Информатика_Гуда

Глава 2. Устройство персонального компьютера

2. Согласование интерфейса (способа взаимодействия) периферийного устройства с системной шиной.

Термины «адаптер» и «контроллер» близки. Однако контроллер не- с¸т большую управляющую нагрузку, чем адаптер, реализующий, в основном, несложные согласования.

ДополнительныепериферийныеустройствамогутподключатьсякПК через свои адаптеры (контроллеры), устанавливаемые в имеющиеся на системной плате гн¸зда расширения, либо через коммуникационные порты, играющие роль адаптеров и поддерживающие стандартные интерфейсы. По сути, коммуникационный порт —это универсальный адаптер. Чтобыбытьподключеннымккоммуникационномупортунекотороготипа, периферийное устройство должно обладать тем же интерфейсом.

Имеется два универсальных типа коммуникационных портов: последовательные и параллельные.

K Последовательные (serial) порты обеспечивают побитовый обмен информациейсмедленнодействующими(мышь,джойстик,модем)илидостаточноудал¸ннымипериферийнымиустройствами.

KПараллельные (parallel) порты служат для обмена байтами с более быстродействующими периферийными устройствами (принтер, сканер, цифровые фото- и кинокамеры).

МП должен оперативно реагировать на различные события в ПК, происходящие в результате действий пользователя или без его ведома. Такими событиями могут быть: нажатие клавиши на клавиатуре, попытка деления на нуль, переполнение разрядной сетки, сбой питания, иные нарушения в работе оборудования, запланированные в программе обращения к ядру операционной системы и т. п.

KНеобходимую реакцию на внешние по отношению к МП события обеспечивает система прерываний.

Обработка прерываний сводится к приостановке выполнения текущей последовательности команд (программы), вместо которой начинает интерпретироваться другая последовательность инструкций, соответствующая данному типу прерывания и называемая обработчиком прерывания. После е¸ реализации выполнение прерванной программы может быть продолжено, если это возможно и/или целесообразно, что зависит от типа прерывания.

Прерывания делятся на следующие категории:

Внешние аппаратные прерывания, возникающие в результате событий, происходящих вне микропроцессора (например, нажатие клавиши на клавиатуре).

31

Информатика

Внутренние аппаратные прерывания, вырабатываемые самим микропроцессором при выполнении программы (к прерыванию этой категории приводит, например, попытка деления на нуль).

Программные прерывания, инициируемые выполняемой программой по специальной команде, чтобы получить сервисные услуги операционной системы.

Таким образом, аппарат прерываний используется как для обеспече- ния асинхронной работы микропроцессора и периферийных устройств, так и для взаимодействия выполняемых программ с операционной системой. Адреса обработчиков прерываний содержатся в таблице векторов прерываний, размещаемой в начальных ячейках ОЗУ.

Сама системная шина представляет собой совокупность одно- и двунаправленных линий, логически объединяемых в следующие в группы:

•шину данных — для передачи данных в оба направления;

•шину адреса, с использованием которой адресуются порты вводавывода;

•шину управления — для передачи управляющих сигналов, таких, как«записьвпорт»,«чтениеизпорта»,сигналовпрерыванийит.п.

Физически шины адреса и данных могут мультиплексироваться (совмещаться).

2.2.Состав персонального компьютера

èпериферийные устройства

2.2.1. Состав ПК

Обычно ПК семейства IBM PC состоят из следующих блоков:

■системного блока, в котором размещаются:

•электронные схемы, управляющие работой ПК (микропроцессор, оперативная память, контроллеры устройств и т. д.);

•видеоадаптера, подготавливающего информацию для вывода на монитор;

•блок питания;

•накопители для гибких магнитных дисков (дисковод, FDD);

•накопитель на жестком магнитном диске (винчестер, HDD);

•устройство чтения/записи компакт-дисков (CD-ROM, DVD-ROM,

CD-RW, DVD-RW);

■монитора—дляотображениятекстовойиграфическойинформации;

■клавиатуры и мыши — для управления компьютером и ввода в

него информации.

