное число раз. На третьем такте процессор или открывает шину для приёма данных, или, при записи, выставляет на шину данных передаваемую информацию. На четвёртом такте происходит обмен информацией, и работа протокола передачи заканчивается.

Приведём основные типы шин, используемых в компьютерах, и их характеристики.

PCI (Peripheral Component Interconnect – стандарт подключения внешних компонентов) применяется в настольных компьютерах. Это интерфейс шины, связывающей процессор с оперативной памятью, в которую врезаны разъёмы для подключения внешних устройств. Данный интерфейс поддерживает частоту шины 33 МГц и обеспечивает пропускную способность 132 Мбайт/с. Последующие версии интерфейса с частотой шины 66 МГц обеспечивают пиковую производительность 264 Мбайт/с для 32-разрядных данных и 528 Мбайт/с для 64-разрядных данных (при частоте 66,66 МГц – 533 Мбайт/с). Важным нововведением стала поддержка так называемого режима plug-and-play, сформировавшегося в промышленный стандарт на самоустанавливающиеся устройства. После физического подключения внешнего устройства к разъёму шины PCI происходит обмен данными между устройством и материнской платой, и устройство автоматически получает номер используемого прерывания, адрес порта подключения и номер канала прямого доступа к памяти (в отличие от устаревшей шины ISA, где настройка прерываний осуществлялась переключателями на карте адаптера).

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

AGP (Accelerated Graphics Port) – локальная шина, введённая для повышения производительности графической подсистемы компьютера, позволяет организовать непосредственную связь видеоконтроллера и оперативного запоминающего устройства. Имеет конвейерную организацию выполнения операций чтения/записи, что позволяет избежать задержек при обращении к модулям памяти. При установке режима параллельной передачи восьми блоков за один такт обеспечивается пиковая скорость передачи 2112 Мбайт/с. В настоящее время для увеличения производительности видеосистемы используется новая, более быстрая и прогрессивная шина PCI Express.

PCI Express, в общем случае, является пакетной сетью с топологией типа звезда. В отличие от шины PCI, использовавшей для передачи данных общую шину, устройства PCI Express взаимодействуют между собой через среду, образованную коммутаторами, при этом каждое устройство напрямую связано соединением типа точка-точка с коммутатором. Каждое соединение обладает пропускной способностью до 250 Мбайт/с. Эта величина обеспечивается в обоих направлениях одновременно, что составляет 0,5 Гбайт/с для каждого соединения (в спецификации PCI Express 2.0 – 1 Гбайт/с) независимо от общего количества подключений. Кроме того, важной особенностью является масштабирование, т.е. возможность одновременного использования нескольких каналов сразу для получения соответствующей производительности. Так, пропускная способность PCI Express 2.0 со слотом ´32 составляет 32 Гбайт/с.

Контроллеры (адаптеры) служат для подключения внешних (по отношению к процессору) устройств к системной шине. В современных компьютерах контроллеры клавиатуры, накопителей на жёстких и гибких магнитных дисках (НЖМД и НГМД соответственно), накопителей на оптических дисках (НОД), аудио-, видео- и сетевые адаптеры чаще всего располагаются на системной плате. Набор микросхем, определяющих возможности системной платы (а также реализующих функции контроллеров и портов), называют чипсетами (Chipsets). Для подключения дополнительных контроллеров на системной плате имеются соответствующие стандарту шины разъёмы (слоты расширения).

Внешние устройства

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) необходимы для долговременного хранения больших объёмов информации. Сюда относятся следующие устройства:

- НЖМД (винчестеры, HDD – Hard Disk Drive) объёмом в сотни Гбайт, чаще всего расположен внутри системного блока, но бывают и съёмные модели;

- НГМД (FDD – Floppy Disk Drive) обычно предназначен для дискет диаметром 3,5 дюйма и объёмом 1,44 Мбайт;

- накопители на магнитной ленте (стримеры) с картриджами до 16 Гбайт;

- НОД – двух основных типов: объёмом 700 Мбайт (CD-Compact Disk) и 4,7 Мбайт (DVD-Digital Versatile Disk);

- Флеш-накопители.

Магнитные накопители в качестве запоминающей среды используют ферромагнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два состояния. Диски, по сравнению с лентой, обладают меньшим временем доступа. Винчестеры удобны в работе, но не обладают мобильностью. Дискеты почти изжили себя. Малый объём, небольшая скорость чтения/записи и ненадёжность делают их применение нецелесообразным.

