Лекция 2.1,2.2 Понятие компьютера, его развитие. Архитектура.

Лекция 2.1,2.2 Понятие компьютера, его развитие. Архитектура.

Компьютер (от англ. computer – вычислитель) – это программируемое электронное устройство, которое способно обрабатывать информацию, производить вычисления и выполнять другие задачи. Компьютеры подразделяют на два основных типа:

1) цифровые, оценивающие данные в форме числовых двоичных кодов;

2) аналоговые, анализирующие непрерывно меняющиеся физические величины, которые являются аналогами вычисляемых величин.

В настоящее время под словом «компьютер» понимают именно цифровой компьютер.

Основу компьютеров составляет аппаратура (Hardware) образованная электронными и электромеханическими элементами и устройствами. Принцип работы компьютеров заключается в выполнении программ (Software), которые заданы заранее и четко определены последовательностью арифметических, логических и других операций.

Структура любого компьютера обусловлена общими логическими принципами, на базе которых в нем выделяют следующие главные устройства:

• память, состоящую из перенумерованных ячеек;

• процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логического устройство (АЛУ);

• устройство ввода;

• устройство вывода.

Данные устройства соединяются каналами связи, передающими информацию.

Поколения ЭВМ

Разделение ЭВМ на поколения условно, так как поколения сме­нялись постепенно, поэтому временные границы между поколе­ниями размыты. Поколения ЭВМ разделяют в зависимости от фи­зических элементов или технологии их изготовления, используемых при построении ЭВМ (табл. 8.1). При сравнении быстродействия ЭВМ под операцией понимают операцию над числами с плавающей точкой.

Первое поколение ЭВМ (1951 —1954) строилось на электронных лампах, которые могли быстро переключаться из одного состояния в другое. Лампы имели большие размеры, поэтому ЭВМ первого по­коления, состоящие из десятков тысяч ламп, занимали целые этажи и были энергоемки. Программы записывались в ЭВМ с помощью установки перемычек на особом машинном коде.

Второе поколение ЭВМ (1958 — 1960) строилось на транзисто­рах — полупроводниковых приборах, которые могли находиться в одном из двух состояний. По сравнению с лампами транзисторы имели малые размеры и потребляемую мощность. Увеличение про­изводительности обеспечивалось за счет более высокой скорости переключения и использования обрабатывающих устройств, рабо­тающих параллельно. Площадь, требующаяся для размещения ЭВМ, уменьшилась до нескольких квадратных метров. Программы запи­сывались на перфокарты — картонные карточки, на которых были выбиты или не выбиты дырочки, кодирующие 0 и 1. Программиро­вание осуществлялось на языке Ассемблер, команды которого затем переводились в машинный код.

Третье поколение ЭВМ (1965 —1968) строилось на интегральных схемах (ИС). ИС представляет собой электрическую цепь определен­ного функционального назначения, которая размещается на крем­ниевой основе. ИС содержит сотни и тысячи транзисторных элемен­тов, что позволило уменьшить размеры, потребляемую мощность, стоимость и увеличить надежность системы.ПомимоАссемблера

программирование осуществлялось на языках высокого уровня (ЯВУ), имевших большое количество операторов. Каждый оператор объеди­нял несколько команд языка Ассемблер.

Четвертое поколение ЭВМ (с 1985 г. по сегодняшний день) строилось на больших интегральных схемах (БИС). БИС содержат не набор нескольких логических элементов, из которых строились затем функциональные узлы компьютера, а целиком функциональные узлы. Примером БИС является микропроцессор. БИС способствовали по­явлению персональных компьютеров. Увеличение количества тран­зисторов до миллионов привело к появлению сверхбольших ИС (СБИС).

Пятое поколение ЭВМ существует в теории. Основное требо­вание к ЭВМ — машина должна сама по поставленной цели составить план действий и выполнить его. Такой способ решения задачи на­зывается логическим программированием. Элементная база процес­сора — СБИС с использованием опто- и криоэлектроники. Оптоэлек­троника — раздел электроники, связанный с эффектами взаимодей­ствия оптического излучения с электронами в веществах (главным образом в твердых телах) и использованием этих эффектов для гене­рации, передачи, хранения, обработки и отображения информации.

