лекция


Технические средства реализации информационных процессов.

1     Терминология аппаратных средств ПК..

2     Классификация персональных компьютеров.

3     Основные характеристики ПК.. 

4     Упрощённая структура ПК.. 

5     Аппаратная реализация персонального компьютера

5.1      Системная плата

5.2      Процессор

5.2.1      Общие сведения о процессоре

5.2.2      Структура микропроцессора

5.2.3      Конструкция АЛУ

5.2.4      Основные стадии выполнения команды..

5.2.5      Регистры.. 

5.3      Память. 61

5.3.1      Принцип работы оперативной памяти

5.3.2      Типы оперативной памяти.

5.3.3      Статическая память.

5.3.4      Память для долговременного хранения информации. 

5.3.5      Виртуальная память.

5.4      Шины..

5.4.1      Общие сведения о шинах

5.4.2      Шины ввода/вывода

5.5      Чипсет.

5.6      Устройства для длительного хранения информации.

5.6.1      Память на гибких магнитных дисках

5.6.2      Винчестер (НЖМД)

5.6.3      Приводы CD–ROM..

5.6.4      Приводы лазерных дисков с функцией записи.

5.6.5      Лазерные диски повышенной плотности.

5.6.6      Устройства флеш–памяти

5.7      Аудио– и видеосистема ПК..

5.7.1      Мониторы.. 

5.7.2      Видеоадаптеры..

5.7.3      Звуковые карты.. 

5.8      Периферийные устройства (устройства ввода/вывода) 

5.8.1      Клавиатура.

5.8.2      Сканер.

5.8.3      Модем

5.8.4      Принтеры.

6     Оборудование для организации сетей ЭВМ

1      Терминология аппаратных средств ПК

Чтобы говорить о технических средствах реализации информационных процессов, необходимо вспомнить сами эти процессы, т.к. от них зависят и средства реализации.

При преобразовании данных выделяют 4 основных информационных процесса: обработки, обмена, накопления данных и представления знаний. Для обработки данных используются ЭВМ различных классов.

Обработка данных, их преобразование и отображение, производится с помощью программ решения задач в той предметной области, для которой создана информация.

Для обмена данными используют комплексы программ и устройств, позволяющих реализовать вычислительную сеть и осуществить по ней передачу и приём сообщений с необходимой скоростью и качеством. Это модемы, усилители, коммутаторы, кабели, специальные вычислительные комплексы, осуществляющие коммутацию, маршрутизацию и доступ к сетям.

Программные компоненты здесь – программы сетевого обмена, реализующие сетевые протоколы, кодирование – декодирование сообщений и другие.

Накопление данных осуществляется в банках и базах данных, организованных на внешних устройствах компьютеров и ими управляемых. Осуществляется это при помощи компьютеров различных классов с соответствующим программным обеспечением.

Для автоматизированного формирования модели предметной области из её фрагментов и модели решаемой задачи создаётся подсистема представления знаний.

На стадии эксплуатации пользователь обращается к подсистеме знаний и, исходя из постановки задачи, выбирает в автоматизированном режиме соответствующую модель решения.

Реализация этого происходит на ЭВМ, программирование которых осуществляется с помощью языков программирования.

Подсистема управления данными организуется на ЭВМ с помощью программных систем управления обработкой данных и организации вычислительного процесса, систем управления вычислительной сетью и систем управления базами данных.

Для рассмотрения конструкции ПЭВМ необходимо знать некоторую терминологию. [6]

1.       Системная плата (System Board) или материнская плата (Mother Board) – это основная печатная плата компьютера, на которой размещают все главные компоненты компьютера, которые, в свою очередь, могут быть платами (когда их подсоединяют через разъём) или микросхемами – это системные компоненты компьютера.

2.       Платой расширения (Expansions Card) называют печатную плату с краевым разъёмом, устанавливаемую в слот расширения. Если она используется для подключения дополнительного устройства, то её называют интерфейсной картой, или адаптером (Interface Card, Adapter).

3.       Слот (Slot) представляет собой щелевой разъём, в который устанавливается какая–либо печатная плата. Слот расширения в РС представляет собой разъём системной шины с прорезью в задней стенке корпуса. Есть ещё внутренние слоты на материнской плате для установки модулей оперативной памяти, кэш–памяти, процессоров, а также процессорных модулей и модулей памяти в некоторых моделях РС.

4.       Сокет (Socket) представляет собой гнездо, в которое устанавливают микросхемы со штырьковыми выводами. ZIPSocket имеет замок, открыв который, можно установить или изъять микросхему.

5.       Джампер (Jumper) представляет собой съёмную перемычку, устанавливаемую на выступающие из печатной платы штырьковые контакты. Они используются как выключатели или переключатели, для которых не требуется оперативного управления.

6.       DIP–переключатели представляют собой малогабаритные выключатели в корпусе DIP, применяемые для тех же целей, что и джампер.

7.       Чип (Chip) – это полупроводниковая микросхема, причём неявно подразумевается её функциональная сложность.

8.       Чипсет (Chipset) – это набор интегральных схем, при подключении которых друг к другу формируется функциональный блок вычислительной системы. Их применяют в системных платах, графических контроллерах и других сложных узлах, функции которых в одну микросхему заложить не удается.

2    Классификация персональных компьютеров

Персональный компьютер (ПК, ПЭВМ) – это комплекс технических средств, предназначенный для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных задач.

1.       По принципу действия ПК делятся на:

·          аналоговые;

·          цифровые;

·          гибридные.

В аналоговых системах переменные представлены физическими непрерывными величинами – чаще всего величиной электрического напряжения.

Аналоговые компьютеры бывают с прямой и с операторной аналогией.

Под цифровой электронно-вычислительной системой (ЭВС) будем понимать сложное устройство, воспринимающее различные виды информации в форме данных, представленных в цифровой форме, хранящее эти данные и пересылающее их внутри системы по линиям связи, перерабатывающее их с большим быстродействием (скоростью) и выдающее результаты этих действий как информацию. ЦВС оперируют с величинами, представленными в цифровой форме, т.е. с числами.

Если вычислительная система (ВС) объединяет в себе как цифровые, так и аналоговые устройства, то она называется гибридной, но мы ниже будем рассматривать только архитектуру цифровых вычислительных машин (ЦВМ) или цифровых вычислительных систем (ЦВС).

2.       По этапам создания и используемой элементной базе ПК условно делят на поколения:

·          I – 50–е годы XX века – на электронных лампах;

·          II – 60–е годы XX века – на транзисторах;

·          III – 70–е годы XX века – на ИС с сотнями и тысячами транзисторов в одном кристалле;

·          IV – 80–е годы XX века – на больших интегральных схемах (БИС) с десятками тысяч транзисторов и сверхбольших интегральных схемах (СБИС) с миллионами транзисторов в одном кристалле;

·          V – 90–е годы XX века – с десятками параллельно работающих микропроцессоров;

·          VI – конец 90–х годов XX века – многопроцессорные ЭВМ с предсказанием ветвлений, переименованием регистров, изменением порядка инструкций, поддержкой ММХ (multimedia extension – расширения для мультимедиа);

·          VII – начало XXI века – оптоволоконные.

3.       По основным параметрам современные ЭВМ подразделяются на классы:

·          суперЭВМ;

·          большие ЭВМ;

·          миниЭВМ;

·          микроЭВМ.

На базе микроЭВМ в 1971 году появились персональные ЭВМ (ПЭВМ).

Помимо фирмы Intel процессоры выпускают фирмы AMD, Cyrix и Texas Instruments Inc и др.

Основными параметрами ПК являются производительность (миллион операций в секунду), ёмкость оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) (Мбайт), ёмкость внешнего запоминающего устройства (ВЗУ) (Гбайт) и разрядность (бит).

Существует несколько поколений (или классов) персональных компьютеров, совместимых с IBM PC со следующими характерными особенностями:

·          IBM PC – первые модели имели процессор Intel 8086/88, адресуемую память 1 Мбайт, шину расширения ISA (8 бит), накопители на гибких дисках HГMД до 360 Кбайт.

·          IBM PC/XT (XT означает «расширенная технология») – появились винчестеры и возможность установки математического сопроцессора Intel 8087.

·          IBM PC/AT (AT означает «продвинутая технология») – процессор Intel 80286/80287, адресуемая память 16 Мбайт, шина ISA 16 бит, накопитель на гибком магнитном диске (НГМД, FDD) 1,2 или 1,44 Мбайт, накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД, HDD).

Сейчас появился новый класс ATX. Процессоры в нём уже
64–разрядные, адресуемая в пространстве память – до 32 Гбайт, применяются более эффективные шины расширения: EISA, AGP, PCI, SCSI, USB. Расширяется состав устройств, имеющих системную поддержку на уровне BIOS.

