Лабораторная работа № 2 Устройство персонального компьютера
Цель работы: изучить основы устройства персонального компьютера.
Теоретические сведения
Вычислительная техника. Вычислительная система. Компьютер
Совокупность устройств, предназначенных для автоматизированной обработки информации (данных), называют вычислительной техникой. Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенных для обслуживания конкретных задач (проблем – технических, научных, экономических и т.д.), называют вычислительной системой. Центральным устройством большинства вычислительных систем является компьютер. Компьютер – это электронный прибор, предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки и транспортировки информации (данных).
Состав вычислительной системы
Состав вычислительной системы называется конфигурацией. Аппаратные и программные средства вычислительной техники принято рассматривать отдельно. Поэтому рассматривают аппаратную конфигурацию вычислительных систем и их программную конфигурацию.
Аппаратное обеспечение. К аппаратному обеспечению вычислительных систем относятся устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию. Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно-модульную конструкцию – аппаратную конфигурацию, необходимую для исполнения конкретных видов работ, можно собирать из готовых узлов и модулей.
По способу расположения устройств относительно центрального процессорного устройства (ЦПУ – CentralProcessingUnit, CPU) различают внутренние и внешние устройства. Внешними, как правило, являются большинство устройств ввода-вывода данных (их также называют периферийными устройствами) и некоторые устройства для длительного хранения данных.
Согласование между отдельными узлами и блоками выполняют с помощью переходных аппаратно-логических устройств, называемых аппаратными интерфейсами. Стандарты на аппаратные интерфейсы в вычислительной технике называют протоколами. Таким образом, протокол – это совокупность технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств для успешного согласования их работы с другими устройствами.
Многочисленные интерфейсы, присутствующие в архитектуре любой вычислительной системы, можно условно разделить на две большие группы: последовательные и параллельные. Через последовательный интерфейс данные передаются последовательно, бит за битом, а через параллельный – одновременно группами битов. Количество битов, участвующих в одной посылке, определяется разрядностью интерфейса, например, восьмиразрядные параллельные интерфейсы передают один байт (8 бит) за один цикл.
Параллельные интерфейсы обычно имеют более сложное устройство, чем последовательные, но обеспечивают более высокую производительность. Их применяют там, где важна скорость передачи данных: для подключения печатающих устройств, устройств ввода графической информации, устройств записи данных на внешний носитель и т. п. Производительность параллельных интерфейсов измеряют байтами в секунду (байт/с; Кбайт/с; Мбайт/с).
Первоначально пропускная способность последовательных интерфейсов была меньше, а коэффициент полезного действия – ниже. Однако, с развитием техники появились новые, высокоскоростные последовательные интерфейсы, не уступающие параллельным, а нередко и превосходящие их по пропускной способности. Сегодня последовательные интерфейсы применяют для подключения к компьютеру любых типов устройств.
Базовая аппаратная конфигурация персонального компьютера.
Персональный компьютер – универсальная техническая система. Его конфигурацию (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости. Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. В таком комплекте компьютер обычно поставляется. Понятие базовой конфигурации может меняться. В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают четыре устройства: системный блок, монитор, клавиатура и мышь.
Системный блок. Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты.
По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса. Корпуса персональных компьютеров выпускают в горизонтальном (desktop) и вертикальном (tower) исполнении. Корпуса, имеющие вертикальное исполнение, различают по габаритам: полноразмерный (bigtower), среднеразмерный (miditower) и малоразмерный (minitower). Среди корпусов, имеющих горизонтальное исполнение, выделяют плоские и особо плоские (slim).
Кроме формы, для корпуса важен параметр, называемый форм-фактором. От него зависят требования к размещаемым устройствам. Прежним стандартом корпуса персональных компьютеров был форм-фактор AT, в настоящее время в основном используются корпуса форм-факторов ATX. Форм-фактор корпуса должен быть обязательно согласован с форм-фактором главной (системной) платы компьютера, так называемой материнской платы.
Корпуса персональных компьютеров поставляются вместе с блоком питания и, таким образом, мощность блока питания также является одним из параметров корпуса. Для массовых моделей достаточной является мощность блока питания 250-300 Вт.
Монитор.Монитор – устройство визуального представления данных. Это не единственно возможное, но главное устройство вывода информации. Его основными потребительскими параметрами являются: тип, размер и шаг маски, частота регенерации изображения, класс защиты.