Криоэлектроника (криогенная электроника) — область науки и техники, занимающаяся применением явлений, имеющих место в твердых телах при температуре ниже 120 К (криогенных температурах) в присутствии электрических, магнитных или электромагнитных полей (явление сверхпроводимости), для создания электронных при­боров и устройств.

Структура ЭВМ

Вычислительной называется техническая система способная вы­полнять действия посредством арифметических и логических опера­ций.

ЭВМ (персональный компьютер (ПК)) — это универсальная вы­числительная диалоговая система, реализованная на базе микропро­цессорных средств, компактных внешних запоминающих устройств, способная выполнять последовательность операций над информаци­ей определенной программы. В основе функционирования любой ЭВМ лежит архитектура.

Архитектура — это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодей­ствием основных ее функциональных узлов. В основе архитектуры современных ЭВМ лежат принципы, предложенные американским ученым и теоретиком вычислительной техники Джоном фон Ней­маном.

Обобщенная схема ЭВМ представлена на рис. 8.1.

Рис. 1. Структура ЭВМ

ЭВМ состоит из системного блока, к которому подключаются монитор и клавиатура. В системном блоке находятся основные ком­поненты ЭВМ:

• ВЗУ — внешние запоминающие устройства (жесткий диск, при­воды CD/DVD/Blu-Ray, флэш-память); некоторые ВЗУ располага­ются внутри системного блока и подключаются к контроллерам ВЗУ, а некоторые — снаружи системного блока и подключаются к портам ввода-вывода;

• ВК — видеокарта (видеоадаптер, видеоконтроллер) формирует изображение и передает его на монитор;

• ИП — источник питания обеспечивает питание всех блоков ЭВМ по системной шине;

• КВЗУ — контроллеры внешних запоминающих устройств управ­ляют обменом информацией с ВЗУ;

• КК — контроллер клавиатуры содержит буфер, в который по­мещаются вводимые символы, и обеспечивает передачу этих симво­лов другим компонентам;

• КПВВ — контроллеры портов ввода-вывода управляют обменом информацией с периферийными устройствами;

• МП — микропроцессор выполняет команды программы, управ­ляет взаимодействием всех компонент ЭВМ;

• ОЗУ — оперативное запоминающее устройство хранит исходные данные и результаты обработки информации во время функциони­рования ЭВМ;

• ПЗУ — постоянное запоминающее устройство хранит программы, выполняемые во время загрузки

• ПУ — периферийные устройства различного назначения: прин­теры, сканнеры, манипулятор «мышь» и др.;

• СА — сетевой адаптер (карта) обеспечивает обмен информаци­ей с локальными и глобальными компьютерными сетями.

К устройствам ввода информации относят клавиатуру и такие ПУ, как сканнеры, манипуляторы типа «мышь», джойстики, а к устройствам вывода информации — монитор и такие ПУ, как прин­теры.

Современную архитектуру ЭВМ определяют следующие принци­пы.

1. Принцип программного управления. Обеспечивает автомати­зацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу для решения каждой задачи составляется программа, которая определя­ет последовательность действий ЭВМ.

2. Принцип программы, сохраняемой в памяти. Согласно этому принципу команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в ОЗУ, что ускоряет процесс ее выполнения.

3. Принцип произвольного доступа к памяти. В соответствии с этим принципом элементы программ и данных могут записываться в произвольное место ОЗУ, что позволяет обратиться по любому за­данному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих.

Составные части ЭВМ образуют аппаратное обеспечение ЭВМ (hardware). Рассмотрим эти компоненты ЭВМ.

Микропроцессор

Микропроцессор (МП; CPU — CentralProcessingUnit (централь­ный обрабатывающий модуль)) — центральный блок ЭВМ, управ­ляющий работой всех компонент ЭВМ и выполняющий операции над информацией. Операции производятся в регистрах, составляю­щих микропроцессорную память.

Основные функции МП:

• выполнение команд программы, расположенной в ОЗУ; коман­да состоит из кода, определяющего, что эта команда делает, и опе­рандов, над которыми эта команда осуществляется;

• управление пересылкой информации между микропроцессорной памятью, ОЗУ и периферийными устройствами;

• обработка прерываний;

• управление компонентами ЭВМ.

