вычислительные системы в информатике. вычислительные системы (копия). В россии в xvixvii веках появилось намного более передовое изобретение
 Скачать 0.79 Mb.
|
|
Каналы и интерфейсы ввода и вывода Оперативное запоминающее устройство Память, в которой хранятся исполняемые программы и данные, называется оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), или RАМ ( Random Access Меmогy) — памятью со свободным доступом. ОЗУ позволяет записывать и считывать информацию из адреса памяти, обращаясь к нему по его номеру. Адрес памяти имеет стандартное число двоичных разрядов, обычно размер ячейки ОЗУ равен одному байту. Информация в ОЗУ сохраняется все время, пока на схему памяти подается питание, т. е. она является энергозависимой. Существуют два вида ОЗУ: динамическое ОЗУ, или DRАМ (Dinamic RАМ) и статическое ОЗУ, или SRАМ (Static RAM). Разряд динамического ОЗУ построен на одном транзисторе и конденсаторе и представляет информационный бит. Из-за токов утечки такие конденсаторы быстро разряжаются, и их периодически (примерно каждые 2 миллисекунды) подзаряжают специальные устройства. Этот процесс называется регенерацией памяти. При записи или чтении из такого устройства требуется время для накопления или стекания заряда на конденсаторе. Поэтому быстродействие динамического ОЗУ на порядок, ниже, чем у статического. Статическая (или кэш-память, cache— запас) работает практически с той же скоростью, что и процессор. Конструктивно элемент статической памяти представляет собой триггер на четырех или шести транзисторах. Кэш-память может быть как встроенной в процессор, так и отдельной от него микросхемой, устанавливаемой на системной плате. Емкость статических ОЗУ значительно меньше, чем у динамических, кроме того, они более энергоемки и значительно дороже. Обычно статическое ОЗУ используется в качестве небольшой буферной сверхбыстродействующей памяти. В современных процессорах кэш-память делится на уровни. На кристалле самого процессора находится кэш-память первого уровня, она имеет емкость 16т—128 Кбайт и скорость, равную скорости процессора. В корпусе процессора на отдельном кристалле находится кэш-память второго уровня объемом 256 Кбайт и более. Наконец, память третьего уровня расположена на системной плате, ее емкость может достигать 1000 Мбайт. В одном адресном пространстве с ОЗУ находится специальная память, предназначенная для постоянного хранения таких программ, как тестирование и начальная загрузка компьютера, управление внешними объектами. Эта память называется постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) или RОМ (ReadOnlyMemori ) и является энергонезависимой. Бывают два вида ПЗУ: программируемое однократно и перепрограммируемое ПЗУ. Память, первого типа не позволяет изменять записанную в нее информацию, из такой памяти можно только читать. Память второго типа допускает многократную перезапись своего содержимого, стирание хранящейся информации осуществляется электрическим сигналом повышенной мощности. Внутренние шины передачи данных Шина— это устройство, обеспечивающее связь центрального процессора с периферийными устройствами компьютера. Существуют общая и периферийные шины. Общая шина делится на три отдельные шины по типу передаваемой информации: шину адреса, шину данных и шину управления. Каждая шина характеризуется числом параллельных проводников для передачи информации. Эта характеристика называется шириной шины. Другой важной характеристикой является тактовая частота шины — это частота формирования циклов передачи, информации. На этой частоте работает контроллер шины. Шина адреса предназначена для передачи адреса памяти или адреса порта ввода/вывода. Если ширина шины равна п, токоличество адресуемой памяти равно 2n. Шина данных передает команды и данные, ее ширина составляет обычно 32 - 64 проводников. Ширина шины управления определяется алгоритмом ее работы или иначе протоколом работы шины. Примерный протокол работы шины таков. Первый такт работы инициируется процессором, который выставляет на шину адреса адрес внешнего порта или адрес памяти и управляющие сигналы, определяющие вид обмена. На втором такте процессор ждет от устройства сигнала о готовности к приему или передаче информации. Второй такт может повторяться до тех пор, пока не будет получен сигнал о готовности устройства. На третьем такте процессор выставляет на шину данных передаваемую информацию при записи или открывает шину данных для приема информации. Наконец, на четвертом такте