32

Глава 2. Устройство персонального компьютера

МП ПК осуществляет выполнение программ и управляет работой остальных устройств ПК. Скорость его работы во многом определяет быстродействие всего ПК. Микропроцессоры отличаются друг от друга типом (моделью) и тактовой частотой. Чем выше модель процессора, тем меньше тактов требуется для выполнения одних и тех же операций.

Начиная с МП 80486, используются специальные устройства охлаждения: радиатор, прилегающий к процессору, и вентилятор, образующие единый конструктивный блок. Тип вентилятора (мощность, тип радиатора и тип крепления к МП) должен соответствовать типу охлаждаемого процессора.

K Системная плата, изображенная на рис. 2.3 (ее также называют материнской, от английского Mother Board) — диэлектрическая пластина с многослойным печатным монтажом, на которой, как минимум, имеются:

•микропроцессор;

•модуль BIOS;

•модули оперативной памяти;

•системная шина;

•гн¸зда расширения ресурсов (слоты);

•вспомогательные микросхемы, в том числе кварцевый резонатор, вырабатывающий синхроимпульсы для работы ПК.

Модуль BIOS находится в микросхеме энергонезависимой памяти (CMOS-памяти). В CMOS-памяти записана конфигурация аппаратных средств компьютера и некоторая другая информация. Она питается от небольшой батареи, и поэтому ее содержимое не стирается даже после выключенияпитаниякомпьютера.Еслисистемнаяплатасодержитвстроенный контроллер накопителей на жестких дисках, на ней также располагается разъем для подключения индикатора жесткого диска. Этот индикатор светится в момент обращения к жестким дискам.

С помощью жгутов электрических проводов (шлейфов) встроенные адаптеры внешних устройств или адаптеры, подключаемые через платы расширения, соединяются с разъ¸мами, расположенными, как правило, с тыльной стороны корпуса ПК (рис. 2.4) (например, клавиатура, мышь, джойстик, принтер, сканер, внешний модем). Другая часть контроллеров внешних устройств имеет разъ¸мы непосредственно на самой плате расширения (например, видеоадаптер, звуковая плата, встроенный модем).

KОЗУ (англоязычное название RAM, Random-Access Memory — память с произвольной выборкой) хранит выполняемые программы и дан-

33

Информатика

Рис. 2.3	Рис. 2.4

ные, непосредственно участвующие в операциях. Среднее время доступа к ее ячейкам составляет около 10 наносекунд (10-9 с). На современных ПК объем ОЗУ находится в пределах 128–4096 Мбайт.

От объ¸ма ОЗУ зависит не только возможность работы с ресурсо¸м- кимипрограммами,ноиегопроизводительность,посколькупринехватке памяти в качестве е¸ логического расширения используется жесткий диск, время доступа к которому значительно больше. На производительность ПК влияют также быстродействие ОЗУ и используемый способ обмена данными между микропроцессором и памятью.

ОЗУ реализуется на микросхемах DRAM (Dynamic RAM — динами- ческая память с произвольной выборкой), характеризующихся по сравнению с другими разновидностями памяти низкой стоимостью и высокой удельной ¸мкостью, но большим энергопотреблением и меньшим быстродействием. Каждый информационный бит (0 или 1) в DRAM хранится в виде заряда конденсатора. Из-за токов утечки этот заряд необходимо с определ¸нной периодичностью обновлять. Регенерация содержимого памяти требует дополнительного времени, а запись информации во время регенерации в память не допускается.

Видеоадаптер ПК позволяет монитору взаимодействовать с процессором. Поэтому видеоадаптер должен иметь специальную память (видеопамять), в которую процессор записывает изображение в периоды относительно небольшой загруженности. А уже затем видеоадаптер, независимо от процессора, может выводить содержимое видеопамяти на экран. В современных условиях минимальным объ¸мом видеопамяти следует считать 32 Мбайт, приемлемым — 128 Мбайт, комфортным —

34

Глава 2. Устройство персонального компьютера

256 Мбайт. Ввиду больших объ¸мов видеоинформации видеоадаптеры, как правило, подключаются к материнской плате через специализированные шины с наибольшей пропускной способностью.