Мультипроцессорные системы содержат на материнской плате несколько процессоров. Используются в сетевых ЭВМ

     Основные характеристики ПК

Персональный компьютер выбирают по следующим основным характеристикам. [7]

Быстродействие, производительность, тактовая частота. Единицами измерения быстродействия являются:

1)      MIPSMega Instruction Per Second – миллион операций в секунду с фиксированной точкой;

2)      MFLOPSMega Floating Operations Per Second – миллион операций в секунду над числами с плавающей точкой;

3)      GFLOPSGiga Floating Operations Per Second – миллиард операций в секунду над числами с плавающей точкой;

4)      KOPSKilo Operations Per Second – тысяча неких усреднённых операций в секунду над числами;

5)      iCOMPÔ IndexIntel Comparative Microprocessor Performance – в этом случае используется смесь 16– и 32–битных операций четырёх категорий: целочисленных, с плавающей точкой, скорость обработки графики и видео (за базовый для отсчёта был взят процессор Intel 486 SX–25, т.к. у него iCOMP Index равен 100);

6)      iCOMPÔ Index 2.0 отличается своим набором показателей и весовыми коэффициентами (базовым для отсчёта был взят Pentium 120 МГц, т. к. в нём уже используются 32–битные операции и мультимедийный текст).

Остальные фирмы используют понятие P–Rating – они сравнивают свои процессоры с производительностью процессора Pentium соответствующей частоты.

Ёмкость и тип оперативной и кэш–памяти, жёсткого диска и количество дисководов для НГМД.

Тип процессора, системного и локального интерфейса.

Разрядность машины и кодовых шин интерфейса.

Тип видеомонитора, видеоадаптера и других внешних устройств.

Аппаратная и программная совместимость с другими ПК.

Имеющееся программное обеспечение и возможность работать в многозадачном режиме и сетях ПК.

Надёжность, стоимость, габариты и масса.

Среди ПК выбирают ту, которая больше подходит под нужные параметры. Иногда менее важно быстродействие, а более важен объём оперативной памяти или даже внешней памяти.

     Упрощённая структура ПК

В широком смысле архитектурой цифровой вычислительной машины называют совокупность её свойств и характеристик, рассматриваемую с точки зрения пользователя машины.

В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально–модульный принцип. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

ЭВМ состоит из набора устройств, связанных между собой. Физически связь между устройствами организована через интерфейс, причём часто он уточняется дополнительным определяющим словом: ввода/вывода, магистральный, пользовательский, программный.

Суть интерфейса как способа организации связи заключается в том, что устанавливаются соглашения о характере входных и выходных сигналов, которыми обмениваются взаимодействующие объекты (устройства).

Есть общая магистраль, а связь между устройствами технически реализована в виде шины – физической совокупности проводов (каналов передачи электрических сигналов). Каждый провод шины имеет своё строгое назначение: одни ведают передачей адреса объекта, с которым устанавливается связь, другие – передачей данных, третьи – управляющих сигналов.

Так как связь между всеми устройствами через одну магистраль, то в момент связи двух устройств, она может быть уже занята другой парой, а потому есть механизм прерываний, использующий приоритет устройств.

Упрощённая структура персонального компьютера приведена на рис. 4.1.

Внешняя память является автономной памятью и предназначена для длительного хранения информации. Её обработка производится после её перемещения в оперативную память.

Процессор – это устройство обработки данных. Выполняет арифметические и логические операции, а также управляет работой узлов и блоков компьютера.

Внешние периферийные устройства служат для ввода/вывода и отображения информации и обеспечивают взаимодействие человека с ЭВМ.

К устройствам ввода/вывода информации относятся клавиатура, мышь и монитор и др.

     Аппаратная реализация персонального компьютера

Конструктивные решения, заложенные в первую модель IBM PC образца 1981 года, без каких–либо сильных изменений дошли и до наших дней.

В классическом варианте исполнения ПК состоит из системного блока, к которому подключаются видеомонитор с клавиатурой и все периферийные устройства.

В системном блоке расположена системная или материнская плата с установленными на ней центральными компонентами компьютера – процессором, оперативной памятью, вспомогательными схемами и щелевыми разъёмами – слотами, в которые можно устанавливать платы расширения.

В корпусе любого системного блока имеются отсеки для установки НЖМД и НГМД 3–дюймового и 5–дюймового форматов и блок питания. На задней стенке корпуса есть отверстия для разъёмов клавиатуры и некоторые другие, а также щелевые прорези, через которые из корпуса выходят внешние разъёмы, установленные на платах расширения.

Платы (карты) расширения имеют краевой печатный разъём, которым они соединяются со слотами шины ввода/вывода, а металлическая скоба используется для закрепления платы на корпусе. На этой же скобе могут быть установлены дополнительные внешние разъёмы.

Габаритные и присоединительные размеры плат, способы их крепления и шины ввода/вывода унифицированы, что позволяет конструировать РС по своему усмотрению.

Рассмотрим по очереди все компоненты, входящие в системный блок, а затем и сам компьютер.

Современный персональный компьютер может быть реализован в настольном, портативном или карманном варианте.

Все основные компоненты настольного компьютера находятся внутри системного блока: системная плата с процессором и оперативной памятью, накопители на жестких и гибких дисках, CDROM и др. Кроме этого, в системном блоке находится блок питания.

5.1   Системная плата

Основным аппаратным компонентом компьютера является системная плата (рис. 5.1).

На системной плате реализована магистраль обмена информацией, имеются разъемы для установки процессора и оперативной памяти, а также слоты для установки контроллеров внешних устройств (рис. 5.2)   .

Рис. 5.1. Системная плата


Быстродействие различных компонентов компьютера (процессора, оперативной памяти и контроллеров периферийных устройств) может существенно различаться. Для согласования быстродействия на системной плате устанавливаются специальные микросхемы (чипсеты), включающие в себя контроллер оперативной памяти (так называемый северный мост) и контроллер периферийных устройств (южный мост).

Северный мост обеспечивает обмен информацией между процессором и оперативной памятью по системной шине. В процессоре используется внутреннее умножение частоты, поэтому частота процессора в несколько раз больше, чем частота системной шины. В современных компьютерах частота процессора может превышать частоту системной шины в 10 раз (например, частота процессора 1 ГГц, а частота шины 100 МГц).

К северному мосту подключается шина PCI (Peripherial Component Interconnect bus шина взаимодействия периферийных устройств), которая обеспечивает обмен информацией с контроллерами периферийных устройств. Частота контроллеров меньше частоты системной шины, например, если частота системной шины составляет 100 МГц, то частота шины PCI обычно в три раза меньше 33 МГц. Контроллеры периферийных устройств (звуковая плата, сетевая плата, SCSI–контроллер, внутренний модем) устанавливаются в слоты расширения системной платы.

По мере увеличения разрешающей способности монитора и глубины цвета требования к быстродействию шины, связывающей видеоплату с процессором и оперативной памятью, возрастают. В настоящее время для подключения видеоплаты обычно используется специальная шина AGP (Accelerated Graphic Port ускоренный графический порт), соединенная с северным мостом и имеющая частоту, в несколько раз большую, чем шина PCI.

Южный мост обеспечивает обмен информацией между северным мостом и портами для подключения периферийного оборудования.

 

Рис. 5.2 Архитектура системной платы

Мышь и внешний модем подключаются к южному мосту с помощью последовательных портов, которые передают электрические импульсы, несущие информацию в машинном коде, последовательно один за другим. Обозначаются последовательные порты как СОМ1 и COM2, а аппаратно реализуются с помощью 25–контактного и 9–контактного разъемов, которые выведены на заднюю панель системного блока.

Принтер подключается к параллельному порту LPT, который обеспечивает более высокую скорость передачи информации, чем последовательные порты, так как передает одновременно 8 электрических импульсов, несущих информацию в машинном коде. Обозначается параллельный порт как LPT, а аппаратно реализуется в виде 25–контактного разъема на задней панели системного блока.

Для подключения сканеров и цифровых камер обычно используется порт USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина), который обеспечивает высокоскоростное подключение к компьютеру сразу нескольких периферийных устройств.

Клавиатура подключается обычно с помощью порта PS/2 или USB.

5.2  Процессор

5.2.1 Общие сведения о процессоре

Есть модель Pentium 4 – Revision E0, которая оснащена эффективным механизмом подаваемого напряжения Dinamic Voltage ID, технологией защиты от вирусов NX Flag и 64–битным расширением EM64T. [8, 9]

У данного процессора частота системной шины 800 МГц, L1–кэш
16 Кбайт, L2–кэш – 1 024 Кбайт, L3–кэш отсутствует.

Процессор Celeron D поддерживает 64–битную технологию ЕМ64Т. Он имеет кэш 256 Кбайт, выполнен по технологии 90 нм и работает на частоте FSB 533 МГц. Все новые модели процессоров заключены в корпус LGA775. Частота системной шины в моделях меняется от 2,53 до 3,2 ГГц. Кроме этого есть поддержка Execute Disable Bit (XD).

Корпорация Toshiba, Sony и IBM представили новую разработку в 2005 году – процессор Cell. Этот процессор построен по новой архитектуре – многоядерной. В нём 9 ядер – 8 синергетических ядер + один power–процессор с 64–битной поддержкой. Каждое ядро оснащено кэш–памятью первого уровня объёмом 256 Кбайт и есть общая кэш–память второго уровня объёмом 512 Кбайт. Появилась возможность создавать массивы из процессоров, которые одновременно выполняют несколько сложных операций. У них производительность в десятки раз больше, чем у любых современных процессоров AMD или Intel.

