Информатика_Гуда

Глава 2. Устройство персонального компьютера

Существует два вида ЖК мониторов: DSTN (dual-scan twisted nematic — кристаллические экраны с двойным сканированием) и TFT (thin film transistor — на тонкопленочных транзисторах), также их называют соответственно пассивными и активными матрицами. Такие мониторы состоят из следующих слоев: поляризующего фильтра, стеклянного слоя, электрода, слоя управления, жидких кристаллов, ещ¸ одного слоя управления, электрода, слоя стекла и поляризующего фильтра (рис. 2.9).

В первых компьютерах использовались восьмидюймовые (по диагонали) пассивные черно-белые матрицы. С переходом на технологию активных матриц размер экрана вырос. Практически все современные ЖК мониторы используют панели на тонкопленочных транзисторах, обеспе- чивающих яркое, четкое изображение значительно большего размера.

Поперечное сечение панели на тонкопленочных транзисторах представляет собой совокупность нескольких «слоев». Крайние слои выполнены из стекла. Между этими слоями расположен тонкопленочный транзистор, панель цветного фильтра, обеспечивающая нужный цвет — красный, синий или зеленый, и слой жидких кристаллов (рис. 2.10). Кро-

Рассеиватель	Горизонтальная линия
	данных	Стекло
			Вертикальная
		Свет	линия данных
Конденсатор			Поляризатор

Тонко!

пленочный

транзистор

Прозрачный

электрод

		Общий
		прозрачный
	Поляризатор	электрод
		Цветной
	Стекло	фильтр

Рис. 2.9

41

Информатика

Рис. 2.10

ме того, существует флуоресцентная подсветка, освещающая экран изнутри.

При нормальных условиях, когда нет электрического заряда, жидкие кристаллы находятся в аморфном состоянии. В этом состоянии они пропускают свет. Количеством света, проходящего через жидкие кристаллы, можно управлять с помощью электрических зарядов — при этом изменяется ориентация кристаллов.

Как и в традиционных электроннолучевых трубках, пиксель формируется из трех участков — красного, зеленого и синего. А различные цвета получаются в результате изменения величины соответствующего электрического заряда (что приводит к повороту кристалла и изменению яркости проходящего светового потока).

TFT экран состоит из целой сетки таких пикселей, где работой каждого цветового участка каждого пикселя управляет отдельный транзистор. Для нормального обеспечения экранного разрешения 1024х768 (режим SVGA) монитор должен располагать именно таким количеством пикселей.

Большинство ЖК мониторов — цифровые. Это означает, что графи- ческой карте с цифровым выходом не придется производить цифроаналоговые преобразования, какие она производит в случае с ЭЛТ-мони- тором. Теоретически, это позволяет более точно передавать информацию о цвете и местоположении пикселя. В то же время, если подключать ЖК монитор к стандартному аналоговому VGA выходу, придется проводить аналого-цифровые преобразования.

42

Глава 2. Устройство персонального компьютера

ЖК мониторы имеют целый ряд преимуществ:

•â 2–3 раза меньшее потребление электроэнергии (15-30 ватт);

•отсутствие ионизирующего излучения;

•LCD-монитор совершенно плоский, он имеет четко определенное число пикселей по горизонтали и вертикали, каждый из них доступен схемам управления напрямую. Поэтому у этих устройств в принципе отсутствуют проблемы с фокусировкой и геометрическими отклонениями типа «бочка», «трапеция» и «параллелограмм»;

•в ЖК мониторах каждый пиксель включается или выключается отдельно, поэтому не возникает проблем со сведением лучей, в отличие от ЭЛТ-мониторов, где требуется безукоризненная работа электронных пушек;

•отсутствие мерцания (каждая точка светится столько времени, сколько нужно пользователю, и эффекта затухания нет, если картинка на экране не меняется из–за отсутствия построчной разв¸р- тки);

•меньшие габариты и масса;

•большая видимая область экрана.