происходит собственно обмен. Для повышения производительности центрального процессора и всего компьютера в целом включаются дополнительные шины, связывающие напрямую процессор и отдельные наиболее быстродействующие устройства. В персональных компьютерах фирмы IBM применяются общие шины, имеющие следующие характеристики: общая шина РСI ( Peripheral Component Interconnect ) c тактовой частотой 66 МГц, шириной шины адреса — 32, шины данных — 64 разряда, пропускной способностью 528 Мбайт/с; общая шина РСМIСА ( Personal Computer Card International Association ) с параметрами, аналогичными шины РСI . Используется в переносных компьютерах класса ноутбук. Периферийные устройства Внешние запоминающие устройства Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) обеспечивают долговременное хранение программ и данных. Все эти устройства обладают большим объемом сохраняемой информации и являются энергонезависимыми. Устройства внешней памяти весьма разнообразны. Их можно классифицировать по целому ряду признаков: по виду носителя, типу конструкции, по принципу записи и считывания информации, методу доступа и т. п. Наиболее распространены следующие типы ВЗУ: накопители на магнитных дисках (НМД): накопители на гибких магнитных дисках (НГМД); накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД); накопители на магнитных лентах (НМЛ); накопители на оптических дисках (НОД). У магнитных дисков в качестве запоминающей среды используются магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса, позволяющие фиксировать два магнитных состояния, т. е. два (противоположных) направления намагниченности. Устройство для чтения и записи информации на магнитном диске называется дисководом. Все магнитные диски характеризуются своим диаметром. Этот параметр называется форм-фактором. Информация на диск записывается и считывается магнитной головкой, которая перемещается радиально с фиксированным шагам, а сам диск при этом вращается вокруг своей оси с переменной угловой скоростью, с постоянной линейной ( рис. 3.5.). Информация на диске расположена на концентрических окружностях— дорожках (треках). Количество дорожек и их емкость зависит от типа магнитного диска, качества головок и магнитного покрытия. Каждая дорожка разбита на сектора. В одном секторе дорожки может быть помещено 128, 256, 512 или 1024 байта (обычно 512) данных. Обмен данными осуществляется последовательно целым числом секторов. Кластер — это минимальная единица размещения информации на диске, состоящая из одного или нескольких смежных секторов дорожки. Поле памяти, отводимое каждому файлу, выделяется кратным определенному количеству кластеров, которые могут находиться в любом свободном месте дисковой памяти и необязательно являться смежными. Файлы, хранящиеся в разбросанных по диску кластерах, называются фрагментированными.  Рис. 3.5. Структура поверхности магнитного диска Физическая структура диска определяется количеством дорожек и числом лекторов на каждой дорожке. Она задается при форматировании диска по специальной программе. Кроме физической структуры различают еще и логическую структуру диска. Логическая структура определяется файловой системой, реализованной на диске. Эта структура подразумевает выделение некоторого количества секторов для выполнения служебных функций размещения файлов и каталогов на диске. Основа дисков изготавливается из алюминия и керамики, на которые наносится магнитный слой. Магнитные диски бывают гибкими и жесткими. Гибкий диск или дискета — носитель небольшого объема информации, представляющий собой гибкий пластиковый диск в защитной оболочке. Используется для переноса данных с одного компьютера на другой и для распространения программного обеспечения. Гибкие диски имеют объем хранимой информации 1.44 - 2.88 Мбайт. Наибольшее распространение получили гибкие диски с форм-фактором 3.5 дюйма, но существуют диски с форм-факторами 5.25 и 1.8 дюйма. Накопители на жестких дисках — это наиболее массовое запоминающее устройство большой емкости, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые пластины — плоттеры, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Используются для постоянного хранения информации — программ и данных. Такие диски получили название "винчестер". Этот термин возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска емкостью 16 Кбайт ( IBM ,1973 год), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром "30/30" известного охотничьего ружья фирмы "Винчестер". В