5.2.2 Структура микропроцессора

На одном кристалле микропроцессора содержатся [9]: центральный процессор (CPU), арифметико-логическое устройство (АЛУ), блок процессора с плавающей точкой FPU, устройство управления (УУ), диспетчер памяти MMU, блок предвыборки команд и данных БПКиД, интерфейс магистрали ИМ. 

5.2.3 Конструкция АЛУ

Обрабатываемая ЭВМ информация разделяется на слова, состоящие из фиксированного числа двоичных разрядов, например 32 двоичных разряда. В этом случае АЛУ должна уметь производить сложение, вычитание и т.д. со словами, состоящими из 32 двоичных разрядов. Из памяти поступают операнды (данные), и управляющий элемент указывает операции, которые необходимо выполнить. Для сложения в АЛУ поступают 2 числа, там происходит сложение и временно хранится сумма. [10]

АЛУ состоит из двух регистров, сумматора и схем управления. Регистры – это ячейки быстродействующей памяти различной длины, состоят из набора триггеров. Накапливающий сумматор (аккумулятор) является основным регистром для арифметических и логических операций длиной в два машинных слова.

Схемы управления принимают по кодовым шинам инструкций управляющие сигналы от устройства управления и преобразуют их в сигналы для управления работой регистров и сумматора АЛУ.

АЛУ выполняет операции только над целыми двоичными числами.

В зависимости от ЭВМ, может быть несколько накапливающих сумматоров.

Числа хранятся в триггерах. Наиболее простой системой представления для двоичных запоминающих устройств является система представления целых чисел. Если есть 00001111 – это число 15, а 1.0001111 = –15

Если регистр 6–разрядный, то в нём можно хранить числа от 0 до 2  – 1, т.е. от 000000 до 111111. Это 63 = 26 – 1, а если со знаком, то от –(2n–1 – 1) до +(2  –1), что соответствует интервалу от –111111 до +111111 или от –63 до +63 для десятичных чисел.

Двоичный полусумматор – это основной элемент, используемый в двоичных арифметических элементах. Функция полусумматора заключается в сложении двух двоичных цифр, в результате чего образуются сумма и перенос в соответствии с правилами двоичного сложения.

Входящие сигналы  Сумма

0 + 0  0

0 + 1  1

1 + 0  1

1 + 1  0 с переносом 1

Одноразрядный сумматор предназначен для сложения более двух двоичных цифр.

Данные, хранящиеся в триггерном регистре, могут обрабатываться следующим образом.

Регистр может быть сброшен (триггеры установлены в 0).

Содержимое регистра может быть преобразовано в обратный код или в дополнительный код (для двоичных или десятичных данных).

Содержимое регистра может быть сдвинуто вправо или влево на один разряд или циклически сдвинуто.

Таблица работы одноразрядного сумматора

Вход X

Вход Y

Перенос из предыдущего, Ci

Выход,

S

Перенос в следующий

разряд, Co

0

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

1

0

1

0

0

1

1

0

1

1

0

0

1

0

1

0

1

0

1

1

1

0

0

1

1

1

1

1

1

 

Первый вид сдвига называется арифметическим. Он заставляет каждый бит перемещаться на одну позицию влево или вправо. Крайний бит просто теряется.

Другой вид сдвига называется циклическим: выпадающий бит помещается на противоположный конец регистра. Этот вид сдвига удобен для перемножения чисел и некоторых логических операций.

Содержимое регистра может быть увеличено или уменьшено на 1.

Передача содержимого одного регистра в другой регистр.

Сложение или вычитание данных, составляющих содержимое двух регистров.

Умножение или деление данных, составляющих содержимое регистров и сумматоров по специальным алгоритмам.

5.2.4 Основные стадии выполнения команды

Для того чтобы микропроцессор мог выполнить ту или иную операцию, необходимы инструкции, или команды. [10]

Команды хранятся в основной памяти. Каждая команда – это группа битов, соответствующая определённой операции. Обычно команда делится на поля, каждое из которых определяет какой–либо атрибут команды, а поле операции в ней определяет саму выполняемую операцию (сложение, пересылка, дополнение и т.д.).

Код каждой операции – это уникальная последовательность битов длиной от 1 до 2 байт.

Код операции

Регистр

Адресное поле

Поле регистра определяет номер регистра, который содержит данные, принимающие участие в операции, а адресное поле служит для определения участка памяти, содержащего данные, используемые при вычислениях (длина от 0 до 8 байт).

Команды размещают в оперативной памяти (ОП) в определённой последовательности – по порядку выполнения. Очередная выполняемая команда определяется с помощью содержимого специального регистра – счётчика команд. Последний содержит адрес области памяти, в которой расположена следующая выполняемая команда. Микропроцессор использует содержимое счётчика команд для выборки из памяти этой команды. Во время выполнения команда хранится в регистре команд. Различные команды для размещения в ОП используют различное количество битов, так как в некоторых командах есть адресное поле, а в некоторых нет. А потому ЭВМ использует команды переменной длины: 1, 2,… , 11 байт. В зависимости от этой длины, в счётчик добавляется число 1, 2,… , 11 (по количеству байт).

Работа процессора сводится к выполнению повторяющихся рабочих циклов, каждый из которых соответствует определённой выполняемой команде.

Есть операции над целыми числами: команды пересылки, арифметических, логических, битовых операций, сдвигов и операций со строками символов.

Операции над числами с плавающей точкой выполняются тоже в процессоре: пересылки данных, арифметические, сравнения и команды управления FPU.

Кроме этих операций, есть ещё команды управления программой, защиты памяти и поддержки языков высокого уровня.

Выполнение любой команды начинается с анализа запроса прерывания. Если прерывания нет, то выбирается команда, а иначе обрабатывается прерывание.

После выборки команды сразу формируется адрес следующей команды, и анализируется код операции текущей команды. В зависимости от кода, формируются адреса операндов команды или выполняются действия по кодам операций управления. Затем выполняются сами операции, формируются признаки результата и запоминается результат. После этого управление передаётся на выполнение следующей команды.

В ПК четыре регистра общего назначения [11]: EAX, EBX, ECX, EDX. Они 32–разрядные (об этом здесь и далее говорит первая буква Е). В старых моделях для 8–разрядных PС они именовались А, B, С, D, для 16–разрядных – АХ, BХ, СХ, DX, причем младший байт именовался AL, BL, CL, DL, а старший – AH, BH, CH, DH. Регистр АХ (AH, AL) чаще всего служат местом хранения результатов вычислений (это аккумулятор), используется в командах умножения, деления, ввода и вывода слов. Регистр BX чаще хранит сегмент адреса, но может хранить и другие виды данных. Регистр CX обычно хранит число выполнения определённых операций и указывает длину строковых операций, слова, ввод и вывод с косвенной адресацией. Регистр DX обычно называют регистром данных. Используется для умножения и деления.

Есть один специфический регистр – EFLAGS (флаговый). В битах этого регистра хранятся флаги результатов выполнения последней операции, флаги состояния процессора, режим работы и т.д. Значения флагов управляют поведением процессора при выполнении условных команд.

Регистры смещений (внутрисегментной адресации) IP, SP, BP, SI, DI используются для хранения относительных адресов ячеек памяти внутри сегментов (смещений относительно начала сегментов).

Адрес выполняемой в данный момент команды хранится в регистре
EIP – указателе команд. Он указывает на ячейку основной памяти с выполняемой командой, а для определения реального адреса ещё необходимо использовать регистр сегмента кода.

Есть два регистра–указателя: регистр–указатель базы EBP (смещение начального адреса, отведённого под стек) и регистр–указатель стека ESP (смещение вершины стека). В каждом из них содержится сегментная часть адреса для реального режима. В защищённом режиме там хранится селектор.

Адреса перемещаемых строк данных (многобайтные последовательности произвольной длины) хранятся в регистре индекса–источника ESI и регистре индекса–назначения EDI.

Регистры сегментной адресации CS, DS, SS, ES используются для хранения начальных адресов полей памяти (сегментов).

Первый – регистр сегмента кода CS – содержит значение, которое совместно со значением регистра команд указывает следующую выполняемую команду. Второй – регистр сегмента данных DS. Обычно он указывает область памяти, в которой содержатся данные. Его значение может комбинироваться со значениями регистров BX, SI и DI для указания определённого байта или слова данных. Третий регистр называется регистром дополнительного сегмента ES. Это резервный сегментный регистр, чаще применяемый для стековых операций. Четвертый регистр называется регистром сегмента стека SS. Его значение комбинируется с содержимым указателя стека ESP для указания слова данных, обрабатываемого в данный момент в стеке. Иногда SS комбинируют с EBP.

В регистрах FS и GS хранятся данные.

Управляющие регистры ECR0, ECR1, ECR2, ECR3, ECR4 хранят признаки состояния процессора, общие для всех задач. Они 32–разрядные.

Системные адресные регистры предназначены для ссылок на сегменты и таблицы в защищённом режиме. Они 48–битные. Регистры GDTR и IDTR программно загружаются 6–байтными операциями, включающими 32–битный линейный базовый адрес (старшие биты) и 16–битный лимит глобальной таблицы дескрипторов и таблицы дескрипторов прерываний.

Следующая группа регистров используется для обработки чисел с плавающей точкой. Регистры для хранения таких чисел могут быть 80–разрядные. Они используются в математическом сопроцессоре и называются регистрами данных FPU или арифметическим стеком. Их 8: с R0 по R7. Совместно с 15–разрядными регистрами математического сопроцессора и полями регистров тегов (TAG(0) – TAG(7), они тоже 15–разрядные) они производят действия над числами с плавающей точкой.