Принцип действия НОД основан на использовании чередующихся участков поверхности с разными отражающими свойствами (углубления или затемнения). Сменные носители CD и последующие DVD удобны в использовании как ROM больших объёмов. К достоинствам компакт-диска можно отнести его относительную дешевизну в массовом производстве, высокую надёжность и долговечность, нечувствительность к воздействию магнитных полей. Существуют однократно записываемые, обозначаемые буквой R (Recodable), и многократно перезаписываемые – RW (ReWritable) «болванки». Например, CD-R, DVD-RW. Следует отметить, что существует множество порой несовместимых разновидностей форматов оптической записи.

Флеш-память (Flash-memory) представляет собой микросхему многократно перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ). Носители на её основе называются твердотельными, поскольку не имеют движущихся частей. Благодаря своей компактности, относительной дешевизне и низкому энергопотреблению флеш-память широко используется в портативных устройствах, работающих на батарейках и аккумуляторах – цифровых фотокамерах и видеокамерах, цифровых диктофонах, MP3-плеерах, КПК, мобильных телефонах, а также смартфонах и коммуникаторах. Кроме того, она используется для хранения встроенного программного обеспечения в различных устройствах (маршрутизаторах, мини-АТС, принтерах, сканерах), различных контроллерах. В последнее время широкое распространение получили USB флеш-накопители («флешка», USB-драйв, USB-диск), практически вытеснившие дискеты.

Многие производители вычислительной техники видят память будущего исключительно твердотельной, поэтому на рынке комплектующих практически одновременно появились флеш-памяти нескольких стандартов, отличающиеся принципом действия, размерами и характеристиками. Наибольшую популярность на сегодняшний день получили устройства, построенные по архитектуре NOR (от англ. Not-OR – элемент ИЛИ-НЕ) или NAND (от англ. Not-AND – элемент И-НЕ), в основе принципа действия которых лежат транзисторы с плавающим затвором. Размер и стоимость NAND-чипа может быть существенно меньше, быстрее осуществляется запись и стирание. Однако эта архитектура не позволяет обращаться к произвольной ячейке. NAND и NOR-архитектуры сейчас существуют параллельно и не конкурируют друг с другом, поскольку находят применение в разных областях хранения данных.

Одним из перспективных типов флеш-памяти является FRAM (ферроэлектрическая память с произвольным доступом), кристалл которой можно представить состоящим из трёх слоёв. Две крайние пластины представляют собой матрицу проводников для подачи напряжения на средний слой. Средний слой, имеющий толщину порядка 1,5 нм, изготовлен из ферроэлектрического материала. При подаче сигнала записи на матрицу изменяются магнитные и электропроводные свойства участка, расположенного на пересечении проводников.

Устройства ручного ввода информации.

Клавиатура (Keyboard) представляет собой «доску» (Board), на которой в 5 или в 6 рядов расположены клавиши (Key). Стандартной в России является 101/102-клавишная клавиатуры с английскими и русскими символами. Подключается через порт PS/2, USB, беспроводной инфракрасный (ИК или IR – InfraRed) или радиоинтерфейс (например, Bluetooth). Виртуальные клавиатуры существуют только в виде изображения на экране и соответствующего программного кода, а физически – отсутствуют. Ввод осуществляется с помощью мыши либо – всё чаще – обычным касанием, если экран является сенсорным. Лазерная клавиатура имеет виртуальные клавиши, которые проецируются на любую достаточно ровную рассеивающую поверхность (рис. 4.4).

Состав персонального компьютера - student2.ru

Рис. 4.4. Лазерная клавиатура

Манипулятор мышь необходима для работы с графическими объектами, например, интерфейсом Windows. В настоящее время распространены мыши с оптическим принципом действия, подключаются аналогично клавиатуре. Используются и другие типы манипуляторов: джойстик, трекбол, трекпойнт, сенсорная панель (тачпад – touchpad), графический планшет (диджитайзер).

Устройства вывода информации.

Монитор, а также дисплей, видеомонитор, видеодисплей – устройство визуального отображения текстовой и графической информации без её фиксации. Для персональных компьютеров используются мониторы следующих типов:

- на основе электроннолучевой трубки (ЭЛТ);

- на основе жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ, LCD – Liquid Crystal Display);

- плазменные мониторы (PDP – Plasma Display Panels);

- электролюминесцентные мониторы (FED – Field Emission Display);

- самоизлучающие мониторы (LEP – Light Emission Plastics).