Среди других отличий можно выделить следующие.

Разрешение: ЭЛТ-мониторы могут работать с несколькими разрешениями в полноэкранном режиме, тогда как ЖК монитор может работать только с одним разрешением. Меньшие разрешения возможны лишь при использовании части экрана. Так, например, на мониторе с разрешением 1024½768 при работе в разрешении 640½480 будет задействовано лишь 66% экрана.

Измерение диагонали: размер диагонали видимой области ЖК монитора соответствует размеру его реальной диагонали. В ЭЛТ-мониторах реальная диагональ теряет за рамкой монитора более дюйма.

Контрастность — сами по себе пиксели не вырабатывают свет, они лишь пропускают свет от подсветки. И темный экран вовсе не означает, что подсветка не работает — просто пиксели блокируют этот свет и не пропускают его сквозь экран. Под контрастностью LCD монитора подразумевается то, сколько уровней яркости могут создавать его пиксели. Обычно, контрастность 250:1 считается хорошей.

Угол обзора LCD монитора составляет от 140 до 180 градусов, что, практически, соответствует аналогичному показателю ЭЛТ мониторов.

43

Информатика

2.2.4. Принтеры

Конструкцию современных принтеров принято разделять на матричную, струйную и лазерную. Матричные принтеры практически вышли из употребления из-за чрезвычайно низкой скорости получения отпе- чатков и значительного шума при распечатывании листов.

Струйные принтеры. Изображение формируется микрокаплями специальных чернил, выдуваемых на бумагу с помощью сопел. Эти принтеры обеспечивают более высокое качество печати по сравнению с матричными принтерами (разрешающая способность — до 600 точек на дюйм). Лучше приспособлены для цветной печати. На распечатку одного листа уходит от 15 до 100 секунд. Время печати цветной страницы — 3–5 минут.

Лазерные принтеры. Обеспечивают наилучшее качество и скорость печати. Используется принцип ксерографии: изображение переносится на бумагу со специального барабана, к которому электрически притягиваются частички красящего порошка. Печатающий барабан электризуется с помощью лазера по командам из ПК. Разрешающая способность — более 1200 точек на дюйм. Скорость печати от 2 до 16 листов в минуту. Все современные принтеры имеют, как правило, устройство автоматической подачи бумаги при печати на отдельных листах, собственное ПЗУ для хранения встроенных шрифтов (наиболее скоростной режим печати) и ОЗУ (0,5–16 Мбайт), используемое для построения выводимых на принтер рисунков и для хранения шрифтов символов, загружаемых в принтер программно. В качестве примера на рис. 2.11 привед¸н внешний вид принтера Canon LBP-810 (A4 8 стр./мин, 2400½600 точек на дюйм, USB).

Основнымиспособамиподключения принтеров к ПК являются подключение по параллельному (LPT) порту и по последовательной универсальной шине USB. Второй вид подключения является более перспективным и высокоскоростным.

Рис. 2.11

44

Глава 2. Устройство персонального компьютера

2.2.5. Сканеры

Сканеры позволяют считывать графическую и текстовую информацию в ПК.

Сканеры делятся на настольные (планшетные), обрабатывающие лист бумаги целиком, и ручные (их нужно проводить над графическим объектом). Различные модели отличаются разрешающей способностью, количеством воспринимаемых цветов или оттенков серого цвета. Современные планшетные сканеры имеют разрешение от 2400 точек на дюйм при 24-х и 32-х битном цвете. С помощью специального программного обеспечения ПК (систем оптического распознавания текстов) возможно распознавание стандартных символов во введенной через сканер картинке.

На рис. 2.12 приведен внешний вид двух сканеров фирмы НР

(ScanerJet 2300 c, ScanerJet 4500 c).