настоящее время используются диски с объемом 120 000 - 160 000 Мбайт, причем это значение постоянно увеличивается. Максимальная емкость и скорость передачи данных существенно зависят от интерфейса накопителя. Для повышения скорости обмена данными некоторые жесткие диски имеют свою кэш-память, которая может быть встроенной в дисковод или создаваться программным путем в оперативной памяти. Накопители на магнитных лентах исторически были первыми ВЗУ вычислительных машин. В универсальных ЭВМ используются накопители на бобинной магнитной ленте, а в персональных ЭВМ — накопители на кассетной магнитной ленте. Кассеты с магнитной лентой называются картриджами. Они отличаются шириной магнитной ленты и объемом хранимой информации. Сейчас емкости картриджей достигают 16 Гбайт. Лентопротяжные механизмы для картриджей носят название стримеров. Это инерциальные механизмы, поэтому время доступа к информации в накопителях на магнитной ленте достигает десятков секунд, что позволяет использовать картриджи лишь для резервного копирования, архивации информации с жестких дисков и хранения пакетов программ. Скорость считывания информации в стримерах невысока и составляет около 100 Кбайт/с. Накопители на оптических дисках. Впервые компакт-диск был предложен в 1982 году фирмами Philips и Sony для записи звуковой информации. Объем информации, записанной на компакт-диске, составляет 600-700 Мбайт. Диск представляет собой полимерный круг диаметром 12 см и толщиной 1.2 мм, на одну сторону которого напылён светоотражающий слой алюминия, защищенный от повреждения слоем прозрачного лака. Толщина напыления составляет несколько десятитысячных долей миллиметра. Информация на диске представляется в виде последовательности впадин и выступов, расположенных на спиральной дорожке, выходящей из области вблизи оси диска . На каждом дюйме по радиусу диска размещается 16 тысяч витков спиральной дорожки. Запись на компакт-диск при промышленном производстве наносится в несколько этапов с помощью мощного инфракрасного лазера. Флэш-память. Все дисковые устройства- памяти имеют механические детали, надежность которых недостаточна. Это привело к созданию флэш-памяти, обладающей малой энергоемкостью, небольшими размерами и значительным объемом. Эта память допускает неограниченное число циклов перезаписи. В ней использован новый принцип записи и считывания информации. Кристалл схемы флэш-памяти состоит из трех слоев. Средний слой изготовлен из ферроэлектрического материала, два крайних слоя представляют собой матрицу проводников для подачи напряжения на средний слой. При такой подаче информация записываетется или считывается со среднего слоя. Конструктивно флэш-память выполняется в виде отдельной микросхемы с контроллером, размером 40x16x7 мм, ее объем сейчас может достигать нескольких десятков Гбайт. Видеотерминалы Видеотерминалы предназначены для оперативного отображения текстовой и графической информации и состоят из видеомонитора (дисплея) и видеоконтроллера. Видеоконтроллеры входят в состав системного блока компьютера, а видеомониторы — это внешние устройства. Дисплеи классифицируются по нескольким разным параметрам, отражающих их назначение и возможности в конкретной компьютерной системе. Бывают дисплеи монохромные и цветные. Монохромный дисплей производит отображение в двух цветах— черном и белом или зеленом и черном. Цветной дисплей может воспроизводить все основные цвета и сотни оттенков. Все персональные компьютеры используют мониторы следующих типов: на основе электроннолучевой трубки; на основе жидкокристаллических индикаторов); плазменные мониторы ; электролюминесцентные мониторы ; самоизлучающие модиторы . Основные характеристики дисплеев с точки зрения пользователя— это размер экрана и разрешающая способность. Персональные компьютеры оснащаются мониторами с размером экрана по диагонали 15, 17, 19, 21 и 22 дюйма. Разрешающая способность определяется числом пикселов по горизонтали и вертикали. Стандартные значения разрешающей способности современных мониторов следующие: 800x600, 1024x768, 1800x1440, 2048x1536. Значение разрешающей способности определяет качество изображения на экране. Разрешающая способность определяет объем видеопамяти, которая содержит сведения о цвете каждого пиксела, задающего наиболее мелкую деталь изображения. Современные видеоконтроллеры для хранения цвета каждого пиксела расходуют 4 байта памяти, поэтому общий объем видеопамяти доходит до 128 Мбайт. Еще одной важной технической