Учебник_Информатика. Стандарт третьего поколениян. В. Макарова, В. Б. Волков
 Скачать 14.49 Mb.
|
|
1 IrDA (Infrared Data Association — ассоциация разработчиков систем передачи данных) — стан дарт на беспроводную передачу данных в инфракрасном (ИК) диапазоне частот. Wi-Fi (Wireless Fidelity — беспроводная точность, произносится как «вай-фай») и BlueTooth (в переводе с англ. — «синий зуб», произносится как «Блю Туз») являются стандартами (спецификациями) для сетей беспроводной передачи данных. 286 Глава 10. Аппаратная часть компьютера □ экранная клавиатура отображается на экране, нажатие клавиш на такой клави атуре осуществляется указывающим устройством; □ гибкая клавиатура выполнена в виде тонкого резинового коврика или пленки, ее можно свернуть в трубочку или сложить, как носовой платок; □ проекционная клавиатура позволяет проецировать изображения клавиш на стол или другую поверхность. На рис. 10.3 показана современная мультимедийная интернет-клавиатура, где хорошо видно, что помимо основной группы клавиш в верхней части клавиатуры и справа присутствуют дополнительные группы клавиш, предназначенные для управления воспроизведением мультимедийного контента и навигации по интер нет-страницам. Рис. 10.3. Мультимедийная интернет-клавиатура и мультимедийная мышь По мере развития компьютерной техники и программного обеспечения, осо бенно с появлением графических оконных оболочек, крайне актуальным стали указывающие устройства, позволяющие задавать определенные точки или объекты на экране, выбирать (путем щелчка), а также захватывать и перемещать экранные объекты (окна). Наиболее распространенным указывающим устройством сегодня является мышь. Типология мышей почти так же обширна, как типология клавиа тур. Мыши бывают: □ двухкнопочные и трехкнопочные; □ проводные и беспроводные; □ механические и оптические; □ многофункциональные. Так же, как и клавиатура, мышь передает информацию процессору через кон троллер. Получив информацию о передвижении мыши, контроллер генерирует прерывание IRQ12, и процессор считывает данную информацию из контроллера. Примером многофункциональной мыши может служить мышь, представленная на рис. 10.3. На ней помимо правой и левой кнопок имеется еще ряд элементов управления. Кроме двух основных устройство ввода в современной компьютерной технике существует большое количество устройств, позволяющих вводить данные разного типа в компьютер. 10.2. Устройства ввода 287 □ Указывающие устройства О Электронное перо выполнено в форме карандаша, внутри которого нахо дится светочувствительная матрица, способная считывать информацию с экрана компьютера. О Трекбол. Если в обыкновенной механической мыши шарик катается по ков рику, то в случае трекбола шар довольно большого размера находится под рукой пользователя. Прокручивая шар в разных направлениях, пользователь перемещает указатель на экране. О Тачпад — прямоугольная область, по которой пользователь может водить пальцем или осуществлять одинарные и двойные нажатия. Перемещения пальца приводят к перемещению указателя на экране, а одинарные и двой ные нажатия воспринимаются как одинарный или двойной щелчок мышью. Тачпадами оснащаются, в основном, ноутбуки, но встречаются также клави атуры для стационарных компьютеров со встроенным тачпадом. О Pointing stick — выполнен в виде миниатюрного джойстика с поверхностью, похожей на твердый шершавый ластик. Это устройство располагается в цент ре клавиатуры (обычно на ноутбуках) и при надавливании на него переме щает указатель по экрану влево, вправо, вверх или вниз. О Игровые джойстики могут быть самыми разными, от простейших рукояток, нагибающихся в четырех направлениях, до полных симуляторов кабины автомобиля или самолета. □ Устройства ввода графических данных О Сенсорными экранами мини-устройств оснащены по большей части на ладонные компьютеры. Экран выполняет одновременно функции и мыши, и клавиатуры. Ф ункция указывающего устройства выполняется путем прикосновений специальным пером (стилусом) к экрану, при этом ими тируется как одинарный, так и двойной щелчок (вместо терминов click и double-click тут применяется термины tap и double-tap). Такой способ ввода информации позволяет обходится без физической клавиатуры, ко торая заменяется экранным изображением. Кроме того, дополнительное программное обеспечение позволяет распознавать буквы, нарисованные на экране стилусом от руки. О Сенсорными экранами больших размеров оснащаются планшетные компью теры, а также профессиональные машины для компьютерного дизайна. Эти экраны предназначены в основном для ввода графического изображения путем рисования на экране стилусом. О Сканеры позволяют вводить графическую информацию, считывая ее с бу мажного листа. О Цифровые фотоаппараты. □ Устройства ввода звуковых данных О Микрофон. 