Микропроцессор состоит из следующих блоков:

• АЛУ — арифметико-логическое устройство;

• ДБ — другие блоки (математический сопроцессор, модуль пред­сказания ветвлений);

• ДК — дешифратор команд;

• ИМП — интерфейс микропроцессора;

• Кэш L1 — кэш-память первого уровня;

• Кэш L2 — кэш-память второго уровня;

• МПП — микропроцессорная память;

• РОН — регистры общего назначения;

• PC — регистры смещений;

• РФ — регистр флагов;

• СР — сегментные регистры;

• УС — устройство синхронизации;

• УУ — устройство управления.

Рассмотрим назначение этих блоков МП.

Устройство управления выполняет команды, поступающие в МП в следующей последовательности:

1) выборка из регистра-счетчика адреса ячейки ОЗУ, где хранится очередная команда программы;

2) выборка из ячеек ОЗУ кода очередной команды и приема счи­танной команды в регистр команд;

3) расшифровка кода команды дешифратором команды;

4) формирование полных адресов операндов;

5) выборка операндов из ОЗУ или МПП и выполнение заданной команды обработки этих операндов;

6) запись результатов команды в память;

7) формирование адреса следующей команды программы.

Для ускорения работы перечисленные действия выполняются параллельно: один блок выбирает команду, второй дешифрует, третий выполняет, образуя конвейер команд.

Команды, поступающие в УУ, временно хранятся в кэш-памяти первого уровня, освобождая шину для выполнения других операций. Размер кэш-памяти первого уровня 8...32 Кбайт.

Арифметико-логическое устройство выполняет все арифметиче­ские (сложение, вычитание, умножение, деление) и логические (конъюнкция, дизъюнкция и др.) операции над целыми двоичными числами и символьной информацией.

Устройство синхронизации определяет дискретные интервалы времени — такты работы МП между выборками очередной команды. Частота, с которой осуществляется выборка команд, называется тактовой частотой.

Интерфейс МП (ИМП) предназначен для связи и согласования МП с системной шиной ЭВМ. Принятые команды и данные времен­но помещаются в кэш-память второго уровня. Размер кэш-памяти второго уровня — 256... 2 048 Кбайт. Ранее кэш-память второго уров­ня размещалась на материнской плате.

Микропроцессорная память включает в себя 14 основных двух­байтовых запоминающих регистров и множество (до 256) дополни­тельных регистров. Регистры — это быстродействующие ячейки па­мяти различного размера. Основные регистры можно разделить на 4 группы.

1. Регистры общего назначения (РОН, универсальные регистры): АХ, ВХ, СХ, DX. Можно работать с регистром целиком или отдельно с каждой его половинкой: регистром старшего (high) байта — АН, ВН, и регистром младшего (low) байта — AL, BL, CL, DL. Универсальные регистры имеют свое предназначение:

• АХ — регистр-аккумулятор, с его помощью осуществляется ввод- вывод данных в МП, а при выполнении операций умножения и де­ления АХ используется для хранения первого числа, участвующего в операции (множимого, делимого) и результата операций (произведе­ния, частного) после ее завершения;

• ВХ нередко используется для хранения адреса базы в сег­менте данных и начального адреса поля памяти при работе с массивами;

• СХ — регистр-счетчик, используется как счетчик числа повто­рений при циклических операциях;

• DX — используется как расширение регистра-аккумулятора при работе с 32-разрядными числами и при выполнении операции умно­жения и деления.

2. Сегментные регистры используются для хранения начальных адресов полей памяти (сегментов), отведенных в программах для хранения команд кода (регистр С-5), данных (DS), стека (SS), дополнительной области памяти данных при обмене между сегмента­ми (ES).

3. Регистры смещений IP, SP, ВР, 57, DI предназначены для хранения относительных адресов ячеек памяти внутри сегментов (смещений относительно начала сегментов).

4. Регистр флагов FL содержит одноразрядные флаги, управляю­щие выполнением программы в ЭВМ. Флаги принимают значения О или 1. Значения флагов устанавливаются независимо друг от друга.

Всего в регистре 9 флагов: 6 — статусные, отражающие результаты операций (флаги переноса, нуля, переполнения и др.); 3 — управ­ляющие, определяющие режим выполнения программы (флаги по­шагового выполнения программы, прерываний и направления об­работки данных).

МПП — это память с самым меньшим временем доступа в ЭВМ.