характеристикой дисплея является рабочая частота кадровой развертки; она влияет на утомляемость глаз при продолжительной работе на компьютере. Частота смены кадров связана с разрешающей способностью, именно чем выше разрешающая способность, тем меньше частота смены кадров. Мониторы на основе ЭЛТ используют электронно-лучевые трубки, применяемые в обычных телевизионных приемниках. Основной элемент такого монитора — электронно-лучевая трубка . Ее передняя, обращенная к зрителю часть с внутренней стороны покрыта люминофором — специальным веществом, способным излучать свет при попадании на него быстрых электронов. Люминофор наносится в виде набора точек трех основных цветов: красного, зеленого и синего. Наборы точек люминофора располагаются по треугольным триадам (рис. 3.6.). Триада и образует пиксел— точку. Из этих точек формируется изображение. Расстояние между центрами пикселов называется точечным шагом монитора. Это расстояние существенно влияет на четкость изображения. Чем меньше шаг, тем выше четкость. Обычно в цветных мониторах шаг составляет 0.24 мм. При таком шаге глаз человека воспринимает точки триады как одну точку смешанного цвета. Современные мониторы могут отображать до 16 млн. оттенков цветов в каждой точке.  Рис. 3.6. Пиксельные триады Перед экраном на пути электронов ставится маска — тонкая металлическая пластинка с большим количеством отверстий, расположенных напротив точек люминофора. Маска обеспечивает попадание электронных лучей только в точки люминофора соответствующего цвета. Жидкокристаллические мониторы представляют собой плоские панели с прозрачной жидкостью между ними. Панели разделены на крошечные сегменты, к каждому из которых подведены электроды. Под воздействием очень слабого электрического поля жидкость кристаллизируется и при этом меняется ее прозрачность и коэффициент преломления световых лучей. Эти эффекты используются для формирования изображения. В плазменных мониторах изображение формируется светом, выделяемом при газовом разряде в каждом пикселе экрана. Плазменная панель состоит из трех стеклянных пластин, на одну из которых нанесены горизонтальные прозрачные проводники, на другую — вертикальные. Средняя третья пластина в местах пересечения проводников имеет сквозные отверстия, заполненные инертным газом: неоном или аргоном, который светится в ультрафиолете при подаче высокочастотного напряжения на проводники. Ультрафиолет вызывает свечение люминофора; так создается изображение на экране. Электролюминесцентные мониторы состоят из двух пластин с нанесенными на них прозрачными проводниками. На одной из пластин находится слой люминофора, светящийся при подаче напряжения на проводники и образующий пиксел в точке пересечения проводников. Самоизлучающие мониторы используют матрицу пикселов из светодио- дов, которые излучают свет при подаче на них напряжения. На сегодняшний день выпускаются лишь монохромные дисплеи, и ведется разработка более совершенных моделей. Устройства ручного ввода информации Клавиатура компьютера — устройство для ввода информации в компьютер и подачи управляющих сигналов. Содержит стандартный набор клавиш печатающей машинки и некоторые дополнительные клавиши — управляющую клавишу, функциональные клавиши, клавиши управления курсором и малую цифровую клавиатуру. Типы клавиатур различаются принципом формирования сигнала при нажатии клавиши. Наиболее распространенные клавиатуры имеют под каждой клавишей, купол, выполненный из специальной резины, который при нажатии клавиши прогибается и замыкает контакт. У некоторых под нажатой клавишей находится магнит, который при нажатии клавиши проходит через катушку, наводя в ней ток самоиндукции. Клавиатура содержит встроенный микроконтроллер, который выполняет следующие функции: последовательно опрашивает клавиши, считывая введенный сигнал и вырабатывая двоичный скан-код клавиши. Скан-код состоит из двух байтов, байта собственно скан-кода и байта, определяющего, какие дополнительные управляющие клавиши были нажаты. Это позволяет расширить возможности клавиатуры при задании управляющих комбинаций клавиш; управляет световыми индикаторами клавиатуры; проводит внутреннюю диагностику неисправностей; осуществляет взаимодействие с центральным процессором через порт ввода/вывода клавиатуры. Клавиатура имеет встроенный буфер— промежуточную память малого размера, куда помещаются введенные символы. Работу клавиатуры поддержи- вают специальные программы, "зашитые" в ВIOS , а также драйвер