MMX–команды обрабатывают числа с плавающей точкой, используя для этого 64 младших бита стека сопроцессора. Они могут обрабатывать одновременно 8 однобайтных, четыре 16–разрядных или два 32–разрядных числа.

Новые SIMD–команды обрабатываются в специальных 128–разрядных регистрах XMM (eXtended MultiMedia – это восемь 2–разрядных целых или 4 значения с плавающей точкой одинарной точности). Это инструкции SSE2 (Streaming SIMD Extensions), предназначенные для обработки 3D–графики, кодирования/декодирования видео, а также шифрования данных. Совместно с этими регистрами используется 32–разрядный регистр состояния / управления MXCSR. Он используется для управления обработкой числовых исключений, установки режима округления и режима очистки, а также чтения флагов состояния ХММ.

5.3   Память

Память компьютера – это устройство хранения информации. Ее типы приведены на рис. 5.3.

На рисунке внутренняя память представлена как сумма двух типов памяти: оперативной и постоянной, а устройствами внешней памяти могут быть дискета, CDROM, CDRW, CDR, DVDR, DVDRW.

Оперативная память хранит данные и программу решения задачи в текущий момент времени и ряд вспомогательных программ для организации работы компьютера.

Постоянная память позволяет только считывать информацию, т.к. в ней хранятся программы контроля устройств и ряд программ, постоянно используемых при работе компьютера.

Внешняя память является автономной памятью и предназначена для длительного хранения информации. Её обработка производится после её перемещения в оперативную память.

Устройства хранения информации (жесткие и гибкие диски, CDROM, DVDROM и др.) подключаются к южному мосту по шине UDMA (Ultra Direct Memory Access – прямое подключение к памяти).

5.3.1 Принцип работы оперативной памяти

Все вычислительные операции происходят в основной памяти и процессоре. Это связано с тем, что перед обработкой процессором данных и программ они должны быть помещены в определенную область основной памяти. Некоторые программы и небольшие массивы данных могут находиться в памяти постоянно. Большинство из них помещаются в память только по мере необходимости, а затем отбрасываются (программы) или сохраняются в постоянной области хранения (данные), после чего занятое ими пространство снова становится доступным для новых программ и данных.

 

Рис. 5.3 Типы памяти компьютера

Основная память РС представляет собой комбинацию RAM (Random Access Memory – оперативной памяти), ROM (Read Only Memory – память «только для чтения» или постоянное запоминающее устройство – ПЗУ) и вакантных областей, т.е. процессор способен к адресации пространства физической памяти фиксированного размера [12]. Одни области этого пространства размещены на модулях RAM–памяти, другие – на микросхемах ПЗУ (ROM) или энергонезависимой NVRAM–памяти (non–volatile RAM).

Память является основным элементом любой ЭВМ. Элементы памяти в том или ином виде присутствуют в каждом конструктивном модуле ПК.

Оперативная память – временная память, так как данные хранятся в ней только до выключения ПК. Конструктивно память выполнена в виде модулей, которые можно заменять, дополнять, чтобы увеличить объём ОП. К данным, находящимся в ОП – RAM–памяти (Random Access Memory – памяти с произвольным доступом), CPU имеет непосредственный доступ, а к периферийной или внешней памяти (НГМД, НЖМД) – через буфер, являющийся также разновидностью ОП, недоступной пользователю. Время доступа к данным мало, а потому скорость обработки их велика.

Запоминание данных в ОП носит временный характер не только из–за питания, но и потому, что она является динамической, т.е. она должна периодически обновляться, так как информация здесь хранится на конденсаторе, а в нём есть ток утечки, что его разряжает, и информация теряется.

Чтобы не было потерь вынуждены проводить регенерацию памяти. Это означает, что CPU имеет доступ к данным в RAM только в течение циклов, свободных от регенерации. Здесь через определённые промежутки времени специальная схема осуществляет доступ (для считывания) ко всем строкам памяти. В эти моменты CPU находится в состоянии ожидания.

За один цикл схема регенерирует все строки динамической памяти (ДП).

Ячейки памяти организованы в матрицу, состоящую из 32 строк и 32 столбцов. Полный адрес ячейки данных включает два компонента – адрес строки и адрес столбца.

Микросхемы памяти объединены в модули: SIMM, DIMM, RIMM.

CPU взаимодействует через контроллер с банком памяти.

Количество модулей памяти для заполнения банков определяется отношением разрядности системной шины к разрядности модуля памяти.

Системная шина ПК с CPU Pentium и Pentium II 64–разрядная, поэтому 32–разрядные SIMM–модули ставят в банки попарно, а 64–разрядный DIMM ставят один. Из–за пакетного способа обработки данных из памяти (по 64 бита или 32 бита) увеличилась скорость обмена данными.

Для сокращения простоев во время регенерации, данные, следующие друг за другом в ячейках памяти, помещают в различные банки, из которых CPU должен считывать данные попеременно. Это организовывает контроллер памяти, который логически объединяет 2 банка в один и распределяет адресное пространство так, чтобы соседние адреса были в разных банках.

Обычно память делится на страницы размером 512 байт и более. Кэширование памяти используется для ускорения доступа к данным, находящимся в RAM. Это достигается за счёт применения промежуточной быстродействующей памяти небольшой ёмкости (от 256 Кбайт до 2 Мбайт – буфер между CPU и RAM). Кэш–память синхронная и работает на частоте CPU, а потому нет циклов ожидания.

5.3.2 Статическая память.

Статическая память [10] используется в качестве кэш–памяти I, II и III уровня (в современных ЭВМ). Она хранит информацию при наличии питания даже без обращения к ней сколь угодно долго. Ячейки статической памяти реализуются на триггерах (устройствах с двумя устойчивыми состояниями). По сравнению с динамической памятью, эти ячейки более сложные и занимают больше места на кристалле, однако они проще в управлении и не требуют регенерации. Разновидности статической памяти – Async SRAM, Syns Burst SRAM и Pipelined Burst SRAM – рассмотрим с точки зрения применения в кэш–памяти.

Async SRAM, или ASRAM (SRAM) – традиционная асинхронная статическая память. Микросхемы этого типа имеют интерфейс, содержащий шину адреса, шину данных и сигналы управления. Время доступа составляет 12, 15 или 20 нс на частоте системной шины до 33 МГц.

Sync Burst (SB) SRAM – синхронная статическая память, позволяющая вести пакетную операцию обмена, свойственную работе кэш–памяти. В её структуре есть внутренний двухбитный счётчик адреса.

Кроме перечисленных в пункте один шин, есть ещё сигналы для синхронизации с системной шиной и сигналы пакетной обработки. Время доступа – 8,5; 10 и 13,5 нс на частотах 66, 60 и 50 МГц.

Pipelined Burst SRAM (PB SRAM) – пакетно–конвейерная синхронная память. Конвейером является дополнительный внутренний регистр данных.

Интерфейс PB SRAM аналогичен интерфейсу SB SRAM, но есть задержка из–за синхронизирующего перепада.

Функции кэш–контроллера выполняет обычно чипсет.

Микросхемы хранения данных кэша организуются в банки, число микросхем в банке должно соответствовать разрядности системной шины процессора.

Банков может быть и несколько (в зависимости от кэш–памяти).

Для хранения тегов используется отдельная микросхема – Tag SRAM, а для тега, большего 8 бит – пара микросхем.

Необходимый объём памяти тегов (количество ячеек) можно вычислить, разделив объём установленной кэш–памяти на длину строки кэша, определяемой чипсетом (обычно она равна количеству байт, передаваемых за один стандартный пакетный цикл):

4 * 8 = 32 байт (для Pentium)

Микросхемы синхронной памяти используются с разрядностью 16 и
32 бит, а потому один банк для Pentium собирается из 4 или 2 микросхем.

Для системных плат с процессором Pentium широко распространены модули COAST (Cache on Stick) – это модули с двухсторонним печатным разъёмом. В них используется кэш–память и может быть память тегов. Она может использоваться как расширение кэша.

р�.w �.�.�.(F�. модуле ПК.

Оперативная память – временная память, так как данные хранятся в ней только до выключения ПК. Конструктивно память выполнена в виде модулей, которые можно заменять, дополнять, чтобы увеличить объём ОП. К данным, находящимся в ОП – RAM–памяти (Random Access Memory – памяти с произвольным доступом), CPU имеет непосредственный доступ, а к периферийной или внешней памяти (НГМД, НЖМД) – через буфер, являющийся также разновидностью ОП, недоступной пользователю. Время доступа к данным мало, а потому скорость обработки их велика.

Запоминание данных в ОП носит временный характер не только из–за питания, но и потому, что она является динамической, т.е. она должна периодически обновляться, так как информация здесь хранится на конденсаторе, а в нём есть ток утечки, что его разряжает, и информация теряется.

Чтобы не было потерь вынуждены проводить регенерацию памяти. Это означает, что CPU имеет доступ к данным в RAM только в течение циклов, свободных от регенерации. Здесь через определённые промежутки времени специальная схема осуществляет доступ (для считывания) ко всем строкам памяти. В эти моменты CPU находится в состоянии ожидания.