Рис. 2.12

2.2.6. Сетевой адаптер (сетевая карта)

Сетевой адаптер — это плата расширения, устанавливаемая в рабочую станцию, сервер или другое устройство сети, позволяющая обмениваться данными между компьютерами. Операционная система через соответствующий драйвер управляет работой сетевого адаптера. Объем задействованных при этом ресурсов адаптера и центрального процессора системы может изменяться от реализации к реализации. На сетевых картах обычно имеется микросхема (либо гнездо для ее установки) перезаписываемой памяти для удаленной загрузки (Remote Boot), которая может быть использована для создания бездисковых станций. Как правило, подключаются к системной плате ПК через разъем PCI (см. п. 2.3.5). На задней панели расположен разъем для подключения сетевого кабеля. Современные сетевые адаптеры обеспечивают пропускную способность, обычно, 10 Мбит/с, 100 Мбит/с либо 1000 Мбит/с.

45

Информатика

2.2.7. Модемы

Модем обеспечивает удаленный доступ ПК к компьютерным сетям по линиям связи (чаще всего — проводные и радиоканалы). Модем представляет собой устройство, имеющее, два интерфейса: с внешней точки зрения — цифровой интерфейс для подключения к ПК (обычно последовательный порт RS-232) и аналоговый интерфейс с каналом связи (телефонной линией) — разъем для телефонного кабеля (RJ-11). Основное устройство в составе модема — аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи, ответственные за преобразование сигнала из аналоговой формы (непрерывный сигнал-напряжение) в цифровую (отдельные отсчеты сигнала, дискретизованные по времени и квантованные по напряжению), и наоборот соответственно. Практически все современные модемы производят обработку информации в цифровой форме, без сколь-либо сложной аналоговой предобработки. По исполнению модемы можно разделить на внутренние и внешние.

Внутренний модем вставляется в разъем PCI системной платы ПК. Этот вид модемов делится на контроллерные и бесконтроллерные. Дальнейшим развитием бесконтроллерных модемов являются Soft-модемы (иначе Win-модемы).

Внешний модем имеет отдельный корпус и размещается рядом с компьютером, соединяясь кабелем с последовательным портом ПК.

2.2.8. Корпус ПК

Предназначен для размещения системной платы ПК с подключенными периферийными устройствами, отсеков для 3,5” и 5,25” устройств, блока питания, поддержания температурного режима размещенных в нем устройств, а также для защиты пользователя и окружающих электронных устройств от опасных напряжений, электромагнитных излуче- ний и шумов, создаваемых системным блоком.

Корпуса существуют в двух основных исполнениях — в горизонтальном (desktop) и вертикальном (mini-, middle-, big tower). Чем больше размер корпуса, тем легче обеспечить охлаждение находящихся в нем устройств.

Конструктивно корпуса современных ПК делятся на два типа — АТ (включение и выключение питания осуществляется пользователем вруч- ную) и АТХ (имеется возможность программного управления питанием). Отличия не сводятся только к необходимости ручного включения/выключения питания для корпусов АТ. Разъемы для подачи питания на сис-

46

Глава 2. Устройство персонального компьютера

темных платах у разных типов корпусов имеют различную спецификацию. Как следствие, ответные части разъемов питания на корпусах ПК также различны. Поэтому тип устанавливаемой системной платы должен соответствовать типу корпуса.

2.3. Аппаратное обеспечение современного ПК

2.3.1. Микропроцессоры

Архитектура линии МП х86 (это сокращенное название моделей, базирующихся на системе команд первого микропроцессора 8086) компании Intel основана на концепции CISC (Complex Instruction Set Calculation) — расширенной системе команд переменной длины, появившейся в 1978 г. Команды x86 могут иметь длину от 8 до 108 бит, и МП должен последовательно декодировать инструкцию после определения ее границ. Когда МП были скалярными устройствами (то есть могли в каждый момент времени выполнять только одну команду), конвейерная обработка практически не применялась (исключение составляли большие ЭВМ).