288 Глава 10. Аппаратная часть компьютера О Линейный вход получает сигнал с выхода звуковой аппаратуры (магнито фонов, проигрывателей, телеприемников и прочих источников звуковых сигналов). О Midi-клавиатура. □ Устройства ввода видеоинформации О Цифровые и аналоговые видеокамеры со специальным видео-выходом. О Телеприемники. О Видеомагнитофоны. О Веб-камеры и камеры сотовых телефонов. □ Устройства ввода радиосигнала подключаются к высокочастотному входу для приема FM радио- и телевещания □ Сканирующие устройства для ввода символьной, числовой и биометрической информации (чтение штрих-кодов, отпечатков пальцев) □ Устройства считывания данных от датчиков бытовой, технологической и теле метрической аппаратуры Разнообразие современных устройств, предназначенных для ввода информации в компьютер, очень велико. Выше перечислены не все устройства, поскольку не прерывно появляются все новые и новые устройства, совершенствующие взаимо действие компьютера и человека. Концепция «умных вещей» и «умных жилищ», появившаяся в конце прошлого века, ныне бурно развивается, и в соответствии с ней возникает все больше и больше каналов, по которым компьютеры могут вос принимать данные и взаимодействовать с человеком. 10.3. Устройства вывода Существует главное устройство вывода данных из компьютера — монитор. Главенство монитора среди устройств вывода данных вполне объяснимо: человек воспринимает и осознает свыше 90 % всей входящей информации именно визуаль но. Таким образом, то устройство, которое обеспечивает генерацию изображения, всегда будет наиболее важным среди устройств вывода компьютера. 10.3.1. Мониторы Мониторы в своем развитии прошли путь от микроскопических по сегодняш ним меркам черно-белых (а вернее, черно-зеленых) экранов, работающих исклю чительно в текстовом режиме, до огромных плоских матриц, размеры которых заставляют отодвигаться от них подальше, иначе невозможно охватить взглядом всю их поверхность. В настоящее время персональные компьютеры работают с тремя основными типами мониторов: □ мониторы с электронно-лучевой трубкой; □ жидкокристаллические мониторы; □ мониторы с плазменной панелью. 10.3. Устройства вывода 289 Монитор с электронно-лучевой трубкой Конструкция монитора с электронно-лучевой трубкой (C athode-R ay Tube display, CRT), которая показана на рис. 10.4, абсолютно соответствует названию. Внутри этих мониторов находятся: □ катод, раскаляющий проводник так, чтобы вокруг него возникло облако элек тронов; □ трубка с тремя магнитными ловушками, создающими из электронов катода три хорошо сфокусированных луча; □ дисплей, покрытый светящимся под воздействием электронного луча слоем. Красный Синий Рис. 10.4. Монитор с электронно-лучевой трубкой Каждая точка экрана состоит из трех компонентов — красного, зеленого и сине го, а каждый из лучей заставляет светится с заданной яркостью один или несколько этих компонентов. В результате получается картинка, в которой смешение трех основных цветов создает всевозможные оттенки всех цветов. Среди достоинств современных мониторов с электронно-лучевой трубкой можно отметить только два: они дешевле по сравнению с жидкокристаллическими и плазменными мониторами и могут менять в определенных пределах свое раз решение. Все остальные параметры при сравнении много хуже. Мониторы с элек- тронно-лучевой трубкой занимают больше места, имеют больший вес, потребляют много электроэнергии, генерируют сильные электромагнитные поля, а четкость изображения у них хуже, чем у жидкокристаллических и плазменных мониторов. Эти мониторы постепенно заменяются жидкокристаллическими и плазменными. Жидкокристаллические мониторы Жидкокристаллический монитор (Liquid Crystal Display, LCD), или жидкокри сталлический дисплей (Ж КД), представляет собой плоский экран, характеризую щийся хорошей четкостью, фиксированным разрешением (количеством отобра жаемых точек), небольшим энергопотреблением, малыми габаритами (в глубину) и весом, к тому же он вполне доступен по цене. При более четком отображении ЖКД обладает куда меньшими показателями излучения от экрана и мощности электромагнитных полей. 