Основные характеристики мониторов: размер экрана монитора, который задаётся обычно размером его диагонали в дюймах и форматом – отношением ширины к высоте; разрешающая способность, определяемая числом пикселей (элементов разложения изображения) по горизонтали и вертикали (800´600, 1024´768, 1800´1440, 2048´1536 и др.); частота кадровой развёртки определяет скорость смены кадров изображения и влияет на утомляемость глаз при продолжительной работе на компьютере.

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

Мониторы на основе ЭЛТ постепенно вытесняются плоскими мониторами на жидкокристаллических индикаторах. Экран ЖК монитора выполнен в виде двух электропроводящих стеклянных пластин, между которыми помещён слой кристаллизующейся жидкости. Для создания электростатического поля стеклянная пластина покрыта матрицей прозрачных проводников, а пиксель формируется на пересечении вертикального и горизонтального проводника. Если на пересечении проводников ставят активный управляющий элемент – транзистор, то такие экраны называются TFT-матрицы (Thin Film Transistor – тонкоплёночный транзистор), имеют лучшую яркость и угол обзора до 45°. Этот показатель отличает TFT-экраны от экранов с пассивной матрицей, которые обеспечивали качество изображения только при фронтальном наблюдении.

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

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

Самоизлучающие мониторы используют матрицу пикселей, построенную на основе полупроводникового материала, излучающего свет при подаче на него напряжения (светодиод). Достоинства таких мониторов заключаются в том, что они обеспечивают 180-градусный обзор, работают при низком напряжении питания и имеют малый вес.

К устройствам вывода информации относят принтеры и плоттеры (графопостроители). Принтеры – печатающие устройства для вывода информации на бумажный носитель. По основным принципам действия можно выделить матричные, струйные и лазерные принтеры.

Матричные принтеры формируют изображение с помощью специальных иголок печатающей головки, которые ударяют по листу бумаги через красящую ленту. Эти иглы собраны в прямоугольную матрицу. Матричные принтеры не требовательны к качеству бумаги, надёжны, просты в эксплуатации и обладают большим рабочим ресурсом. Они сохраняют безусловное лидерство в реализации такой функции, как получение сразу нескольких копий документа (с использованием копировальной бумаги). Ресурс печатающей головки – около 700 млн. символов. Скорость печати матричных принтеров лежит в очень широких пределах – 200–1400 сим/мин. Однако на сегодняшний день она недостаточна. Кроме того, матричный принтер имеет высокий уровень шума. Это, а также относительно высокая цена, переводит описанный способ печати в разряд устаревших.

К особенностям струйного принтера относят низкий уровень шума, зависимость скорости от качества печати, невозможность использования бумаги в рулоне. Головки для струйной печати заканчиваются микроскопическими отверстиями, или дюзами (форсунками, соплами), через которые чернила наносятся на бумагу. Количество дюз может колебаться от десятков до нескольких сотен. Ионизированные капельки чернил через сопла распыляются на бумагу. Распыление происходит в тех местах, где необходимо сформировать изображение или буквы. Скорость печати струйных принтеров лежит в пределах 2–4,5 ppm (ppm – страниц в минуту) для текста (около 200 знаков в секунду) и 0,3–1,5 ppm для графики. Максимальное значение печатных страниц в минуту – до семи.

Лазерные принтеры характеризуются наиболее высоким качеством и скоростью печати. Средний лазерный принтер печатает 10 страниц в минуту. Высокоскоростные принтеры, которые, как правило, используются в компьютерных сетях, могут печатать до 20 и более страниц в минуту. Принцип печати лазерного принтера сходен с применяемым в ксероксах и заключается в следующем: на фоточувствительном барабане с помощью луча лазера создаётся электростатическое изображение страницы. На барабан помещается специально окрашенный порошок, который называется тонером. Тонер «прилипает» только к той области, которая представляет собой буквы или изображение на странице. Барабан поворачивается и прижимается к бумаге, перенося на неё тонер. Полученное на бумаге изображение фиксируется путём термического закрепления («запекания») тонера.

Для получения цветного изображения с качеством, близким к фотографии, или изготовления допечатных цветных проб используются термические принтеры или, как их ещё называют, цветные принтеры высокого класса. В настоящее время распространение получили три технологии цветной термопечати: струйный перенос расплавленного красителя (термопластиковая печать); контактный перенос расплавленного красителя (термовосковая печать); термоперенос красителя (сублимационная печать). Кроме того, принцип термопечати на специальной термобумаге используется во многих кассовых и факсимильных аппаратах.

Плоттеры (от англ. plot – график, диаграмма) используются для вывода графической информации (схем, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель широкого формата. Все современные плоттеры по конструкции можно разделить на два больших класса: планшетные для формата А3–А2 (реже А1–А0); барабанные (рулонные) плоттеры с шириной бумаги формата А1 или А0, которые используют рулоны бумаги длиной до нескольких десятков метров и позволяют создавать длинные рисунки и чертежи.