Другие блоки — это блоки, ускоряющие работу МП. АЛУ произ­водит действия только над двоичными целыми числами. Операции над числами с плавающей точкой выполняет математический сопро­цессор, освобождая МП от выполнения этих операций. Блок пред­сказания ветвлений программы просматривает программу на не­сколько шагов вперед, чтобы определить дальнейшее направление выполнения программы. Вероятность предсказания 80 — 90%.

Работа МП состоит в выборке очередной команды и ее выполне­ния. В некоторых случаях выполнение программы необходимо пре­рвать, например в случае ошибки вычисления. Такие случаи называ­ются прерываниями.

Выделяют два типа прерываний:

1) внутрипроцессорные прерывания, возникающие из-за непре­одолимого препятствия в выполнении программы, например запись данных в запрещенную для записи область ОЗУ или переполнение результата при вычислениях;

2) прерывания от внешних устройств не являются фатальными или ошибочными; прерывания второго типа возникают, когда требу­ется обмен данными с внешним устройством, например приводом компакт-дисков, а он не готов.

Основными параметрами МП являются тактовая частота, разряд­ность и рабочее напряжение.

Тактовая частота определяет количество элементарных операций (тактов), выполняемых МП за единицу времени. Тактовая частота со­временных МП измеряется в гигагерцах (1 Гц соответствует выполнению одной операции за одну секунду, 1 ГГц = 10⁹ Гц). Чем больше тактовая частота, тем больше команд может выполнить МП и тем больше его производительность. Первые МП, использовавшиеся в персональных компьютерах, работали на частоте 4,77 МГц (1 МГц = 10⁶ Гц). В на­стоящее время рабочие частоты современных МП превосходят 2 ГГц (2011 г.).

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных МП может принять и обработать в своих регистрах за один такт. Разряд­ность процессора определяется разрядностью внутренней шины, т.е. количеством проводников в шине, по которым передаются команды. Современные МП семейства Intel имеют 64 разряда.

Рабочее напряжение процессора обеспечивается материнской платой, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы. Рабочее напряжение процессоров не превышает 3 В. Снижение рабочего напряжения позволяет уменьшить размеры МП, а также уменьшить тепловыделение в МП, что повышает его производительность без угрозы перегрева.

МП все время с момента включения до момента выключения вы­полняет команды. Если поток команд заканчивается, например в случае простоя ЭВМ, то МП выполняет пустую команду NOP.

Системная шина

В основе устройства ЭВМ лежит системная шина, которая служит для обмена командами и данными между компонентами ЭВМ, рас­положенными на материнской плате. ПУ подключаются к шине через контроллеры. Такая архитектура ЭВМ называется открытой, так как легко может быть расширена за счет подключения новых устройств. Передача информации по системной шине также осуществляется по тактам.

Системная шина включает в себя:

• кодовую шину данных для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда из ОЗУ в МПП и об­ратно, имеет 64 разряда;

• кодовую шину адреса для параллельной передачи всех разрядов адреса ячейки ОЗУ, имеет 32 разряда;

• кодовую шину инструкций для передачи команд (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки ЭВМ; простые команды кодиру­ются одним байтом, но есть и команды, кодируемые двумя, тремя и более байтами, имеет 32 разряда;

• шину питания для подключения блоков ЭВМ к системе энерго­питания.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

1) между МП и ОЗУ;

2) между МП и контроллерами устройств;

3) между ОЗУ и внешними устройствами (ВЗУ и ПУ, в режиме прямого доступа к памяти).

Все устройства подключаются к системной шинечерез контрол­леры — устройства, которые обеспечивают взаимодействие внешних устройств и системной шины.

Чтобы освободить МП от управления обменом информацией между ОЗУ и внешними устройствами, например при чтении или записи информации, предусмотрен режим прямого доступа в память (DMA — DirectMemoryAccess).

Таким образом, МП может заниматься выполнением других ко­манд, не отвлекаясь на копирование информации между ОЗУ и внешними устройствами.

Характеристиками системной шины являются количество обслу­живаемых ею устройств и ее пропускная способность, т. е. максималь­но возможная скорость передачи информации.

Пропускная способность шины зависит от следующих параме­тров:

• разрядность или ширина шины — количество бит, которое может быть передано по шине одновременно (существуют 8-, 16-, 32- и 64-разрядные шины);

• тактовая частота шины — частота, с которой передаются биты информации по шине.