За один цикл схема регенерирует все строки динамической памяти (ДП).

Ячейки памяти организованы в матрицу, состоящую из 32 строк и 32 столбцов. Полный адрес ячейки данных включает два компонента – адрес строки и адрес столбца.

Микросхемы памяти объединены в модули: SIMM, DIMM, RIMM.

CPU взаимодействует через контроллер с банком памяти.

Количество модулей памяти для заполнения банков определяется отношением разрядности системной шины к разрядности модуля памяти.

Системная шина ПК с CPU Pentium и Pentium II 64–разрядная, поэтому 32–разрядные SIMM–модули ставят в банки попарно, а 64–разрядный DIMM ставят один. Из–за пакетного способа обработки данных из памяти (по 64 бита или 32 бита) увеличилась скорость обмена данными.

Для сокращения простоев во время регенерации, данные, следующие друг за другом в ячейках памяти, помещают в различные банки, из которых CPU должен считывать данные попеременно. Это организовывает контроллер памяти, который логически объединяет 2 банка в один и распределяет адресное пространство так, чтобы соседние адреса были в разных банках.

Обычно память делится на страницы размером 512 байт и более. Кэширование памяти используется для ускорения доступа к данным, находящимся в RAM. Это достигается за счёт применения промежуточной быстродействующей памяти небольшой ёмкости (от 256 Кбайт до 2 Мбайт – буфер между CPU и RAM). Кэш–память синхронная и работает на частоте CPU, а потому нет циклов ожидания.

5.3.3 Память для долговременного хранения информации.

Все перечисленные типы памяти после отключения питания теряли информацию, но в ПК есть информация, которую нельзя терять, а потому разработали специальные типы памяти. [9]

NVRAM (Non Volatile) используется для долговременного хранения данных, которые ни при каких обстоятельствах не должны быть утеряны. Здесь хранят код BIOS компьютера, BIOS карт расширения, конфигурация периферийных устройств, скан–коды клавиатуры.

Существует несколько типов энергонезависимой памяти. Они различаются по способу перезаписи информации и применяются в разных областях.

Микросхемы ROM (Read Only Memory) сейчас не применяются, т.к. они не дают менять записанную в них информацию.

PROM (Programmable Read Only Memory) – программируются специальными программаторами однократно после изготовления. Они не чувствительны к магнитным полям.

EPROM (Eriasable PROM) стираемые и многократно перепрограммируемые микросхемы – недавно на них была BIOS системы и карт расширения. Используются в качестве знакогенератора принтера. Её можно перепрограммировать с помощью специального программатора, подключаемого к РС через COM– или LPT–порт. Стирается ультрафиолетовым излучением через специальное окно, имеющееся в корпусе микросхемы. Если окна нет, то стирают рентгеновским излучением. Запись производится побайтно в любую ячейку микросхемы с помощью электрических сигналов. После записи окно заклеивают для защиты информации.

EEPROM (Electrically Erasable Programmable Only Memory). Удаляется с помощью электрического сигнала.

Flash Memory перезаписывают без помощи специального программатора, непосредственно в РС. Основные её преимущества по сравнению с EEPROM – малое время доступа и малая длительность процесса стирания информации. Большинство микросхем BIOS относится к типу Flash EEPROM. Для установки новой версии BIOS используют специальную программу–прошивальщик, которая поставляется вместе с материнской платой (на дискете или компакт–диске) и файлом с новой системой BIOS.

FRAM – создана корпорацией Ramtron в 1984 году. В ней используется сегнетоэлектрическая плёнка на основе сплавов оксидов металлов (титана, циркония, свинца и т.п.). Информация сохраняется при отключении питания, что даёт преимущества динамической DRAM (многократно перезаписывается) и статической SRAM (высокая скорость), а также памяти ROM (энергонезависимость). Это быстрая и долговременная память. В ноябре 1998 года корпорация Samsung Electronics объявила о поставке пробной партии микросхемы FRAM ёмкостью 64 Кбайт.

MRAM (Magnetic RAM) – это новое поколение энергонезависимой магнитной памяти, разработанной совместно исследовательским центром IMEC (Бельгия) и корпорацией Toshiba. Основа памяти – многослойный «магнитный вентиль», выполненный в виде полупроводникового кристалла. Цикл «чтение/запись» для MRAM не превышает 6 нс.

Стековая организация памяти.

Во всех предыдущих типах памяти поиск искомой информации производится по адресу ячейки памяти или по её содержанию (как в кэш–памяти). Но есть возможность использовать безадресные команды, которые ускоряют работу. Для этих целей используется стек.

Стек представляет собой группу последовательно пронумерованных регистров или ячеек памяти, снабжённых указателем стека, в которой автоматически при записи или считывании устанавливается адрес последней занятой ячейки стека (называемой вершиной стека).

При операции записи заносимое в стек слово помещается в следующую по порядку свободную ячейку стека, а при считывании из стека извлекается последнее поступившее в него слово.

 Это делается автоматически, поэтому могут использоваться команды с безадресным заданием операнда – здесь команда содержит адрес ячейки памяти или регистра, откуда слово передаётся в стек или куда загружается из стека. Это позволяет экономить память на форматах команд, но сложнее передача управления.

5.3.4 Виртуальная память.

Для увеличения объёма памяти системы и для работы в многозадачном режиме была разработана концепция виртуальной памяти.

Виртуальная память (Virtual Memory) представляет собой программно–аппаратное средство расширения пространства памяти, предоставляемой программе в качестве оперативной.

Эта память физически реализуется с помощью оперативной и дисковой памяти под управлением соответствующей операционной системы. [9]

Суть её в том, что на НЖМД создаётся файл обмена (Swap–файл), являющийся как бы расширением ОП.

Виртуальное пространство памяти разбито на страницы фиксированного размера (4 – 8 Кбайт). В физической ОП в каждый момент времени присутствует только часть из них. Остальные страницы хранятся на диске, откуда ОС может «подкачать» их в физическую память, предварительно выгрузив на диск часть неиспользуемых в данный момент модифицированных страниц.

Обращение процессора к ячейке виртуальной памяти, присутствующей в физической памяти, происходит обычным способом.

Если же затребованная область в данный момент не отображена в физической памяти, процессор вырабатывает внутреннее прерывание, по которому ОС программы организует замещение страниц, называемое свопингом (Swapping).

Когда все ячейки реальной ОП заняты, а для работы программ нужна память, менеджер виртуальной памяти ОС освобождает физическую память, перенося часть информации, которая давно не использовалась, в файл обмена.

Виртуальную память поддерживают процессоры, работающие в защищённом режиме, начиная с 80286, но реально её широко стали использовать только в ОС и оболочках для 32–разрядных процессоров.

В принципе файл подкачки может располагаться и на сетевом диске, но при этом трафик сети будет напряжённым. Вопросами организации виртуальной памяти занимается ядро ОС.

Концепция виртуальной памяти широко используется в многозадачных режимах ОС Windows 95/98, ME, 2000, XP и WINDOWS NT.

5.4   Шины

5.4.1 Общие сведения о шинах

Все компоненты на материнской плате каким–то образом должны быть соединены между собой. Это соединение осуществляется с помощью шин. [11]

Совокупность линий (проводников на материнской плате), по которым обмениваются информацией компоненты устройств и устройства РС, называется шиной (Bus). [12]

Шина предназначена для обмена между двумя и более устройствами.

Шина, связывающая только два устройства, называется портом.

Обычно шина имеет гнёзда для подключения внешних устройств, которые в результате сами становятся частью шины и могут обмениваться информацией со всеми другими подключаемыми к ней устройствами.

Шины в РС различаются по своему функциональному назначению.

Системная шина (или шина CPU) используется микросхемами и Chipset для пересылки информации от устройств к CPU и от CPU к устройствам. Это шина GTL+ c тактовой частотой 66, 100 и 133 МГц и пропускной способностью 528, 800 Кбайт/с и 1,06 Мбайт/с или шина EV6, у которой передача по обоим фронтам с тактовой частотой 377 МГц. Может использоваться 128–разрядная шина памяти (так как передача происходит без участия CPU).

Шина кэш–памяти предназначена для обмена информацией между CPU и кэш–памятью.

Шина памяти используется для обмена информацией между оперативной памятью и CPU.

Шины ввода/вывода (бывают стандартные и локальные).

Шина имеет собственную архитектуру, позволяющую реализовать важнейшие её свойства – возможность параллельного подключения практически неограниченного числа внешних устройств и обеспечения обмена информацией между ними. Архитектура любой шины включает следующие компоненты.

Линии данных (по ним происходит обмен данными между CPU, картами расширения, установленными в слоты, и памятью). В режиме DMA (Direct Memory Access) управление обменом данными осуществляется соответствующим контроллером, минуя CPU. Компьютеры семейства Pentium имеют 64–разрядную шину данных.

Линии адреса (процесс обмена возможен лишь в том случае, когда известен отправитель и получатель этих данных, а потому у каждого компонента РС, каждого регистра ввода/вывода и ячейки RAM, есть свой адрес – идентификационный код, который передаётся по этой шине). RAM временно хранит данные для ускорения обмена ими. Количество ячеек RAM не должно превышать , где m – разрядность адресной шины. В семействе Pentium она 32–разрядная и можно адресовать 4 Гбайт памяти.