В 1986 г. появились МП, основанные на архитектуре RISC (Reduced Instruction Set Calculation) — сокращенном наборе команд фиксированной длины, которая была оптимизирована для суперскалярных (с возможностью выполнения нескольких команд одновременно) конвейерных вычислений. С тех пор обе линии до недавнего времени развивались практически независимо. Intel с целью обеспечения совместимости не могла отказаться от архитектуры CISC даже в новейших моделях МП х86, а фирма Apple, ориентировавшаяся на МП с архитектурой RISC, не могла существенно увеличить свою долю на рынке ПК из-за трудностей с использованием программ для х86 на своих компьютерах.

Однако в отдельных модификациях МП AMD удалось совместить обе архитектуры. То есть микроядро процессора работает на основе инструкций RISC, а специальный блок интерпретирует команды CISC для обеспечения совместимости с системой команд х86. Крупнейшие фирмы постоянно увеличивают число функциональных узлов на кристалле МП, что позволяет обрабатывать параллельно больше команд. Это существенно усложняет блоки управления для распределения потоков команд по узлам обработки. На данный момент большинство МП не может выполнять более четырех команд одновременно, при этом управляющая логика занимает на кристалле слишком много места.

47

Информатика

Последовательная структура кода программ и большая частота ветвлений делают задачу распределения потока команд крайне сложной. Современные МП содержат большое количество управляющих элементов для минимизации потерь производительности, связанных с ветвлениями (логику предсказания переходов). Они изменяют порядок команд во время исполнения программы, пытаются предсказать, куда необходимо будет перейти в результате очередного ветвления, и выполняют команды до вычисления условий ветвления. Если путь ветвления предсказан неверно, МП должен сбросить полученные промежуточные результаты, очистить конвейеры и загрузить нужные команды, что требует большого числа тактов. Таким образом, МП, теоретически выполняющий 4 команды за такт, реально выполняет менее двух команд за это время. Проблему осложняет и тот факт, что даже современные микросхемы DRAM не успевают за тактовой частотой МП.

Важным элементом МП является блок обработки данных с плавающей точкой (FPU — Floating Point Unit), встроенный во все модели процессоров, начиная с модели Intel 80486. От его эффективности напрямую зависит скорость работы со сложными приложениями (графика, мультимедиа, трехмерные объекты). До недавнего времени наиболее эффективными были FPU фирмы Intel. С появлением процессора Athlon фирмы AMD у них появился серьезный конкурент, превосходящий микропроцессоры Intel по некоторым показателям.

Тактовая частота и объем установленной на МП памяти команд, данных (кэш 1-го уровня) и памяти буфера ввода-вывода (кэш 2-го уровня) являются важными факторами, влияющими на его производительность. Имеется ряд специализированных задач, ускоренное решение которых возможно за счет оптимизации операций на аппаратном уровне. Впервые эту проблему пыталась решить Intel путем внедрения технологии MMX (MultiMedia Extension — мультимедийные расширения). И так немалый набор команд х86 был расширен за счет 57 дополнительных инструкций типа SIMD (Single Instruction — Multiple Data — одна инструкция для многих данных), позволивших распараллелить обработку однородных данных. Технология MMX значительно ускорила работу МП с мультимедийными приложениями. Но у нее имелся существенный недостаток — невозможность обработки данных с плавающей точкой.

Впервые технология для обработки данных с плавающейточкой была реализована фирмой AMD на МП К6-2 и получила название 3Dnow. Она включает 21 инструкцию типа SIMD, оптимизированных для параллельной обработки данных с плавающей точкой.

48

Глава 2. Устройство персонального компьютера

С некоторым опозданием похожую технологию под названием SSE

(Streaming SIMD Extension) реализовала Intel в МП Pentium III. Хотя производительность обеих технологий примерно одинакова (около 2 миллиардов операций/с для 32-разрядных чисел с одинарной точностью при частоте ядра МП 500 МГц), SSE опережает 3DNow за счет использования отдельных регистров для этого типа данных. Фактически Intel ввела новый режим работы МП — параллельную обработку инструкций FPU и SSE.