Сейчас наиболее распространены мониторы жидкокристаллические (ЖК). В актив жидкокристаллических мониторов можно занести их компактность, небольшой вес, идеально плоскую поверхность экрана.
Размер монитора измеряется между противоположными углами видимой части экрана по диагонали. Единицы измерения – дюймы. Стандартные размеры: 17'', 19'', 20'', 21'', 22'', 24'' и т.д. В настоящее время наиболее универсальными являются мониторы от 17 дюймов, а для операций с графикой желательны мониторы размером 21 - 24 дюйма.
На экране жидкокристаллического монитора изображение образуется в результате прохождения белого света лампы подсветки через ячейки, прозрачность которых зависит от приложенного напряжения. Элементарная триада состоит из трех ячеек зеленого, красного и синего цвета и соответствует одному пикселю экрана. Размер монитора по диагонали и разрешение экрана однозначно определяет размер такой триады и, тем самым, зернистость изображения.
Частота регенерации (обновления) изображения показывает, сколько раз в течение секунды монитор может полностью сменить изображение (поэтому ее также называют частотой кадров). Этот параметр зависит не только от монитора, но и от свойств и настроек видеоадаптера, хотя предельные возможности определяет монитор.
Частоту регенерации изображения измеряют в герцах (Гц). Чем она выше, тем четче и устойчивее изображение, тем меньше утомление глаз, тем больше времени можно работать с компьютером непрерывно. При частоте регенерации порядка 60 Гц мелкое мерцание изображения может быть заметно невооруженным глазом. Сегодня такое значение считается недопустимым. У жидкокристаллических мониторов изображение более инерционно, так что мерцание подавляется автоматически. Для них частота обновление в 75 Гц уже считается комфортной.
Клавиатура.Клавиатура – клавишное устройство управления персональным компьютером. Служит для ввода алфавитно-цифровых (знаковых) данных, а также команд управления. Комбинация монитора и клавиатуры обеспечивает простейший интерфейс пользователя. С помощью клавиатуры управляют компьютерной системой, а с помощью монитора получают от нее отклик.
Клавиатура относится к стандартным средствам персонального компьютера. Ее основные функции не нуждаются в поддержке специальными системными программами (драйверами). Необходимое программное обеспечение для начала работы с компьютером уже имеется в микросхеме ПЗУ в составе базовой системы ввода-вывода (BIOS), и потому компьютер реагирует на нажатия клавиш сразу после включения.
Мышь.Мышь – устройство управления манипуляторного типа. Представляет собой плоскую коробочку с двумя-тремя кнопками. Перемещение мыши по плоской поверхности синхронизировано с перемещением графического объекта (указателя мыши) на экране монитора.
В отличие от клавиатуры мышь не является стандартным органом управления, и персональный компьютер не имеет для нее выделенного порта. Для мыши нет и постоянного выделенного прерывания, а базовые средства ввода и вывода (BIOS) компьютера, размещенные в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), не содержат программных средств для обработки прерываний мыши.
В связи с этим в первый момент после включения компьютера мышь не работает. Она нуждается в поддержке специальной системной программы – драйвера мыши. Драйвер устанавливается либо при первом подключении мыши, либо при установке операционной системы компьютера. Хотя мышь и не имеет выделенного порта на материнской плате, для работы с ней используют один из стандартных портов, средства для работы с которыми имеются в составе BIOS. Драйвер мыши предназначен для интерпретации сигналов, поступающих через порт. Кроме того, он обеспечивает механизм передачи информации о положении и состоянии мыши операционной системе и работающим программам.
Компьютером управляют перемещением мыши по плоскости и кратковременными нажатиями правой и левой кнопок. (Эти нажатия называются щелчками.) В отличие от клавиатуры мышь не может напрямую использоваться для ввода знаковой информации – ее принцип управления является событийным. Перемещения мыши и щелчки ее кнопок являются событиями с точки зрения ее программы-драйвера. Анализируя эти события, драйвер устанавливает, когда произошло событие, и в каком месте экрана в этот момент находился указатель. Эти данные передаются в программу, с которой работает пользователь в данный момент. По ним программа может определить команду, которую имел в виду пользователь, и приступить к ее исполнению.
Комбинация монитора и мыши обеспечивает наиболее современный тип интерфейса пользователя, который называется графическим. Пользователь наблюдает на экране графические объекты и элементы управления. С помощью мыши он изменяет свойства объектов и приводит в действие элементы управления компьютерной системы, а с помощью монитора получает от нее отклик в графическом виде.