Линии управления данными (шины управления) необходимы для записи (считывания) в регистры устройств, подключенных к шине, ряда необходимых при передаче данных сигналов: записи/считывания, готовности к приёму/передаче данных, подтверждения приёма данных, аппаратного прерывания, управления и инициализации контроллера.

Контроллер шины осуществляет управление процессом обмена данными и служебными сигналами и обычно выполняется в виде отдельной микросхемы или интегрируется в микросхемы Chipset.

5.4.2 Шины ввода/вывода

К шинам ввода/вывода относятся следующие: [11]

1)    шина ISA–8, ISA–16 (Industrial Standard Architecture;

2)    шина EISA (Electronic ISA);

3)    шина VESA или VLB (Video Electronic Standard Assotiation или Vesa Local Bas);

4)    шина PCI (Peripheral Component Interconnect). Она имеет следующие модели:

·        PCI 1.0 – 32–разрядная, 132 Мбайт/с;

·        PCI 2.0 – 64–разрядная, 264 Мбайт/с;

·        PCI 5.0 64–разрядная.

5)    PCI Express x1, х2, x4, х8, x16 и х32–канальные версии (266, 532, 1066, 2132, 4200 и 8400 Мбайт/с).

6)    шина AGP (Accelerated Graphics Port) – 1х, 2х, 4х, 8х – пропускная способность 264 Мбайт/с, 528 Мбайт/с, 1 Гбайт/с и 4 Гбайт/с 

5.5   Чипсет

Чипсет Intel 845 используется в процессорах Pentium 4 [10]. Есть разновидности I845E, I 845PE, I 845D. Они используются на разных материнских платах (в зависимости от частоты системной шины). Частота может изменяться от 1 000 до 3 060 Гц. Появились чипсет 865PE, Intel 865G и 875PE, Intel 915P/G и Intel 925X. Они поддерживают оперативную память стандарта PC 3 200 и DDR2 с частотой 600 МГц. Последняя разработка Intel 945P/G и Intel 955X. В чипсет Intel 945G входит интегрированное графическое ядро GMA950, обладающее достаточной для пользователя производительностью. Эти чипсеты поддерживают тактовую частоту системной шины 1 066 МГц и память DDR 667 МГц. В южный мост ICH7R интегрирована поддержка 4 портов Serial ATA II, Matrix RAID и аудиокодек, поддерживающий стандарт High Definition Audio. Этот мост не поддерживает порты Express x1 и 5–й и 10–й уровни RAID. Intel 955X поддерживает до 8 Гбайт оперативной памяти, включая память с ЕСС, и поддерживает процессоры Pentium Extreme Edition.

5.6   Устройства для длительного хранения информации

5.6.1 Память на гибких магнитных дисках

Дисководы (Floppy Disk Drive, FDD) являются первыми из периферийных устройств РС [11]. В качестве носителя информации применяются дискеты (Floppy) диаметром 3,5'' и 5,25''.

Информация на дискете запоминается путём изменения её намагниченности. Изменение поля ориентирует магнитные частицы дискеты в направлении «север–юг» или «юг–север» – это состояние «1» и «0».

Конструктивно FDD состоит из рабочего двигателя, рабочих головок и управляющей электроники.

Двигатель включается только тогда, когда в дисководе есть дискета и защёлкнута задвижка. Двигатель обеспечивает постоянную скорость вращения 300 об/мин или 360 об/мин.

Есть две комбинированные головки – для чтения и записи каждая. Они располагаются над рабочей поверхностью дискеты.

Позиционирование головок выполняется при помощи двух двигателей. Электронные схемы чаще размещены с нижней стороны дисковода. Они выполняют функции передачи сигналов к контроллеру, т. е. отвечают за преобразование информации, которую считывают или записывают головки.

Для записи и чтения информации дискету разбивают на определённые участки, т.е. создаётся логическая структура. Это достигается форматированием дискеты. Дискета разбивается на 80 дорожек и 18 секторов. Дорожки – это сплошные концентрические кольца, а секторы – это как бы куски торта. В DOS в сектор записывают 512 байт, в других ОС свои размеры секторов.

5.6.2 Винчестер (НЖМД)

На НЖМД информация также записывается на магнитный слой диска, но сам диск сделан из жёсткого материала, чаще это алюминий. В корпусе из прессованного алюминия объединены такие элементы винчестера, как управляющий двигатель, носитель информации (диски), головки чтения/записи и электроника. [11]

Винчестер состоит из нескольких одинаковых дисков, расположенных друг над другом. На каждый диск пара головок, которые позиционируются шаговым двигателем. Все головки перемещаются одновременно, а потому в логической структуре диска есть понятие цилиндра. Скорость вращения шпинделя у двигателя современного винчестера может быть 7 200 об/мин,
2 000 об/мин или 15 000 об/мин. Шпиндель вращается непрерывно, даже когда к нему нет обращения. Корпус герметичный, но вакуума в нём нет.

5.6.3 Приводы CD–ROM

Приводы CDROM работают не так, как все электромагнитные носители информации [11]. При записи компакт–диск обрабатывается лазерным лучом (без механического контакта), выжигающим тот участок, который хранит единицу, и оставляет нетронутым тот участок, который хранит логический ноль. В результате чего на поверхности образуются маленькие углубления – так называемые питы (Pits).

Толщина компакт–диска составляет 1,2 мм, а диаметр – 120 мм. Диск изготавливается из поликарбоната, который покрыт с одной стороны тонким металлическим отражающим слоем (алюминия, реже золота) и защитной плёнкой специального прозрачного лака. Объём информации CDROM 650 Мбайт и 700 Мбайт.

5.6.4 Приводы лазерных дисков с функцией записи

Диск CDR допускает одну запись (Recordable), а на CDRW (CDRewritable) можно писать многократно [11]. На CDR отражающий слой выполнен из золотой или серебряной плёнки. Между ним и прозрачной поликарбонатной основой расположен слой из органического материала, темнеющего при нагревании. Здесь лазерный луч нагревает точки записи, они темнеют и не пропускают свет к отражающему слою, что аналогично пятнам. Может использовать набор дорожек различных типов.

Запись в CDR должна идти беспрерывно, иначе диск портится. Она ведётся при помощи специальных программ – Easy CD Creator, Nero, CD Publisher и т.п. Для чтения дисков CDRW на приводе должна быть спецификация Multi Read, а это поддерживается аппаратно – должен быть привод с автоматической регулировкой усиления фотоприёмника. 

5.6.5 Лазерные диски повышенной плотности

Диск DVD (Digital Versatile Disk) – цифровой многоцелевой диск [11]. Тип, как у CD, но плотность записи выше – ёмкость самого простого DVD примерно 4,7 Гбайт. Виды дисков DVDROM, DVDR, DVDRW, DVDRAM.

Последний является перезаписываемым с объёмом 2,6 Гбайт и скорости перезаписи 4х, 8х, 12х, 16х или 24x. Диск DVDR– записываемый диск с ёмкостью 3,9 Гбайт.

Диск DVDROM штампованный. Он может быть двухслойным и двусторонним – на разной глубине своя информация.

Рассмотрим, как они маркируются: однослойные – SL (Single Layer), односторонние – SS (Single Sided), двусторонние – DS (Double Sided), двухслойные – DL (Double Layer).

Двухслойный диск увеличивает емкость в 1,8 раза, а двухсторонний – в 2 раза.

 

5.6.6 Устройства флеш–памяти

Это энергонезависимые запоминающие устройства, используемые для долговременного хранения информации с возможностью многократной перезаписи. Есть описание в [11]. Внешне они представляют собой прямоугольные картриджи. Это металл–нитридные микросхемы, изобретённые в начале 80–х годов фирмой Intel. При работе указатели перемещаются на начальный адрес блока, затем байты данных передаются в последовательном порядке с использованием стробирующего сигнала. Стирание всего блока производится отдельным сигналом. Стирание, считывание и запись производятся электрическими сигналами, а не лазером. В современных устройствах имеются программные или аппаратные средства формирования виртуальных блоков, обеспечивающие запись информации поочерёдно в разные области флеш–памяти. Ёмкость флеш–дисков, изготавливаемых на основе многоуровневых ячеек на базе логических схем NAND (НЕ–И, штрих Шеффера) достигает нескольких гигабайтов. Многоцелевую флеш–память на базе Super Flash (SF) разработала компания Silicon Storage Technology со временем доступа 90 нс, временем стирания сектора 36 мкс, стиранием всей ИС 140 мкс. Потребление тока в активном режиме – 5 мА, в режиме ожидания – 1мкА при напряжении 1,95 В. Выпускаются в 48–контактных корпусах.

Фирма MSystems разработала DIP–микросхему с 32 контактами.

Сейчас уже используют третье поколение чип ёмкостью 2 Гбит, 130 нм.

Флеш–память используют в качестве альтернативных HDD твердотельных дисков с интерфейсами ATA (IDE), Serial ATA, USB, IEEE 1394 и др.

5.7   Аудио– и видеосистема ПК

5.7.1 Мониторы

С точки зрения принципа действия, все мониторы для РС делят на:

1)      мониторы на основе электронно–лучевой трубки (ЭЛТ);

2)      на основе жидкокристаллических экранов (плоско–панельные мониторы).