клавиатуры. Манипулятор типа "мышь" используется как дополнительное устройство ручного ввода графической информации. Современные графические операционные системы представляют пользователю графические объекты, размещенные на экране дисплея, обращение к которым производится с помощью движущегося по экрану специального знака — курсора. В отличие от клавиатуры, мышь не является стандартным органом управления, поэтому базовые средства ввода и вывода (BIOS) компьютера, размещенные в постоянном за- . поминающем устройстве, не содержат программных средств для обработки прерываний мыши. Мышь нуждается в поддержке специальной системной программы — драйвера мыши. Драйвер устанавливается либо при первом подключении мыши, либо при установке операционной системы компьютера. Мышь не имеет выделенного порта на материнской плате, для работы с ней используется один из стандартных портов, средства для работы с которыми имеются в составе ВIOS. В отличие от клавиатуры мышь не может на-, прямую использоваться для ввода знаковой информации— ее принцип управления является событийным. Перемещения мыши и щелчки ее кнопок являются событиями с точки зрения ее программы-драйвера. Анализируя эти события, драйвер устанавливает, когда произошло событие и в каком месте экрана в этот момент находился курсор. Эти данные передаются в прикладную программу, с которой работает пользователь в данный момент. По ним программа может определить команду, которую имел в виду пользователь, и приступить к ее исполнению. Мышь конструктивно представляет собой электронно-механическое устройство. В портативных компьютерах мышь вмонтирована в корпус и представляет собой площадку с сенсорами, которые отслеживают движение пальца по площадке и силу его давления и в зависимости от этого перемещают курсор по экрану. Такие устройства называются трекпойнтами или трекпадами. Механически мышь состоит из резинового шарика и двух роликов, расположенных под прямым углом друг к другу. Вращение шарика и роликов преобразуется в вертикальную и горизонтальную составляющую движения курсора по экрану. Электронная или оптическая мышь использует принцип обработки отраженных световых импульсов от поверхности перемещения. Устройства печати Огромную роль при выводе информации играют разнообразные печатающие устройства — принтеры. В процессе эволюции принтеры прошли большой путь от устройств, имитирующих работу пишущих машинок, до высокоско- ростных лазерных принтеров. Принтеры весьма разнообразны по принципу действия и качеству воспроизведения изображения, по размеру бумаги, на которой они могут его воспроизводить, а также возможности печати цветных или только черно-белых изображений и скорости печати. Основной характеристикой принтера, определяющей качество получаемого документа, является разрешающая способность, измеряющаяся числом эле- ментарных точек , помещающихся на одном дюйме – dpi. Чем выше разрешающая способность, тем точнее воспроизводятся детали изображения. Современные принтеры, предназначенные для массовых пользователей, обеспечивают изображение от 200 до 2880 dpi. Другой не менее важной характеристикой является производительность принтера, которая измеряется количеством страниц, печатаемых принтером в минуту. Чаще всего производительность указывается для формата А4. Матричные принтеры. Изображение в них формируется из точек, которые получаются путем удара тонкой иглы по красящей ленте, прижимаемой в момент удара к бумаге. Число игл доходит до 24. Каждая игла управляется отдельным магнитом, а головка, содержащая иглы, движется горизонтально вдоль листа. Разрешающая способность матричных принтеров невелика — 200-360 dpi. Достоинство матричных принтеров — дешевизна расходных материалов, недостаток — низкая скорость печати и шум при работе. Струйные принтеры являются самыми распространенными. Печатающая головка такого принтера вместо иголок содержит миниатюрные сопла, через которые на бумагу выбрасываются мельчайшие дозированные капли красителя. Число сопел в головке может доходить до 64. Качество печати получается очень высокое. Достоинства — высокое разрешение (от 300 до 2800 dpi), высокая скорость печати , бесшумность работы. Основным недостатком является высокая стоимость расходных материалов. Лазерные принтеры обеспечивают наиболее качественную печать с наивысшим разрешением и скоростью. Один из основных узлов лазерного принтера — вращающийся барабан, на внешней поверхности которого нанесен специальный светочувствительный