290 Глава 10. Аппаратная часть компьютера Рис. 10.5. Жидкокристаллический монитор Принцип действия Ж КД основан на способности физической структуры, на званной «жидкими кристаллами», менять свою светопроводность (вернее, цве- топроводность) в зависимости от поданного на них напряжения. Таким образом, получая на входе определенный цветовой спектр, жидкие кристалы, в зависимости от того, какое напряжение на них подается, пропускают только свет определенного цвета. Каждой точке экрана соответствует одна жидкокристаллическая ячейка, которая в результате подачи на нее электрического сигнала становится светофиль тром и подсвечивается светом того или иного цвета. Поскольку матрица ЖКД сформирована из заранее установленного количества ячеек, эти дисплеи имеют фиксированные размер и разрешение экрана. Если для настольных персональных компьютеров и рабочих станций вы можете выбирать между тремя типами дисплеев, то для наладонных устройств и ноутбуков ЖКД на сегодняшний день — единственное приемлемое решение. Плазменные мониторы Конструктивно плазменные мониторы, как и жидкокристаллические, имеют вид плоских панелей. Плазменные мониторы работают за счет свечения инертного газа в плазменном разряде. Каждая ячейка (точка экрана) плазменного монитора представляет собой сочетание трех миниатюрных люминесцентных ламп, каждая из которых может светиться своим цветом (красным, зеленым или синим). Для того чтобы плазменный разряд возник, необходимо подвести к электродам до вольно высокое напряжение, что делает плазменные дисплеи весьма энергоемкими устройствами. Кроме этого, плазменные панели имеют ограничение по размеру отображаемой точки на экране. На самом деле, если вам необходимо в некотором объеме разместить три люминесцентные лампы, этот объем невозможно уменьшать до бесконечности. Для современных плазменных дисплеев предел составляет около половины миллиметра. Таким образом, с точки зрения четкости изображения для плазменных панелей «чем больше размер, тем лучше». Когда плазменные панели 10.3. Устройства вывода 291 применяются для представления изображений на большой площади, им нет равных как по четкости изображения, так и по насыщенности цвета. Плазменные панели потребляют гораздо больше электроэнергии, чем жидко кристаллические, они имеют ограничение по размеру точки экрана и значительно дороже ЖКД. Их применение ограничено экранами телевизоров и мониторами особо крупного размера (скорее для коллективного, чем для индивидуального пользования). Общая схема вывода изображения Изображение через системную шину записывается в видеопамять, которая расположена на плате видеоадаптера. Затем видеоадаптер считывает изображе ние из видеопамяти, преобразуя его в видеосигнал, который и подается на вход монитора. Видеосигнал имеет стандартные параметры, поэтому мы можем под ключать к компьютеру мониторы разных типов (с электронно-лучевой трубкой, жидкокристаллические, плазменные), используя один и тот же разъем на одном и том же видеоадаптере. 10.3.2. Принтеры Первые устройства вывода на печать появились примерно в одно и то же время с устройствами вывода на экран (в 60-х годах прошлого века). На заре истории развития компьютеров принтеры играли более важную роль. Результаты компью терных вычислений выводились на бумагу — никому не нужны были результаты вычислений на экране. С тех пор многое изменилось, и сейчас вполне можно себе представить персональный компьютер без принтера, но без монитора его предста вить невозможно. Однако если говорить о важности устройств вывода, то принтер стоит в очереди непосредственно после монитора. Сколь бы ни были красивы созданные изображения на экране, рано или поздно появляется необходимость получить изображение (будь то текст или рисунок), отпечатанное на бумаге. По конструкции и принципу действия принтеры можно подразделить на сле дующие группы: □ матричные принтеры (ныне почти не встречаются); □ струйные принтеры; □ лазерные принтеры. Матричные принтеры Принцип действия матричного принтера очень напоминает принцип действия печатной машинки: есть лента, покрытая красящим веществом, бумага и печатаю щая головка. Но если в печатной машинке для пропечатывания каждого символа был свой боек с гравировкой, то в матричном принтере символ формируется при помощи иголок, выстреливающих из печатного узла под действием электромаг нитов. Иголки выдвигаются сквозь отверстия в прямоугольной матрице, отсюда 292 Глава 10. Аппаратная часть компьютера и пошло название принтера. Таким образом, каждая буква собирается из точек, которые появляются при ударе иголки по ленте. Матричные принтеры прожили довольно долгую жизнь, и изрядную часть своего пути персональные компьютеры в прошлом столетии прошли под аккомпанемент стрекотания матричных прин теров. В сравнении с современными типами принтеров у матричных принтеров практически нет никаких плюсов: они громоздки, производят много шума, потре бляют много электроэнергии, лента на них быстро изнашивается, да и остальные части механизма довольно часто выходят из строя. Но самое главное — они мед ленно печатают. Скорость печати среднего матричного принтера вполне сравнима со скоростью печати хорошей машинистки. Все эти факторы привели к тому, что с появлением струйных и лазерных принтеров матричные принтеры практически сразу ушли в прошлое. 10.6. Матричный принтер Струйные принтеры Первыми на смену матричным игольчатым принтерам пришли струйные прин теры. Их принцип действия основан на выбрасывании специальных чернил через сопла размером в микроны под высоким давлением. Все компоненты струйного принтера были разработаны довольно быстро, принцип действия, который при меняется в этих устройствах, применялся задолго до их появления для маркировки различного рода упаковок и грузов. Однако для длительной, скоростной и точной печати на бумаге нужны очень маленькие размеры капель, которые выбрасывают сопла, а это значит, что диаметр сопел тоже должен быть очень малым. Необхо димость в уменьшении размера капель и диаметра сопел упиралось всего в одну вещь — чернила. Вся история струйных принтеров — это в первую очередь история поисков волшебной формулы чернил. Чернила для струйного принтера должны обладать широким спектром взаимоисключающих свойств. Например, они должны мгновенно высыхать на бумаге и совершенно не сохнуть внутри механизма прин тера. Они должны быть достаточно вязкими, чтобы не расплываться при ударе о бумагу, и достаточно текучими, чтобы не застревать внутри сопла. Они должны быть стойкими и несмываемыми там, куда их наносят, и легко удаляться при очистке печатной головки. Недаром сегодня, купив недорогой струйный принтер, 10.3. Устройства вывода 293 пользователь с удивлением узнает, что картридж с чернилами составляет едва ли не половину стоимости покупки. Среди достоинств струйного принтера можно назвать высокое качество печати, в особенности цветной, при приемлемой цене. Недостатком (в сравнении с лазерными принтерами) являются повышенный шум во время печати (поскольку печатающий механизм, как и в матричном принтере, постоянно перемещается по всей ширине листа) и проблемы, которые могут воз никнуть, если принтером долго не пользоваться (чернила со временем в печатных соплах подсыхают). Рис. 10.7. Струйный принтер Лазерные принтеры В лазерных принтерах принцип печати такой же, как у большинства современ ных копировальных машин. Есть фотобарабан, поверхность которого в ходе под готовки к печати заряжается отрицательно. Затем на фотобарабан лазерным лучом наносится рисунок, то есть создаются точки, лишенные отрицательного заряда. Тонер (красящий порошок), обладающий магнитными свойствами, притягивается к фотобарабану только в тех местах, с которых лазерный луч снял отрицательный заряд. С фотобарабана тонер переносится на бумагу под действием расположенного с обратной стороны бумаги магнитного барабана. На последнем этапе бумага с то нером пропускается сквозь валики, сильно сжимающие и нагревающие ее, — так происходит закрепление (запекание) изображения на листе. У лазерных принтеров практически нет недостатков. Тонер для них достаточно дешев, скорость печати