1.       Мониторы с электронно-лучевой трубкой.

Первая группа является наиболее распространённой из–за низкой цены и простого принципа действия: испускаемый электронной пушкой пучок электронов, попадая на экран, покрытый люминофором, вызывает его свечение [11]. На пути пучка электронов обычно находятся дополнительные электроды: модулятор, регулирующий интенсивность пучка электронов и связанную с ней яркость изображения, фокусирующий электрод, определяющий размер светового пятна, а также размещённые на горловине ЭЛТ катушки отклоняющей системы, позволяющие изменять направление пучка.

На экране монитора любое текстовое или графическое изображение – это набор дискретных точек люминофора, называемых пикселами. Минимальный элемент изображения называют растром, а мониторы – растровыми. Электронный луч в этом случае периодически сканирует экран, образуя на нём близко расположенные строки развёртки. По мере движения луча по строкам видеосигнал, подаваемый на модулятор, изменяет яркость светового пятна, образуя на экране изображение.

Разрешающая способность монитора определяется числом элементов изображения, которые он способен воспроизводить по горизонтали и вертикали. Например, 640 * 480 или 1024 * 768 пикселов. Если этот видеосигнал является непрерывным по времени, то монитор тоже будет аналоговым, но первые мониторы были цифровыми. Управление в цифровых мониторах осуществлялось двумя сигналами: логической единицей («да») и логическим нулём («нет»). Уровень «1» около 5 В, а у «0» – 0,5 В.

Кинескоп цветного монитора имеет 3 пушки, различающиеся по цветам: Red (красный), Green (зеленый) и Blue (синий).

Для формирования растра луч движется по зигзагообразной траектории от левого верхнего угла до правого нижнего. Прямой ход по горизонтали осуществляется сигналом строчной развёртки, а по вертикали – кадровой. Перевод луча из крайней правой точки строки в крайнюю левую точку следующей строки (обратный ход луча по горизонтали) и из крайней правой позиции последней строки экрана в крайнюю левую позицию первой строки (обратный ход луча по вертикали) происходит с помощью специальных сигналов обратного хода. Здесь частота обновления изображения 25 Гц.

В соответствии с особенностями человеческого зрения, в ЭЛТ цветного монитора для получения изображения используют три электронные пушки, у которых отдельные схемы управления. На внутреннюю поверхность экрана наносят люминофор трех цветов: красный, синий, зелёный – есть специальная цветоделительная маска.

2.       Жидкокристаллические мониторы.

В них экран состоит из двух панелей, между которыми залит слой жидкокристаллического вещества [11]. Экран представляет собой совокупность отдельных ЖК–ячеек, каждая из которые обычно выдаёт 1 пиксел изображения, но здесь ячейка не генерирует, а управляет интенсивностью проходящего света. Для этого в них используют подсветку. ЖК–ячейка – это электронно–управляемый светофильтр. Жидкокристаллическое вещество имеет молекулы вытянутой формы – неметаллические, что позволяет их упорядочивать. Если на подложку нанести мелкие бороздки, то молекулы ЖК–вещества будут ориентироваться вдоль этих бороздок. Другим важнейшим свойством является зависимость ориентации этих молекул от направления внешнего электрического поля.

Подсветку ЖК–экранов делают электролюминесцентными лампами с холодным катодом сзади или по бокам экрана. Для цветного изображения используют триады ячеек, каждая из которых пропускает через светофильтр только один из основных цветов.

5.7.2 Видеоадаптеры

Основная функция видеоадаптера – преобразование цифрового сигнала, циркулирующего внутри РС, в аналоговые электрические сигналы, подаваемые на монитор [11]. Другими словами, видеоадаптер является интерфейсом между компьютером и устройством отображения информации (монитором), но по мере развития РС на него стали возлагаться и другие обязанности: аппаратное ускорение 2D– и 3D–графики, обработка видеосигналов, приём телевизионных сигналов и др., а потому сейчас это мощное универсальное графическое устройство, именуемое Super VGA или SVGA.

5.7.3  Звуковые карты

Даже первые компьютеры могли издавать звуки с помощью маленького динамика в корпусе.

В 1989 году появилась звуковая карта [6], что улучшило качество звука, и появился комплекс программно–аппаратных средств, предназначенный для следующих целей:

·          записи звука с микрофона или магнитофона – идёт преобразование аналоговых сигналов в цифровые сигналы и запись на винчестер компьютера;

·          микширование (смешивание) при записи или воспроизведении сигналов от нескольких источников;

·          одновременной записи и воспроизведения звуковых сигналов;

·          обработка звуковых сигналов: редактирования, объединения, разделения фрагментов сигналов и т.п.;

·          управления панорамой стереофонического звукового сигнала и уровнем сигнала в каждом канале при записи и воспроизведении;

·          обработки звукового сигнала в соответствии с алгоритмами объёмного звучания;

·          генерирования с помощью синтезатора звучания музыкальных инструментов и человеческой речи;

·          управление работой внешних музыкальных инструментов через специальный интерфейс MIDI;

·          воспроизведения звуков компакт–дисков;

·          управления компьютером и ввода текста с помощью микрофона.

Звуковая система может быть выполнена в виде самостоятельных звуковых карт или интегрирована в другую карту расширения.

Могут быть дочерние модули, вставляемые в разъёмы звуковой карты, расширяющие базовые возможности звуковой системы.

В классическую звуковую систему входят:

·          модули записи и воспроизведения звука;

·          модули синтезатора;

·          модуль интерфейсов;

·          модуль микшера;

·          акустическая система.

В зависимости от класса некоторые модули могут отсутствовать.

Каждый из модулей может выполняться в виде отдельной микросхемы.

5.8   Периферийные устройства (устройства ввода/вывода)

5.8.1 Клавиатура

QWERTY 101 – 103 клавиши

Клавиатуру можно условно разделить на зоны [11].

·          алфавитноцифровая.

·          специальных клавиш: <Alt> <Ctrl> <Shift> <Cups Lock> <Enter> <Delete> <←> <Insert> <Print Screen>.

·          управления курсором

·          переключаемая <Num Lock> (цифровая/ управления курсором).

·          функциональная: <F1> – <F12>.

·          инд

икаторов.


5.8.2 Сканер

Сканер – это устройство для ввода изображений [11].

Сканеры имеют следующие характеристики.

1.       Разрешающая способность. У неё два показателя – оптический и программный. Оптический – это показатель первичного сканирования, но его программный показатель улучшает оптический. При использовании оптического показателя разрешающая способность равна 300 * 600 dpi, а программного – 4 800 * 4 800 dpi. Разрешающая способность у сканера бывает по горизонтали и вертикали. Для текста надо 500–600 dpi. (dot per inch).

2.       Разрядность – фактически она означает то количество цветов, которое может обеспечить сканер – 24 бита соответствуют 16,7 млн. цветов; 30 бит – 1 млрд. Разница в цене: 30–битные используются профессионалами, так как это более качественные сканеры, а потому дороже.

Выпускают ручные сканеры, рулонные и планшетные.

Принцип работы планшетного состоит в том, что с бумаги или пленки с фото, рисунком или текстом при сканировании получают растровый рисунок, который программа распознавания (Fine Reader) переводит в двоичный текст, который сохраняют в файле в нужном формате.

Бывает чаще форматов A4, A3.

Наиболее распространены сканеры фирм HP, Mustek, Epson.


5.8.3 Модем

Существует несколько различных способов подключения к Интернету, которые различаются предоставляемыми пользователю возможностями и стоимостью подключения [11]. Наилучшие возможности обеспечиваются при непосредственном подключении к Интернету с помощью высокоскоростного (оптоволоконного или спутникового) канала связи. Однако такое подключение достаточно дорого и обычно используется большими организациями для подключения локальных сетей.

Провайдеры услуг Интернета имеют высокоскоростное соединение своих серверов с Интернетом, что позволяет им предоставлять пользователям доступ к Интернету на коммерческой основе по коммутируемым телефонным каналам.

Осуществлять передачу информации по коммутируемым телефонным линиям компьютеры не могут, так как обмениваются данными с помощью цифровых электронных импульсов, а по телефонной линии можно передавать только аналоговые (непрерывные) сигналы.

Для подключения компьютера к телефонной линии используется модем. На передающей стороне реализуется модуляция аналогового электрического сигнала определенной частоты (несущей) последовательностями электрических импульсов. Компьютер посылает модему последовательности электрических импульсов, а модем преобразует цифровые сигналы компьютера в модулированный аналоговый сигнал (рис. 5.4).

Простейшим случаем модуляции, известным из курса физики, является амплитудная модуляция, в этом случае несущий аналоговый сигнал с постоянной амплитудой в процессе модуляции преобразуется в аналоговый сигнал с переменной амплитудой.

Рис. 5.4. Подключение по телефонной линии с помощью модема

Модулированный аналоговый сигнал передается по телефонной линии. На принимающей стороне модем производит обратное преобразование – демодуляцию, то есть преобразует входящий аналоговый сигнал в последовательность цифровых импульсов. Модем обеспечивает модуляцию и демодуляцию сигнала при его передаче по телефонным линиям.