Наиболее распространенные шины.PCI (PeripheralComponentInterconnect) — самая распространенная системная шина. Быстро­действие шины не зависит от количества подсоединенных устройств. Поддерживает следующие режимы:

• PlugandPlay(Рп Р) — автоматическое определение и настрой­ка подключенного к шине устройства;

• BusMastering — режим единоличного управления шиной любым устройством, подключенным к шине, что позволяет быстро передать данные по шине и освободить ее.

AGP (AcceleratedGraphicsPort) — магистраль между видеокартой и ОЗУ.Разработана, так как параметры шины PCI не отвечают тре­бованиям видеоадаптеров по быстродействию. Шина работает на большей частоте, что позволяет ускорить работу графической под­системы ЭВМ.

Общие сведения

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) предназначены для долговременного хранения и транспортировки информации. ВЗУ взаимодействуют с системной шиной через контроллеры внешних запоминающих устройств (КВЗУ). КВЗУ обеспечивают интерфейс ВЗУ и системной шины в режиме прямого доступа к памяти, т. е. без участия МП.

Интерфейс — это совокупность связей с унифицированными сигналами и аппаратуры, предназначенной для обмена данными между устройствами вычислительной системы.

ВЗУ можно разделить по критерию транспортировки на перенос­ные и стационарные. Переносные ВЗУ состоят из носителя, подклю­чаемого к порту ввода-вывода (обычно USB), (флэш-память) или носителя и привода (накопители на гибких магнитных дисках, при­воды CD и DVD). В стационарных ВЗУ носитель и привод объеди­нены в единое устройство (накопитель на жестких магнитных дисках). Стационарные ВЗУ предназначены для хранения информации внутри ЭВМ.

Перед первым использованием или в случае сбоев ВЗУ необходи­мо отформатировать — записать на носитель служебную информа­цию, необходимую в дальнейшем при операциях чтения-записи с носителя.

Рассмотрим три типа ВЗУ, разделенные по критерию физической основы или технологии производства носителя: 1) магнитные носи­тели; 2) оптические носители; 3) флэш-память.

Магнитные носители

Магнитные носители основаны на свойстве материалов нахо­диться в двух состояниях: «не намагничено» —«намагничено», ко­дирующие 0 и 1. По поверхности носителя перемещается головка, которая может считывать состояние или изменять его. Запись дан­ных на магнитный носитель осуществляется следующим образом.

При изменении силы тока, проходящего через головку, происходит изменение напряженности динамического магнитного поля на по­верхности магнитного носителя, и состояние ячейки меняется с «не намагничено» на «намагничено» или наоборот. Операция счи­тывания происходит в обратном порядке. Намагниченные частички ферромагнитного покрытия являются причиной появления элек­трического тока. Электромагнитные сигналы, которые возникают при этом, усиливаются и анализируются, и делается вывод о значе­нии 0 или 1.

Из-за контакта головки с поверхностью носителя через некоторое время носитель приходит в негодность.

Рассмотрим три типа магнитных носителей.

1. Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД; harddisk — жесткий диск) представляют собой несколько дисков с магнитным покрытием, нанизанные на шпиндель, в герметичном металлическом корпусе. При вращении диска происходит быстрый доступ головки к любой части диска.

В НЖМД может быть до десяти дисков. Их поверхность размеча­ется дорожками (track). Каждая дорожка имеет свой номер. Дорожки с одинаковыми номерами, расположенные одна над другой на разных дисках, образуют цилиндр. Дорожки на диске разбиты на секторы (нумерация начинается с единицы). Сектор занимает 571 байт. Из них 512 байт отведено для записи данных. Оставшиеся 59 байт отведены под заголовок (префикс), определяющий начало и номер сектора, и окончание (суффикс), где записана контрольная сумма, необходимая для проверки целостности хранимых данных. Секторы и дорожки формируются во время форматирования диска. Разметка секторов зависит от типа диска. Жесткие диски устанавливаются в системном блоке и являются основным ВЗУ ЭВМ. Объем жестких дисков пре­вышает 1 Тбайт (2011 г.), а время доступа — 0,005 — 0,03 с.

2. Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД; FDD — FloppyDiskDrive) предназначены для записи информации на пере­носные носители — дискеты. Дискета представляет собой гибкий диск с магнитным покрытием, помещенный в жесткий корпус со шторкой, открываемой для доступа головки к диску, и прорезью для защиты от записи. Как и в случае жесткого диска, поверхность гиб­кого диска разбивается на дорожки, которые, в свою очередь, разби­ваются на секторы. Секторы и дорожки формируются во время фор­матирования дискеты. Дискеты могут быть двух размеров 5,25 дюймов (133 мм; является устаревшим) и 3,5 дюймов (89 мм). Для каждого типа дискеты нужен свой НГМД. Объем дискет — до 1,44 Мбайт, время доступа — 0,065 — 0,1 с. В настоящее время НГМД вытеснены флэш-памятью.

3. Дисковые массивыRAID (RedundantArrayofInexpensiveDisks — массив недорогих дисков с избыточностью) используются для хране­ния данных в суперкомпьютерах (мощных ЭВМ, предназначенных для решения крупных вычислительных задач) и серверах (подклю­ченных к сети ЭВМ, предоставляющих доступ к хранящимся в них данным).

Массивы RAID — это несколько запоминающих устройств на жестких дисках, объединенные в один большой накопитель, обслу­живаемый специальнымRAID-контроллером. Одна и та же инфор­мация хранится на различных жестких дисках и при потере инфор­мации на одном жестком диске восстанавливает ее с другого жестко­го диска. RAID-массивы поддерживают технологию PlugandPlay, т.е. замену одного из дисков без остановки всего массива.

Оптические носители

Оптические носители представляют собой компакт-диски диаме­тром 12 см (4,72 дюйма) или мини-диски диаметром 8 см (3,15 дюйма). Оптические носители состоят из трех слоев:

1) поликарбонатная основа (внешняя сторона диска);

2) активный (регистрирующий) слой пластика с изменяемой фазой состояния;

3) тончайший отражающий слой (внутренняя сторона диска).

В центре компакт-диска находится круглое отверстие, надеваемое на шпиндель привода компакт-дисков.

Запись и считывание информации на компакт-диск осуществля­ется головкой, которая может испускать лазерный луч. Физический контакт между головкой и поверхностью диска отсутствует, что уве­личивает срок службы компакт-диска. Фаза второго пластикового слоя, кристаллическая или аморфная, изменяется в зависимости от скорости остывания после разогрева поверхности лазерным лучом в процессе записи, выполняемой в приводе. При медленном остывании пластик переходит в кристаллическое состояние и информация сти­рается (записывается «О»); при быстром остывании (если разогрета только микроскопическая точка) элемент пластика переходит в аморфное состояние (записывается «1»). Ввиду разницы коэффици­ентов отражения от кристаллических и аморфных микроскопических точек активного слоя при считывании происходит модуляция интен­сивности отраженного луча, воспринимаемого головкой чтения. По­верхность диска разбита на три области. Начальная область (Lead-In) расположена в центре диска и считывается первой. В ней записано содержимое диска, таблица адресов всех записей, метка диска и дру­гая служебная информация.

Средняя область содержит основную информацию и занимает большую часть диска. Конечная область (Lead-Out) содержит метку конца диска.

Информация на компакт-диске кодируется с большой избыточ­ностью корректирующим кодом Рида —Соломона, обеспечивающего

восстановление исходной информации при невозможности ее счи­тывания с диска.

Компакт-диск выдерживает несколько сотен циклов перезаписи. Считывание информации осуществляется при вращении компакт- диска с частотой более 10 ООО об/мин.

В зависимости от возможности чтения/записи все компакт-диски можно разделить на три типа:

1) ROM (ReadOnlyMemory) — только для чтения; запись невоз­можна;

2) R (Recordable) — для однократной записи и многократного чтения; диск может быть однажды записан; записанную информацию изменить нельзя и она доступна только для чтения;

3) RW(Rewritable) — для многократной записи и чтения; инфор­мация на диске может быть многократно перезаписана.

Эти типы дисков отличаются материалом, из которого изготовлен второй пластиковый слой.

Рассмотрим виды компакт-дисков CD (CompactDisc), DVD (DigitalVersatileDisc — цифровой универсальный (многосторонний) диск) и Blu-Ray, имеющие одинаковый размер 4,72 дюйма.

Объем CD равен 650 или 700 Мбайт. Музыкальные диски отно­сятся к CD и предназначены только для чтения с них музыки. Время доступа к CD — 0,05 — 0,3 с.