Стандартная мышь имеет только две кнопки, хотя существуют нестандартные мыши с тремя кнопками. Сегодня наиболее распространены мыши, в которых роль третьей кнопки играет вращающееся колесико-регулятор. Функции дополнительных органов управления определяются тем программным обеспечением, которое поставляется вместе с устройством.
Внутренние устройства персонального компьютера
Блок питания. Вырабатывает стабилизированные напряжения для питания всех устройств, находящихся в системном блоке. От блока питания выходят многочисленные кабели, которые подключаются к системной плате, дисковым накопителям и другим устройствам.
Материнская плата.Материнская плата, или системная плата (MotherBoard) – базовое устройство компьютера для установки процессора, оперативной памяти и плат расширения. К ней подключаются устройства ввода/вывода, дисковые накопители и др. Системная плата обеспечивает их взаимодействие, используя специальный набор микросхем системной логики или чипсет (современный чипсет выполняет множество различных функций). На системной плате также располагаются другие устройства, например микросхема BIOS, батарейка для питания часов и CMOS (память с автономным питанием), тактовый генератор.
Жесткий диск.Жесткий диск, или винчестер, – основное средство хранения информации в компьютере. Современные жесткие диски отличаются высокими показателями емкости (сотни гигабайт), скорости и надежности, а также не очень высокой стоимостью. На них обычно хранится операционная система, программы, обрабатываемые данные и другая объемная информация.
Дисковод компакт-дисков.Компакт-диски (CD) – наиболее популярное средство распространения прикладных программ, игр, фильмов, музыки и другой цифровой информации, поэтому практически каждый компьютер оснащается приводом для компакт-дисков.
CD имеет емкость около 700 Мбайт; если же нужно записать больше информации, используются DVD, емкость которых 4,7 Гбайт и более.
CD и DVD бывают трех разновидностей:
• CD-ROM, DVD-ROM – диски только для чтения, записанные на заводе; так же обозначаются приводы, предназначенные только для чтения дисков;
• CD-R, DVD-R – чистые диски, позволяющие однократную запись;
• CD-RW, DVD-RW – диски, позволяющие многократную запись и стирание информации; так же обозначаются приводы для чтения и записи дисков.
Все приводы DVD позволяют работать с CD.
Кроме обычных DVD, которые являются односторонними и однослойными, встречаются двухсторонние или двухслойные диски с удвоенным объемом, а если DVD одновременно односторонний и двухслойный, то его объем увеличивается в четыре раза и составляет более 18 Гбайт. Двухсторонние или двухслойные диски должны поддерживаться накопителем.
Видеокарта (видеоадаптер). Совместно с монитором видеокарта образует видеоподсистему персонального компьютера. Видеокарта не всегда была компонентом ПК. На заре развития персональной вычислительной техники в общей области оперативной памяти существовала небольшая выделенная экранная область памяти, в которую процессор заносил данные об изображении. Специальный контроллер экрана считывал данные о яркости отдельных точек экрана из ячеек памяти этой области и в соответствии с ними управлял разверткой горизонтального луча электронной пушки монитора.
За время существования персональных компьютеров сменилось несколько стандартов видеоадаптеров: MDA (монохромный); CGA (4 цвета); EGA (16 цветов); VGA (256 цветов). В настоящее время применяются видеоадаптеры SVGA, обеспечивающие по выбору воспроизведение до 16,7 миллионов цветов с возможностью произвольного выбора разрешения экрана из стандартного ряда значений (640х480, 800х600, 1024х768, 1152х864, 1280х1024 точек и далее).
Разрешение экрана является одним из важнейших параметров видеоподсистемы. Чем оно выше, тем больше информации можно отобразить на экране, но тем меньше размер каждой отдельной точки и, соответственно, тем меньше видимый размер элементов изображения. Использование завышенного разрешения на мониторе малого размера приводит к тому, что элементы изображения становятся неразборчивыми и работа с документами и программами вызывает утомление органов зрения. Использование заниженного разрешения приводит к тому, что элементы изображения становятся крупными, но на экране их располагается очень мало.
Видеоускорение – одно из свойств видеоадаптера, которое заключается в том, что часть операций по построению изображений может происходить без выполнения математических вычислений в основном процессоре компьютера, а чисто аппаратным путем — преобразованием данных в микросхемах видеоускорителя. Видеоускорители обычно входят в состав видеоадаптера (в таких случаях говорят о том, что видеокарта обладает функциями аппаратного ускорения). Несколько лет назад существовали и видеоускорители, которые поставлялись в виде отдельной платы, устанавливаемой на материнской плате и подключаемой к видеоадаптеру.