может быть гораздо выше, чем у струйных принтеров, каче ство изображения практически типографское. Цена на монохромные (черно-белые) лазерные принтеры сравнима с ценой на струйные принтеры. И к тому же лазерные принтеры почти бесшумны (все, конечно, зависит от модели, есть модели, которые при совершенно бесшумном процессе печати производят столько звуков в процессе захвата и выпуска листа, что все преимущество бесшумной печати сводится на нет). Однако преимущество в соотношении цена/качество для лазерных принтеров очевидно только при монохромной печати. Цветные лазерные принтеры весьма дороги, и это вполне объяснимо: для нанесения тонера четырех цветов (черный, 294 Глава 10. Аппаратная часть компьютера красный, зеленый, синий), из которых формируется цветное изображение, внутри одного цветного принтера практически работают четыре монохромных принтера, выстроенных в одну технологическую цепочку и требующих особо точного меха низма позиционирования листа бумаги. 10.3.3. Устройства вывода звука Звук выводится из компьютера через разъемы видеоадаптера на устройства вос произведения звука — звуковые колонки или головные телефоны. При этом звук может иметь двойную природу — это может быть естественный звук, хранимый на компьютере в цифровом виде, или звук синтезированный. Для кодирования и хранения в цифровом виде естественный звук должен быть дискретизирован и преобразован в бинарный вид. Этим занимается расположенное на звуковой кар те устройство аналого-цифрового преобразования. При воспроизведении оцифро ванного звука нужно произвести обратное преобразование (цифроаналоговое), чем занимается цифроаналоговый преобразователь, также расположенный на звуковой карте. Он преобразует поток двоичных данных в аналоговый электрический сигнал, который в колонках или головных телефонах превращается в звук. Немного иной процесс происходит при записи и воспроизведении синтезиро ванного звука (Musical Instrum ents Digital Interface, M IDI). Синтезированный звук не нуждается в преобразовании из цифровой формы в аналоговую и обратно. При записи синтезированного звука в память компьютера записывается последо вательность чисел, в которых закодировано всего три вещи: нота (высота тона), инструмент и длительность звучания. Такую запись можно сделать напрямую со специального музыкального инструмента (M ID I-клавиатура) или же при помощи программы — редактора M ID I-файлов. При воспроизведении такого звука специ альный синтезатор, микросхема которого также расположена на звуковой карте, принимает записанные в память данные и генерирует звук того инструмента, той высоты и той длительности, которым соответствует полученное им число. Само звучание музыкальных инструментов, включая ударные и шумовые эффекты, хранится в M ID I-банках и в нужный момент просто извлекается и подставляется в последовательность воспроизводимых звуков. Рис. 10.8. Лазерный принтер 10.3. Устройства вывода 295 Рис. 10.9. Устройства вывода звука 10.3.4. Другие устройства вывода Кроме перечисленных выше устройств, к компьютеру можно подключать до полнительные устройства вывода данных различной природы: □ плоттер для вычерчивания чертежей большого масштаба; □ механизмы управления роботизированными устройствами и технологическими процессами; □ сигнальные устройства различного рода; □ факс-модем — в этом случае при подключении к телефонной линии компьютер можно использовать для отправки факсов (в отличие от электромеханического факсимильного аппарата в качестве факса можно отправить изображение, от сканированное задолго до момента отправки). Рис. 10.10. Плоттер и факс-модем 296 Глава 10. Аппаратная часть компьютера 10.4. Материнская плата Основными компонентами, устанавливаемыми на материнской плате (рис. 10.11), являются: процессор, постоянная память (BIOS), контроллеры внешних устройств и чипсет. Современный чипсет строится на базе двух С Б И С 1: «северного» и «южного» мостов. Микросхемы чипсета, установленные на материнской плате, предна значаются для работы с определенным типом процессора (или его подтипами). Разъем для процессора {socket или slot) также однозначно соответствует кон фигурации корпуса микросхемы процессора и количеству его ножек. Таким образом понятия «процессор», «материнская плата» и «чипсет» оказываются тесно связанными: невозможно использовать процессор, не предназначенный для установки на данной материнской плате, и, наоборот, невозможно задействовать материнскую плату, не предназначенную для установки на нее определенного типа процессора. Рис. 1 0 .1 1 . Материнская плата 1 И н тегр ал ьн ая п ам ять (И С ) — эл ектр о н н ая схема, и зготовленн ая на полупроводниковом кристалле и помещ енная а неразборны й корпус. С верхбольш ая И С (И Б И С ) содерж ит до 1 м иллиона элементов в кристалле. 