Формат DVD являются развитием CD, объем составляет 4,7 Гбайт за счет более плотной записи. DVD продолжают совершенствоваться. Существует несколько конкурирующих форматов DVD: DVD-, DVD+ и DVD-RAM.

Формат Blu-Ray является дальнейшим развитием DVD и позво­ляет записывать 25 Гбайт информации на один слой.

Дисковод для оптических носителей состоит из следующих ча­стей:

• электродвигатель, который вращает диск;

• оптическая система, состоящая из лазерного излучателя, опти­ческих линз и датчиков и предназначенная для считывания инфор­мации с поверхности диска;

• микропроцессор, который руководит механикой привода, опти­ческой системой и декодирует прочитанную информацию в двоичный код.

Компакт-диск раскручивается электродвигателем. На поверхность диска с помощью привода оптической системы фокусируется луч из лазерного излучателя.

Луч отражается от поверхности диска и сквозь призму подается наданные считываются со скоростью 1200 Кбайт/с. Максимальнаяско-рость чтения с дисков Blu-Ray работы составляет 12х (54 Мбайт/с).

Оптические носители могут храниться до 100 лет, но они воспри-имчивы к царапинам, колебаниям температуры и механическим повреждениям.

Следует соблюдать следующие правила при работе с оптическими носителями:

• не класть диски отражающим слоем на стол или другие поверхности;

• хранить диски в коробках, а коробки в вертикальном положении;

• для длительного хранения информации выбирать диски однократной записи (-R), а не многократной (-RW);

• подписывать диск только на внешней стороне диска;

• не наклеивать наклейки и не использовать деформированные диски, так как это может привести к разбалансировке диска;

• не подвергать диск воздействию прямых солнечных лучей.

Флэш-память

Флэш-память представляет собой микросхемы памяти, заключенные в пластиковый корпус, и предназначена для долговременного хранения информации с возможностью многократной перезаписи.

Микросхемы флэш-памяти не имеют движущихся частей. При работе указатели в микросхеме перемещаются на начальный адрес блока, и затем байты данных передаются в последовательном порядке. При производстве микросхем флэш-памяти используются логические элементы NAND (И —НЕ). Количество циклов перезаписи флэш-памяти превышает 1 млн. В настоящее время размер флэш- памяти превышает 64 Гбайт (2011 г.),

Видеоподсистема ЭВМ

Видеокарта

Видеоподсистема ЭВМ включает в себя два устройства:

1) монитор (дисплей), отображающий на своем экране текстовую и графическую информацию;

2) видеокарта (ВК, видеоконтроллер, видеоадаптер), обеспечивающая формирование изображения, его хранение, обновление и преобразование в сигнал, отображаемый монитором.

Видеокарта представляет собой плату, устанавливаемую в специ­альный слот на материнской плате или интегрированную в материн­скую плату. Видеокарта содержит следующие элементы:

• графический процессор, обрабатывающий изображение и пре­образующий его в сигнал для монитора;

• видеопамять, хранящую воспроизводимую на экране информа­цию; объем видеопамяти превышает 1 Гбайт (2011 г.);

• цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), преобразующий циф­ровую информацию об изображении в аналоговый сигнал; характери­стиками ЦАП являются частота преобразования и разрядность, определяющая количество цветов, поддерживаемых видеокартой;

• видеоакселераторы; различают два типа видеоакселераторов: для плоской (2D) и трехмерной (3D) графики. Первые эффективны для работы с прикладными программами общего назначения, вторые ориентированы на работу с разными мультимедийными и развлека­тельными программами. Видеоакселераторы позволяют производить математические вычисления для построения трехмерных сцен на двухмерном экране без участия МП.

Типы мониторов

Рассмотрим три типа мониторов:

1) на основе электронно-лучевой трубки;

2) жидкокристаллические;

3) плазменные.

Первый тип мониторов является аналоговым, а остальные — циф­ровыми.

Ко всем типам мониторов применимы перечисленные в подразд. 8.7.2 характеристики.

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ; CRT — CathodeRayTube, катодно-лучевая трубка) представляет собой запаянную вакуумную

стеклянную колбу, дно (экран) которой покрыто слоем люминофора, а в горловине установлена электронная пушка, испускающая поток электронов.

С помощью формирующей и отклоняющей систем поток электро­нов направляется на нужное место экрана. Энергия, выделяемая попадающими на люминофор электронами, заставляет его светиться. Светящиеся точки люминофора формируют изображение, воспри­нимаемое визуально.