K Жесткий магнитный диск (HDD — hard disk drive) состоит из пакета жестких магнитных дисков, заключ¸нного вместе с головками чте- ния-записи в герметичный корпус.

Название «винчестер» закрепилось за жестким диском из-за того, что первый загерметизированный ж¸сткий диск, разработанный фирмой IBM в 1973 г., имел 30 цилиндров (по 30 дорожек на каждой поверхности), а каждая дорожка — 30 секторов. Поэтому первый накопитель получил обозначение 30/30, как калибр винтовки «винчестер». НDD первых ПК в России (ЕС1841, ЕС1845) имели объ¸м 5–20 Мбайт. В настоящее время индивидуальные пользователи в основном имеют НDD с объ¸мом в диапазоне от 40 Гбайт до 300 Гбайт, что обусловлено, с одной стороны, требованиями к аппаратной части наиболее распростран¸нного программного обеспечения ПК, а с другой стороны, имею-

Рис. 2.5

Рис. 2.6

35

Информатика

щимся торговым предложением и стоимостными характеристиками аппаратуры. На рис. 2.5 показано схематическое устройство НDD, а на рис. 2.6 привед¸н внешний вид НDD Fujitsu MPG3204AT E.

2.2.2. Внешние накопители информации

KДисководы (FDD — floppy disk drive) осуществляют чтение-за- пись информации на гибкие магнитные диски, заключ¸нные в пластмассовые конверты. Другое название таких дисков — дискеты с объ¸- мом 1,4 Мбайт. В настоящее время дисководы практически вышли из употребления.

KУстройства для чтения оптических дисков (CD-ROM — compact disk read only memory) характеризуются большой информационной ¸м- костью (до 680 Мбайт), низким по сравнению с HDD быстродействием, низкой стоимостью хранения данных в расч¸те на 1 Мбайт, высокой над¸жностью хранения данных и долговечностью носителей. Принцип работы CD-ROM основан на использовании луча лазера (тв¸рдотельный лазер с длиной волны 650 нм) для записи и чтения информации в цифровом виде. В процессе записи модулированный цифровым сигналом лазерный луч оставляет на активном слое оптического носителя (алюминиевая или золотая пленка на пластмассовом, чаще из поликарбоната, основании) стойкий след, который затем можно считывать, направив на него луч меньшей интенсивности и проанализировав изменение характеристик отраж¸нного луча. В отличие от магнитных дисков, компакт-диски не имеют концентрических дорожек — вместо них на поверхности диска формируется одна спиральная дорожка. В большинстве моделей сам диск в накопителе вращается так, чтобы обеспечить вместо постоянной угловой постоянную линейную скорость. Современные приводы CD-ROM достигли более высоких скоростей считывания информации благодаря внедрению технологии CAV (Constant Angular Velocity — постоянная угловая скорость) — скорость считывания на периферийных участках диска — 4–7,8 Мбайт/с, а на внутренних — 2– 3,5 Мбайт/с. Скоростные характеристики накопителей стандартизованы. Накопитель с одинарной скоростью вращения диска способен обеспечить скорость передачи 150 кбайт/с (этот показатель выбран за базовый). Поэтому, кроме фирмы-производителя, конкретный CD-ROM характеризуется кратностью превышения скорости передачи данных по отношению к накопителю с одинарной скоростью. Большинство современных CD-ROM имеют кратность 32–58.