10.5. Память компьютера 297 10.5. Память компьютера За функцию хранения данных в комьютере отвечает целый ряд самых разных компонентов, объединенных одним названием — память (запоминающее устрой ство), крайне различных как по назначению, так и по принципу действия. Общим для всех компонентов памяти является то, что доступ к хранимым дан ным осуществляется по адресам, указывающим на ячейки памяти. Ш Ш Ш : В зависимости от принятой системы адресации ячейка памяти может иметь объем от байта до одной из степеней двойки (16, 32, 64 и более) битов. В современном компьютере можно выделить четыре основных типа памяти: □ внутрипроцессорная память; □ оперативная память, или оперативное запоминающее устройство (О ЗУ ); □ постоянная память, или постоянное запоминающее устройство (П ЗУ ); □ дисковая память, или память на внешних носителях. 10.5Л. Внутрипроцессорная память К внутрипроцессорной памяти относятся: □ регистровая память; □ кэш первого и второго уровней. Регистровая память Регистровая память имеет самый маленький объем и является самой быстрой. Если быть точным, регистровая память не просто расположена в микросхеме про цессора, она является неотъемлемой частью арифметико-решающего и управля ющего устройств. Именно в регистры загружается команда для ее декодирования и выполнения, а также данные для выполнения операций над ними. Каждый из регистров процессора представляет собой 32-, 64- или 128-битную последова тельность. Кэш-память В современных процессорах встроенный кэш первого (L1) и второго (L2) уров ней предназначен для временного хранения данных и команд, чтобы при повторном использовании не приходилось через системную шину вновь извлекать данные и команды из основной памяти компьютера. Поскольку производительность процессора всегда больше, чем производительность остальных компонентов, то повторное обращение через системную шину за уже извлекавшимися данными — 298 Глава 10. Аппаратная часть компьютера нежелательная процедура, которой лучше избежать. При этом кэш первого уровня весьма мал размером, от 8 до 16 Кбайт, но его скорость сравнима со скоростью ра боты регистров. Кэш второго уровня более объемистый, до 512 Кбайт, но немного более медленный, чем кэш первого уровня. Однако в любом случае кэши первого и второго уровней — гораздо более быстрый вид памяти, чем вся остальная память компьютера, которая находится вне процессорного чипа и к которой необходимо обращаться через системную шину. Кэш-память играет важную роль в поддержании производительности процес сора. Если отключить кэширование, то производительность компьютера может упасть в десятки раз. По мере развития полупроводниковых технологий тактовая частота процессора увеличивалась гораздо быстрее, чем тактовая частота шины памяти. Для увеличе ния производительности кэш-память второго уровня старались всячески прибли зить к центральному процессору, чтобы иметь возможность увеличить ее частоту по сравнению с частотой шины памяти. Если сначала кэш-память второго уровня выполнялась в виде микросхем, которые устанавливались на системной плате в непосредственной близости от центрального процессора (Pentium I), то затем их стали выполнять внутри корпуса микросхемы процессора (Pentium II), а позже разместили непосредственно на кристалле процессора (Pentium III и Pentium IV). Размещение кэш-памяти второго уровня непосредственно на кристалле практиче ски полностью устранило разницу в быстродействии кэша и регистровой памяти. Как показано в табл. 10.2, по мере увеличения тактовой частоты процессора кэш память второго уровня все теснее интегрировалась с центральным процессором. Таблица 10.2. Динамика развития кэшей первого и второго уровней в семействе процессоров Pentium |