материал. Луч лазера оставляет на поверхности барабана картину, соответствующую формируемому изображению. Затем на барабан наносится специальный мелкодисперсный порошок — тонер, частицы которого фиксируют картину, оставленную лучом лазера. К барабану прижимается лист бумаги, на которую переходит тонер. Наконец, тонер закрепляется на бумаге с помощью высокой (до 200 °С) температуры. Лазерные принтеры могут обеспечить и цветную печать. Она получается нанесением на барабан порошков разных цветов. Такие принтеры дороги, но обеспечивают высокое качество и скорость печати и бесшумны в работе. Плоттеры или графопостроители — очень дорогие устройства, используемые для вывода графической информации. Могут работать с бумагой большого формата (А1). Плоттеры делятся на два больших класса: векторные и растровые. В векторных плоттерах пишущий узел (перо) перемещается относительно бумаги сразу по вертикали и горизонтали, вычерчивая непрерывные кривые в любом направлении. В растровых плоттерах пишущий узел перемещается только в одном направлении, и изображение формируется строка за строкой из последовательных точек. Устройства поддержки безбумажных технологий Для перевода бумажных документов в электронные копии используются устройства, называемые сканерами. Сканеры бывают черно-белые и цветные. Черно-белые сканеры могут считывать штриховые и полутоновые изображения, которые могут иметь до 256 градаций серого цвета. В цветных сканерах сканируемое изображение освещается последовательно тремя основными цветами: красным, зеленым и голубым. Разрешающая способность сканеров разная. Современные (весьма дорогие) модели обеспечивают разрешающую способность до 6460 × 9600 dpi. Скорость сканирования измеряется в миллиметрах в секунду или в секундах, затрачиваемых на сканирование одной страницы. Конструктивно сканеры делятся на три типа: ручные, планшетные и роликовые. Ручные — самые дешевые, обеспечивают за один проход ширину сканирования 105 мм. Все изображение сканируется за несколько проходов. Планшетные сканеры наиболее распространены. В них сканирующая головка движется относительно неподвижного листа-оригинала, который помещается на прозрачное стеклянное основание. Скорость сканирования составляет 2-10 секунд на одну страницу формата А4. Роликовые сканеры используются для пакетной обработки листовых документов. В них подача очередного листа происходит автоматически. Устройства обработки звуковой информации Звуковая карта — это периферийное устройство, которое еще недавно было редким, а теперь стало стандартным. Звуковая карта поддерживает качество записи и воспроизведения звуковой информации и работает в трех основных режимах: создание, запись и воспроизведение звуковых сигналов. В режиме создания звуковая карта действует как музыкальный инструмент, синтезирующий сложный звуковой сигнал. Для синтеза используется два метода: метод частотной модуляции и таблично - волновой метод В режиме записи карта принимает звук от внешнего источника и производит его оцифровку, т. е. преобразует его из аналоговой формы в цифровую. Качество оцифрованного и воспроизводимого сигнала зависит от технических параметров звуковой карты. Устройства для соединения компьютеров в сеть К глобальной сети Интернет компьютеры подключаются по обычной телефонной или специальной выделенной линии с помощью устройства, которое называется модем ( МОДулятор + ДЕМодулятор ) . Цифровые данные, поступающие в модем из компьютера, преобразуются в нем путем модуляции в специальный непрерывный сигнал. Модем-приемник осуществляет обратное преобразование сигнала. Скорость передачи данных современными модемами составляет 33600 - 56000 бит/с и осуществляется по протоколу передачи данных модема. Модем конструктивно может быть выполнен как отдельное устройство или как внутреннее устройство, расположенное на материнской плате. Если компьютеры объединяются в сеть,для которой прокладывается специальный кабель, то используются специальные платы расширения — сетевые карты. Скорость передачи данных по сети через сетевые карты достигает 10 - 100 Мбит/с. Каждая сетевая карта имеет свой уникальный адрес, который однозначно определяет адрес локального компьютера в сети. Она преобразует данные, поступающие к ней от компьютера, в специальные пакеты-кадры, пересылает их адресату и отвечает за надежность доставки. В состав сетевой карты обычно включается специализированный процессор, обеспечивающий высокоскоростную аппаратную поддержку всех ее функций. |