Различают два типа видеоускорителей — ускорители плоской (2D) и трехмерной (3D) графики. Первые наиболее эффективны для работы с прикладными программами, использующими стандартный интерфейс (обычно офисного применения), и оптимизированы для операционной системы Windows, а вторые ориентированы на работу мультимедийных развлекательных программ, в первую очередь компьютерных игр, и профессиональных программ обработки трехмерной графики. Обычно в этих случаях используют разные математические принципы автоматизации графических операций. Все современные видеокарты обладают функциями и двухмерного, и трехмерного ускорения.
Звуковая карта.Звуковая карта явилась одним из наиболее поздних усовершенствований персонального компьютера. Она устанавливается в один из разъемов материнской платы в виде дочерней карты и выполняет вычислительные операции, связанные с обработкой звука, речи, музыки. Звук воспроизводится через внешние звуковые колонки, подключаемые к выходу звуковой карты. Специальный разъем позволяет отправить звуковой сигнал на внешний усилитель. Имеется также разъем для подключения микрофона, что позволяет записывать речь или музыку и сохранять их на жестком диске для последующей обработки и использования.
Основным параметром звуковой карты является разрядность, определяющая количество битов, используемых при преобразовании сигналов из аналоговой в цифровую форму и наоборот. Чем выше разрядность, тем меньше погрешность, связанная с оцифровкой, тем выше качество звучания. Минимальным требованием сегодняшнего дня являются 16 разрядов, а наибольшее распространение имеют 32-разрядные и 64-разрядные устройства.
В последнее время обработка звука рассматривается как относительно простая операция, которую, в связи с возросшей мощностью процессора, можно возложить и на него. В отсутствие повышенных требований к качеству звука можно использовать интегрированные звуковые системы, в которых функции обработки звука выполняются центральным процессором и микросхемами материнской платы. В этом случае колонки или иное устройство воспроизведения звука подключается к гнездам, установленным непосредственно на материнской плате.
Платы (карты) расширения.Платы или карты расширения – это дополнительные устройства, которые устанавливаются в системный блок и подключаются к компьютеру с помощью разъемов (слотов), установленных на материнской плате. В слоты расширения могут быть установлены различные устройства:
• Видеоадаптер. Служит для формирования изображения на мониторе и является обязательным устройством для работы компьютера.
• Звуковые платы. Почти все современные системные платы содержат встроенныйаудиоконтроллер, но при особых требованиях к обработке звука может устанавливаться дополнительная звуковая плата.
• Сетевые платы. Большинство современных системных (материнских) плат имеют встроенные сетевые адаптеры, но если это не так, то можно добавить поддержку сети с помощью отдельной платы расширения.
• Контроллеры SCSI, IDE, SATA, RAID.К ним подключаются жесткие диски, когда системная плата не поддерживает нужный интерфейс.
• Платы видеозахвата. Используются для видеозаписи и видеомонтажа.
• ТВ-тюнеры и FM-приемники. Позволяют смотреть телепередачи и слушать радио на компьютере.
• Контроллер FireWire. К нему подключаются цифровые видеокамеры и другие устройства.
• Контроллер USB. Дополнительный контроллер USB может понадобиться, когда все доступные USB-разъемы уже заняты.
Системы, расположенные на материнской плате
Оперативная память.Оперативная память (ОП) – один из важнейших компонентов системы, она необходима для работы операционной системы и программ, для обработки и временного хранения данных. ОП не позволяет хранить информацию после выключения питания, но она работает намного быстрее жестких дисков и других устройств.
Любая программа сначала загружается с жесткого диска в ОП и лишь затем начинает работу. Объем ОП существенно влияет на общую производительность системы, и его увеличение – наиболее простой и популярный метод модернизации компьютера.
Для ОП может использоваться обозначение ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), или RAM (RandomAccessMemory – память с произвольным доступом).
Процессор.Процессор – это основная микросхема компьютера с несколькими сотнями выводов, выполняющая большинство математических и логических операций. Процессор устанавливается в специальный разъем на системной плате; сверху на нем закрепляется радиатор с вентилятором для охлаждения (его также называют кулером). Установка процессора в разъем требует особой осторожности и аккуратности и обычно подробно описана в инструкции к системной плате.