При производстве МП используются технологические нормы, устанавливающие допустимое расстояние между электрическими цепями на кристалле кремния и минимально возможный размер элементов. К тому же уменьшение размеров приводит и к уменьшению рассеиваемой мощности, что позволяет поднять рабочую частоту, на которой надежно функционируют элементы. Еще недавно стандартом считался показатель 0,35 микрон, сейчас МП изготавливают большей частью по норме 0,13 или 0,09 микрон.

Фирма Intel ввела технологическое новшество, разделив внутреннее устройство МП на так называемое ядро (то есть сам по себе процессор) и остальные элементы (контроллеры памяти, интерфейс шины, кэш и пр.) путем подачи на них разных напряжений питания, ввела разные обозначения для именования ядра и процессора в сборе. Например, выпускались модели МП Celeron с ядром Covington (полный аналог

Deschutes), ядром Mendocino и ядром Coppermine. МП Pentium II выпускались с ядром Klamath и Deschutes. МП с ядром Katmai после окон- чания разработки получил наименование Pentium III. У МП Pentium IV ядра получили названия Willamette, NorthWood, а затем Prescott. Фирма Intel ввела в ПК-индустрию и понятие конструктив. Это не совсем по-русски звучащее слово вместе с тем весьма точно передает суть некоего сооружения, внутри которого находятся и процессорная плата, на которой располагаются кристаллы собственно процессора, и кэш-па- мять второго уровня, и корпус, охватывающий эту плату с разъемами для подключения к системной плате. Все это сооружение (без радиатора) было названо SECC (Single Edge Contact Cartridge — картридж с односторонними контактами). МП Celeron размещались на конструктиве, представляющем собой печатную плату. Затем последовал выпуск

Celeron в конструктиве PPGA (Plastic Pin Grid Array), то есть возврат к технологии расположения контактов в виде прямоугольной матрицы. В общем, их называют сокетами (Socket) с указанием количества контактов для подключения МП. Сравнительно недавно появились конструктивы: mPGA Socket 478 и LGA Socket 775 для МП Intel и Socket A, и

49

Информатика

OmPGA Socket 754, Socket 939 для МП AMD. То есть произошел возврат к техническим решениям, характерным для Socket 7, но на ином технологическом уровне. Спецификация разъема описывает не только его конструктив, но и электрические параметры, и назначение контактов, предопределяет порядок взаимодействия с шинами данных, особенности работы с основной и кэш-памятью и др. показатели.

Один из самых распространенных ныне конструктивов Socket 478 предназначается для подключения МП Pentium IV. Для его поддержки требуются микросхемы системного набора Intel 845 и выше. Корпус МП — хорошо зарекомендовавший себя корпус mPGA2 (рис. 2.13).

Рис. 2.13

До появления МП Pentium ММХ все элементы кристалла работали при одном напряжении питания. Затем с ростом числа транзисторов на кристалле, появлением новых блоков, увеличением встроенной кэшпамяти пришлось специально уменьшать напряжение ядра МП. Так появились понятия внешнего и внутреннего (для ядра) напряжений питания МП. В настоящее время практически все МП для ПК выпускаются с двойным напряжением питания. Как правило, более высокоскоростные модели имеют большее напряжение питания ядра. Например, МП Pentium IV с технологией HT (Hyper-Threading) имеет напряжение питания для ядра 1,3 В. Эта технология позволяет производить обработку программного кода двумя АЛУ, расположенными на одном кристалле микропроцессора.

МП Pentium IV фирмы Intel

B ноябре 2000 г. Intel приступила к производству 32-paзpяднoгo МП, paнee известного как Willamette, paбoтaющero на чacтoтe 1,5 ГГц.

Технические новшества этого МП были следующие:

•асимметричное ядро c блоками, работающими на различных скоростях;

50