ЭЛТ-мониторы бывают монохромными или цветными. В цвет­ном ЭЛТ-мониторе используются три электронные пушки, в от­личие от одной пушки, применяемой в монохромных мониторах. Каждая пушка отвечает за один из трех основных цветов: красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue), путем смешивания которых создаются все остальные цвета и цветовые оттенки. Поэтому цвет­ные мониторы называют RGB-мониторами по первым буквам основных цветов.

Недостатками ЭЛТ-мониторов являются высокое потребление электроэнергии и вредное для здоровья человека излучение.

Для жидкокристаллических и плазменных мониторов вводятся еще две характеристики: время отклика и контрастность. Время от­клика — это минимальный временной промежуток, в течение кото­рого пиксель может полностью поменять свой цвет — от черного к белому и обратно (составляет 6 — 8 мс). Контрастность — это отно­шение яркости самого светлого и самого темного пикселя (составля­ет 30 000:1).

В жидкокристаллических мониторах (ЖК-мониторы; LCD — LiquidCrystalDisplay, жидкокристаллический монитор) используется специальная прозрачная жидкость, которая при определенных на­пряженностях электростатического поля кристаллизуется, при этом изменяются ее прозрачность, коэффициенты поляризации и пре­ломления световых лучей. Эти эффекты и используются для форми­рования изображения.

Конструктивно такой монитор выполнен в виде двух электропро­водящих стеклянных пластин (подложка), между которыми помеща­ется тончайший слой кристаллизующейся жидкости. Каждый элемент экрана управляется собственным транзистором, поэтому ЖК- мониторы также называют TFT-мониторами (TFT — ThinFilmTran­sistor, тонкопленочный транзистор). В цветных мониторах каждый элемент изображения состоит из трех отдельных пикселей (R, G и В), покрытых тонкими светофильтрами соответствующих цветов. По­скольку ячейки сами не светятся, ЖК-монитору требуется задняя подсветка.

Недостатками ЖК-мониторов являются ограниченность угла об­зора (качество изображения зависит от того, под каким углом вы смотрите), некачественная цветопередача, продолжительное время отклика, неравномерная подсветка.

В плазменных мониторах (PDP — PlasmaDisplayPanel) изобра­жение формируется сопровождаемыми излучением света газовыми разрядами в пикселях панели. Конструктивно панель состоит из трех стеклянных пластин, на две из которых нанесены тонкие прозрачные проводники: на одну пластину — горизонтально, на другую — вер­тикально.

Между ними находится третья пластина, в которой в местах пере­сечения проводников двух первых пластин имеются сквозные от­верстия — пиксели. Эти отверстия при сборке панели заполняются инертным газом: неоном или аргоном. При подаче высокочастотно­го напряжения на один из вертикально и один из горизонтально расположенных проводников в отверстии, находящемся на их пере­сечении, возникает газовый разряд. Чем больше напряжение, тем ярче светится газ.

Плазма газового разряда излучает свет в ультрафиолетовой части спектра, который вызывает свечение частиц люминофора в диапазо­не, видимом человеком. Фактически, каждый пиксель на экране ра­ботает как обычная флуоресцентная лампа (лампа дневного света).

Недостатками плазменных мониторов являются высокое энерго­потребление и низкая разрешающая способность.

Периферийные устройства

Клавиатура

Клавиатура — это стандартное клавишное устройство ввода, предназначенное для ввода алфавитно-цифровых данных и команд управления. Клавиатуры имеют по 101 —104 клавиши, размещенные по стандарту QWERTY (в верхнем левом углу алфавитной части клавиатуры находятся клавиши Q, W, Е, R, Г, Y).

Набор клавиш клавиатуры разбит на несколько функциональных групп:

• алфавитно-цифровые клавиши (буквы и цифры) предназначены для ввода знаковой информации и команд, которые набираются по­символьно;

• функциональные клавиши (FI —F12); функции клавиш за­висят от конкретной, работающей в данный момент времени про­граммы;

• клавиши управления курсором подают команды на передвиже­ние курсора по экрану монитора относительно текущего изображения (стрелки, а также клавиши PAGEUP, PAGEDOWN, HOME, END); курсор — экранный элемент, указывающий на место ввода знаковой информации;

• служебн<