36

Глава 2. Устройство персонального компьютера

Cпецификация на формат DVD (digital video disk — цифровой видео диск) является стандартной и соблюдается всеми производителями. С помощью приводов DVD-ROM можно считывать данные с лазерных компакт-дисков форматов CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD-ROM (односторонних, двусторонних, однослойных, двухслойных, ¸мкостью 4,7 – 17 Гбайт), дисков видео DVD. Для подключения используются интерфейсы IDE/ATAPI или SCSI (подробнее см. п. 2.3.5). Чтение осуществляется в режиме постоянной угловой скорости, кратность лежит в диапазоне 2 — 6 (до 7 Мбайт/с), при чтении дисков CD-ROM скорость выше — от 10 до 24 (36 Мбайт/с). Существуют также приводы с возможностью записи на носитель DVD±R (однократная запись), DVD-RAM и DVD±RW (оба с многократной записью).

Переносные накопители USB Flash Drive

Краткое название — USB Flash Drive. При емкости до нескольких гигабайт и необычайной легкости подключения к современным компьютерам, благодаря удобствам интерфейса USB (Universal Serial Bus) и опознаванию большинством нынешних операционных систем, эти устройства могут заменять собой как обычные дискеты, перезаписываемые компакт-диски, так и небольшие винчестеры. Строго говоря, USB Flash Drive не является винчестером, поскольку не содержит в себе главных «винчестерных» атрибутов — вращающихся пластин с магнитным покрытием. Однако, по функциональным характеристикам сходство с вин- честерами очень близкое — длительное энергонезависимое хранение данных, быстрая (и в произвольном порядке) перезапись информации, количество циклов перезаписи тоже крайне велико, и достаточно высока скорость работы. По объему и скорости сегодняшние USB Flash Drive соответствуют винчестерам примерно шестилетней давности. Выгодные отличия от винчестеров — это малые габариты, очень малое энергопотребление в работе (несколько десятков миллиампер от порта USB), повышенная ударопрочность.

Внутри корпуса в два уровня размещаются две миниатюрные печатные платы (рис. 2.7), на одной из которых (основной) расположены сам контроллер памяти и USB, разъем порта USB, светодиод и вспомогательные элементы, а на другой (второй уровень) — несколько микросхем высоконадежной Flash-памяти (с обеих сторон платы).

Скорость записи — не менее 450 кбайт/с, скорость чтения — более 750 кбайт/с (ток потребления при записи/чтении — 36 и 33 мА соответственно). Ударостойкость 1000 G (выше любого современного винчес-

37

Информатика

Рис. 2.7

тера). Время хранения данных — не менее 10 лет, и количество циклов записи (стирания) — не менее 1 миллиона (то есть 70 лет, если ежедневно перезаписывать весь диск по 40 раз). Накопитель весьма непритязателен и способен работать при высоких вибрациях, влажности и больших магнитных помехах.

2.2.3. Мониторы

Видеомониторы предназначены для вывода на экран текстовой и графической информации.

По конструкционному исполнению они делятся на мониторы, имеющие электронно-лучевую трубку (ЭЛТ), жидкокристаллические и плазменные мониторы. Подавляющая часть мониторов ПК основана на использовании электронно-лучевых трубок (ЭЛТ), но в настоящее время они постепенно вытесняются жидкокристаллическими мониторами, а плазменные мониторы пока встречаются относительно редко.

Конструкция монитора с ЭЛТ представлена на рис. 2.8. Основным устройством такого монитора служит кинескоп с элект-

ронной пушкой, откуда под действием сильного электростатического поля исходит поток электронов. Через теневую маску кинескопа они попадают на внутреннюю поверхность стеклянного экрана монитора, покрытую люминофорными точками разного цвета. Поток электронов (луч) может отклоняться в вертикальной и горизонтальной плоскости, что обеспечивает последовательное попадание его на все поле экрана.

38

Глава 2. Устройство персонального компьютера

Хомут

	Монтажные	Отклоняющая система
	крепления	Электронная
		пушка
		Горловина трубки
		Катушка отклонения
		по вертикали
		Ферритовый сердечник
	Люминофорное	Катушка отклонения
		по горизонтали
	покрытие
		Теневая маска
		Внутренний магнитный экран
		Стекло

Рис. 2.8

Отклонение луча происходит посредством отклоняющей системы. Отклоняющая система состоит из нескольких катушек индуктивности, размещенных у горловины кинескопа. Изменение магнитного поля возникает под действием переменного тока, протекающего через катушки и изменяющегося по определенному закону (это, как правило, пилообразное изменение напряжения во времени), при этом катушки придают лучу нужное направление.