Модемы различаются по конструктивному исполнению на внутренние и внешние. Внутренние модемы устанавливаются в один из слотов системной платы, а внешние подключаются к последовательному порту компьютера.

Основной характеристикой качества модема является скорость передачи информации, которую он может обеспечить в линии. В настоящее время наибольшее распростране­ние имеют модемы, обеспечивающие скорость передачи информации 33,6 Кбит/с и 56 Кбит/с.

При работе модем сначала дозванивается по выбранному телефону до поставщика услуг Internet (провайдера) или до узла сети «Фидонет». Там принимает звонок другой модем, они и устанавливают протокол для передачи данных между ними и скорость соединения. Есть протокол V.34, высокоскоростной V.90, Х 2, К 56 Flex и специализированные (PEP, HST).

Скорость передачи в России зависит от телефонных сетей: 33 600 bps (бит/с), т.е. передается 10 – 12 Мбайт/ч, для работы в Internet минимальная скорость 28 800 bps, но в России работает при более низких скоростях.

Протокол K 56 Flex поддерживает скорость 56 000 – 76 000 bps – модемы используют чипсет Rockwell. Их выпускают фирмы IDC, ZOOM и другие. Протоколы Х 2 и V.90 используются в модемах US Robotics/3COM и ZYXEL, которые подключают через COM–порт или USB – это внешнее исполнение – первый тип (в виде снабженной индикаторами коробочки). Он включается в сеть своей вилкой.

Второй тип – внутреннее исполнение – выполнен в виде платы, вставляемой в PCI–слот (это съёмная карта расширения с компонентами, обеспечивающими обмен данными).

Первые два типа модемов имеют свои достоинства и недостатки – в первом хорошо контролировать передачу, во втором – плохо, но он дешевле и более компактный.

Есть ещё третий тип – программный модем. У него часть функций выполняет программа, установленная на ПК. Его недостатки: модернизация путём замены программы, он занимает дополнительные ресурсы ПК и привязан к определённой ОС.

Модем обладает возможностью обновления BIOS (в них есть свой BIOS – в модели фирмы USR Courier). Телефон необходимо включать после модема, а не параллельно, иначе снятие трубки приводит к прерыванию связи.

В целях сокращения времени передачи данных по линиям связи необходимо осуществлять сжатие данных. На передающей стороне получаемые из последовательного порта компьютера данные модем по определенным алгоритмам сжимает, а на принимающей восстанавливает в исходном виде.

В процессе передачи данных модем реализует также коррекцию ошибок. Это очень важно, так как при передаче программного файла ошибка только в одном бите может привести к неработоспособности программы. Если в процессе передачи блока данных произошла ошибка, модем на принимающей стороне отправляет запрос на повторную передачу этого блока.

Фирмы–производители модемов US Robotics, Inpro (IDC), ZOOM, USR. В 1997 US Robotics стала подразделением корпорации 3COM. Более дешёвые модемы, но более качественные у фирм Inpro (IDC) и ZOOM. Модели Sportser, Message Plus дешевле Courier, и на них есть функции автоответчика. Для внешнего модема должен быть шнур для подключения к COM–порту. Блок питания бывает на 220 В и 110 В, а потому при подключении необходимо обращать внимание на соответствие напряжений.

Факс–модем, кроме текста, воспринимает и графику. Он принимает сообщения с факсов и других факс–модемов. Конструкция подобна обычному модему.

5.8.4 Принтеры

Существует три типа печатающих устройств [11]:

1)      матричные (ударного типа);

2)      струйные;

3)      лазерные.

1.       Матричные принтеры.

Принтеры ударного типа бывают типовые и игольчатые. У первых есть пластмассовый диск со спицами, на концы которых на прямоугольные пластинки нанесены символы для печати (типы). Диск крепится на ось перпендикулярно валу и бумаге, ось управляется шаговым двигателем. Позади диска находится ударный механизм. Двигатель вращает диск до тех пор, пока перед ударником не появится требуемый символ. Срабатывание в этот момент ударника приводит к печати символа через красящую ленту на бумагу. Скорость печати 30 – 40 знаков в секунду.

Игольчатый принтер формирует знаки при помощи головки с иголками. Иголки внутри головки активизируются электромагнитным методом. Головка движется по горизонтальной направляющей и управляется шаговым двигателем. Первые принтеры содержали 9 иголок в один ряд вертикально. Для улучшения качества печати каждую строку пропечатывают два раза, несколько смещая точки при втором проходе, что увеличивает время, хотя и улучшает качество печати.

Затем появился принтер с 18 иголками: по 9 иголок в два ряда. Сейчас используется 24–игольчатый принтер. В нём точки расположены в два ряда по 12 штук. Здесь тоже можно пропечатывать второй раз с небольшим сдвигом. Скорость печати до 400 знаков за секунду.

Сейчас появились принтеры без головки – строчные. В них стоит печатающая планка с иголками на всю строку сразу, что даёт существенное увеличение скорости печати. Их выпускают фирмы Genicom и Dataproducts. Скорость печати у них достигает 1500 строк в минуту.

2.       Струйные принтеры.

Струйные принтеры в своей работе используют следующие методы: пьезоэлектрический; метод газовых пузырей; метод dropondemand.

В первом методе в каждое из 300 для чёрных или 416 для цветных чернил сопел установлен пьезокристалл, связанный с диафрагмой. Под воздействием электрического поля происходит деформация пьезоэлемента, что вызывает наполнение капиллярной системы чернилами. Выдавливаясь, они оставляют на бумаге точку. Подобные устройства выпускает компания Epson, Brother и другие.

Во втором методе каждое сопло оборудовано нагревательным элементом, который при пропускании через него электрического тока разогревается до 500 градусов, а образующиеся в сопле газовые пузырьки выталкивают каплю чернил, которая переносится на бумагу. Подобная технология используется фирмой Canon.

Третий метод dropondemand используется фирмой HewlettPackard. Здесь тоже есть нагревательный элемент, но для подачи чернил есть ещё и специальный механизм. В этом методе обеспечивается наиболее быстрое впрыскивание чернил, что существенно улучшает качество и увеличивает скорость печати до 17 страниц в минуту, а цвета более контрастные.

3.       Лазерные принтеры.

Важнейшим конструктивным элементом лазерного принтера фирм HP и QMS является вращающийся барабан, с помощью которого происходит перенос изображения на бумагу. Металлический барабан покрыт тонкой плёнкой светопроводящего полупроводника (оксида цинка). Коронирующий провод равномерно распределяет статический заряд из–за подачи высокого напряжения. Лазер генерирует световой луч, отражающийся от вращающегося зеркала на поверхность барабана, что приводит к изменению электрического заряда в точке прикосновения. На следующем шаге на барабан наносится красящая пыль, которая притягивается к поверхности в точках, подвергшихся экспозиции, что позволяет сформировать изображение. Бумага втягивается из подающего лотка и через систему валиков перемещается к барабану. Перед самым барабаном бумаге сообщается статический заряд, который и притягивает частички пыли при соприкосновении с барабаном. Для фиксации пылинок бумага снова заряжается и пропускается между двумя роликами с температурой 180 градусов. После печати специальный ролик очищает барабан. Высокоскоростные принтеры печатают уже свыше 20 страниц в минуту.

Альтернативой является светодиодный принтер LED (Light Emitting Diode). Здесь барабан освещает неподвижная диодная строка на 2500 светодиодов, которая описывает сразу всю строку. На этом принципе работает лазерный принтер OKI.

     Оборудование для организации сетей ЭВМ

1.       Проводящая среда [13].

Витая пара – два изолированных провода, свитые вместе. Кабель состоит из четырех пар.  

Коаксиальный кабель состоит из центрального проводника, одножильного и внешней экранирующей оплётки. Между ними находится внутренний изолирующий материал. Обладает высокой защищённостью и скоростью передачи большей, чем витая пара.

Стекловолоконный кабель проводит световые волны, состоит из двух проводов, каждый из которых проводит данные только в одном направлении. Этот кабель не подвержен влиянию электрополей, длина не ограничена, скорость велика.

2.       Сетевые карты.

Является посредником между компьютером и сетью, передают сетевые данные по системе шин к процессору или оперативной памяти сервера или рабочей станции.

Наибольшее распространение получили сетевые карты стандарта Ethernet.

3.       Концентратор (хаб).

Каждый компьютер подключается к нему с помощью сегмента кабеля (не длиннее 100 м). Одним разъёмом кабель подключается к хабу, а другим к сетевой плате.


Центральным узлом сети Ethernet на витой паре является хаб.

Хабы выпускают на разное количество портов (8, 12, 16 и т.д.)

Хабы можно объединять, подключая друг к другу.


Необходимо соблюдать правила: не создавать закольцованных путей, не устанавливать более 4–х хабов между любыми двумя станциями.

 

4.      
Трансивер.

Устройство, используемое для соединения линий связи разных типов, например, для соединения «тонкого коаксиала» к «толстому» или к спутниковому каналу связи.

5.       Репитер.


Повторитель или усилитель мощности используется для увеличения длины сегмента.

6.      
Терминатор.

Устройство, предназначенное для гашения отражения сигнала от концов линии связи (заглушка).

Физически представляет собой разъём с впаянным сопротивлением. Один из двух терминаторов должен быть заземлён.

7.      
Разъёмы и инструмент для обжима. 



Comments