Плоттеры бывают векторные с вычерчиванием изображения с помощью пера и растровые: термографические, электростатические, струйные и лазерные. Большинство плоттеров имеют пишущий узел перьевого типа. Используются специальные фломастеры с возможностью их автоматической замены (по сигналу программы) из доступного набора. Кроме фломастеров, применяются чернильные, шариковые пишущие узлы, рапидографы и многие другие устройства, обеспечивающие различную ширину линий, насыщенность, цветовую палитру и т.д. На базе перьевых плоттеров были созданы режущие плоттеры. Пишущий узел в таких плоттерах заменяется на резак. Изображение переносится на бумагу, например, на самоклеящуюся плёнку или аналогичный носитель. Буквы или знаки, полученные с помощью режущего плоттера, можно увидеть на витринах, вывесках, указателях и т.п.

Сканеры подобны устройствам копирования, только вместо печати копии сканер передаёт оцифрованные данные в компьютер. Поток данных со сканера с помощью программного обеспечения преобразуется в цифровое изображение. В основу работы сканеров положен процесс регистрации отражённого света от поверхности сканируемого документа. Сканеры могут отличаться типом интерфейса, способом сканирования документов.

Ручной сканер – самый старый тип сканера, разработанный в конце 80-х гг. Пользователь вручную медленно перемещает сканер по поверхности документа, а отражённый луч принимается с помощью линз и преобразуется в цифровую форму. Современные ручные сканеры могут иметь размеры большой авторучки и внутреннюю память, что позволяет использовать их автономно.

Настольные сканеры бывают планшетные, роликовые, барабанные и проекционные. Основной отличительный признак планшетного сканера – подвижная сканирующая головка. Она перемещается под стеклом, на которое помещается сканируемый оригинал документа. Такой сканер прост и удобен в эксплуатации, особенно для книг, но имеет большие габариты по сравнению с ручными.

В листопротяжном (или его ещё называют роликовым) сканере оригинал пропускается через ролики механизма подачи бумаги и попадает в поле зрения линейки датчиков. Он компактен, может функционировать автоматически, имеет низкую стоимость. К недостаткам относятся сложность выравнивания оригиналов, ограниченный диапазон типов оригинала, неудобство работы с листами разного размера, возможность повреждения оригинала.

Барабанные сканеры, как правило, имеют барабан в виде прозрачного цилиндра из органического стекла, на поверхности которого закрепляется оригинал. Находящиеся рядом сканирующие датчики считывают изображение. Сканирование выполняется с наиболее высоким разрешением с оригинала практически любого типа, однако барабанные сканеры имеют большой размер, высокую стоимость. Кроме того, на них невозможно непосредственное сканирование книг и журналов.

Проекционные сканеры внешне напоминают фотоувеличитель или проекционный аппарат, а по сути – цифровой фотоаппарат. К преимуществам такого сканера относятся: удобство выравнивания оригинала; небольшая занимаемая площадь; разнообразие сканируемых оригиналов; возможность комбинирования плоских и трёхмерных оригиналов. Недостатками являются зависимость от источника внешнего освещения; ограничения на размер оригинала; трудность расположения нестандартных оригиналов (например, книги в развёрнутом виде).

4.6 Вопросы и тестовые задания для самоконтроля

1. Кого называют первым программистом, кто при создании аналитической машины Беббиджа предложил использовать перфокарты для программирования вычислительных операций:

1) Блез Паскаль;

2) Готфрид Лейбниц;

3) Чарльз Бэббидж;

4) Ада Лавлейс?

2. Французский учёный, построивший первую счётную машину в 1642 г. Она была механической с ручным приводом и могла выполнять операции сложения и вычитания:

1) Блез Паскаль;

2) Готфрид Лейбниц;

3) Чарльз Бэббидж;

1) Ада Лавлейс.

3. Немецкий математик, построивший в 1672 г. механический калькулятор, который мог выполнять операции сложения, вычитания, умножения и деления:

1) Блез Паскаль;

2) Готфрид Лейбниц;

3) Чарльз Бэббидж;

4) Ада Лавлейс.

4. Кем и в каком году были разработаны принципы работы электронной вычислительной машины?

5. Какие блоки входят в архитектуру фон-неймановской ЭВМ и каково назначение каждого из блоков?

6. Каковы общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, т.е. компьютеров, сформулированные Джоном фон Нейманом