Частотапереходанановуюлиниюназываетсячастотойстрочной(или горизонтальной) развертки. Частота перехода из нижнего правого угла в левый верхний называется частотой вертикальной (или кадровой) развертки. Амплитуда импульсов перенапряжения на катушках строчной развертки возрастает с частотой строк, поэтому этот узел оказывается одним из самых напряженных мест конструкции и одним из главных источников помех в широком диапазоне частот. Электроны попадают на люминофорныйслой,послечегоэнергияэлектроновпреобразуетсявсвет, то есть поток электронов заставляет точки люминофора светиться. Эти светящиеся точки и формируют изображение. Как правило, в цветном ЭЛТ мониторе используется три электронные пушки и три основных цвета точек люминофора: зеленый красный и синий. Основными характеристиками ЭЛТ мониторов являются: размер экрана по диагонали, разрешающая способность, размер точки (зерна) экрана, частота кадровой разв¸ртки, режим строчной разв¸ртки, глубина цвета.

39

Информатика

Размер экрана по диагонали измеряется, как правило, в дюймах. Стандартными размерами являются 13, 14, 15, 17, 19, 21”. Разрешающая способность — количество точек изображения по горизонтали и вертикали экрана. Стандартным разрешением можно считать 1024½768, то есть мониторы, работающие при таком режиме, способны выводить на экран 1024 точек по горизонтали и 768 точек по вертикали при 24или 32-битной глубине цвета. Глубина цвета, например, 32-битная, означает возможность кодирования 232 различных оттенков. Существуют и более высокие разрешающие способности, например, 1280½1024 то- чек и др. Размер точки (зерна) экрана (шаг точек) — выраженное в миллиметрах расстояние между центрами двух соседних точек люминофора. Для мониторов 13–14” ранних лет выпуска шаг точек составлял 0,31–0,39 мм. Для большинства современных мониторов шаг точек составляет — 0,21–0,25 мм. Частота кадровой разв¸ртки для современных мониторов составляет 50-200 Гц, а основным режимом можно счи- тать 100 Гц. Режим строчной разв¸ртки характеризует способ формирования изображения. Если разв¸ртка чересстрочная, то кадр изображения выводится на экран за два при¸ма (сначала прорисовываются все неч¸тные строки, затем — все ч¸тные). По сути, этот режим снижает частоту кадровой разв¸ртки в 2 раза. Современные мониторы имеют режим построчной (нечересстрочной — non-interlaced) разв¸ртки.

Жидкокристаллические мониторы

Первыйработоспособныйжидкокристаллическийдисплей,илиLCDмонитор (Liquid Crystal Display), был создан в 1970 г. Жидкие кристаллы (Liquid Crystal) — это органические вещества, способные под напряжением изменять величину пропускаемого света. Жидкокристаллический монитор представляет собой две стеклянных или пластиковых пластины, между которыми находится суспензия. Кристаллы в этой суспензии расположены параллельно по отношению друг к другу, тем самым они позволяют свету проникать через панель. При подаче электрического тока расположение кристаллов изменяется, и они начинают препятствовать прохождению света. Жидкокристаллическая (ЖК) технология получила широкое распространение в компьютерах и в проекционном оборудовании. Первые жидкие кристаллы отличалисьнестабильностьюибылималопригоднымикмассовомупроизводству.РеальноеразвитиеЖКтехнологииначалосьсизобретениеманглийскимиученымистабильного жидкого кристалла — бифенила (Biphenyl). Жидкокристалли- ческие дисплеи первого поколения можно наблюдать в калькуляторах, электронных играх и часах.

40