В подавляющем большинстве персональных компьютеров используются процессоры, совместимые с процессорами x86 компании Intel.
Параметрами процессора являются.
• Название и номер модели (рейтинг). Эта характеристика обычно указывается в прайс-листах компьютерных магазинов или при описании конфигурации компьютера.
• Тип разъема, или форм-фактор. Каждая модель процессора устанавливается в разъем соответствующего типа и с соответствующим количеством контактов. Цифра в названии разъема обозначает количество контактов, и установить процессор в не предназначенный для него разъем нельзя, даже если различие всего в один контакт.
• Частота FSB. Для обмена данными с другими устройствами процессор использует шину FSB (FrontSideBus). В современных системах за один такт шины FSB передается сразу несколько пакетов данных, и в параметрах процессора эта частота указывается уже с учетом такого умножения скорости. Например, процессор Pentium 4 с частотой FSB 800 МГц на самом деле работает на частоте FSB 200 МГц, но за один рабочий такт передается четыре пакета данных.
• Множитель, или коэффициент умножения. Ядро центрального процессора работает на тактовой частоте, являющейся произведением частоты FSB на коэффициент умножения.
• Тактовая частота. Параметр, показывающий реальную работу ядра процессора, который может достигать 3-4 ГГц. Тактовые частоты из года в год увеличивались, но в последнее время этот процесс замедлился, поскольку рабочие частоты приближаются к своему физическому пределу, поэтому производители больше внимания уделяют повышению эффективности работы процессоров и их дополнительным функциям.
• Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт).
• Объем кэш-памяти. Современные процессоры работают значительно быстрее, чем ОП, и при обращении к ней процессору приходится некоторое время простаивать в ожидании результата. Чтобы снизить простои, непосредственно на кристалле процессора устанавливается небольшой объем очень быстрой памяти, называемый кэш-памятью. Она содержит данные, наиболее часто используемые процессором, и обычно работает на его тактовой частоте. Специальные алгоритмы для кэш-памяти позволяют своевременно подгружать нужные процессору данные из ОП, что увеличивает производительность системы.
Современные процессоры имеют двухуровневую организацию интегрированной кэш-памяти. У кэш-памяти первого уровня (L1) наивысшая скорость, и она обычно разделена на две равные части: первая используется для данных, вторая – для команд. Объем кэш-памяти первого уровня зависит от модели процессора и обычно составляет от 16 до 128 Кбайт.
У кэш-памяти второго уровня (L2) несколько меньше быстродействие, чем у L1, и объем от 128 Кбайт до 1 Мбайт в зависимости от модели процессора.
В некоторых новых процессорах может быть кэш-память третьего уровня (L3) объемом от 1 Мбайт.
• Напряжение питания ядра. Ядро современного процессора питается довольно низким напряжением, порядка 1,3–1,7 В. Для каждой модели есть свое паспортное значение этого напряжения, которое обычно настраивается автоматически.
• Тепловыделение. Современные процессоры обладают большим тепловыделением, достигающим до 100 Вт и более. Поэтому эксплуатация процессора невозможна без системы охлаждения, в качестве которой используются массивные радиаторы с установленными на них вентиляторами.
Для современных процессоров характерен набор дополнительных функций и технологий, расширяющий их возможности.
• Наборы дополнительных инструкций для процессора, ускоряющих работу с мультимедиа и большими объемами данных.
• Технология энергосбережения, которая «заставляет» процессор снизить тактовую частоту, если его нагрузка невелика.
• Технология защиты компьютера от вирусов, запрещающая запуск кода из области данных.
• Технология, позволяющая выполнять 64-битные инструкции.
• Технология, позволяющая выполнять несколько потоков команд одновременно, что увеличивает производительность системы.
• Технология защиты процессора от перегрева и др.
С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами. Основных шин три: адресная шина, шина данных и командная шина.
Адресная шина. У процессоров семейства Pentium (а именно они наиболее распространены в персональных компьютерах) адресная шина 32-разрядная, то есть состоит из 32 параллельных проводников. В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комбинация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.
Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В современных персональных компьютерах шина данных, как правило, 64-разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.
Шина команд. Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, но не из тех областей, где хранятся массивы данных, а оттуда, где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. Самые простые команды укладываются в один байт, однако есть и такие, для которых нужно два, три и более байтов. В большинстве современных процессоров шина команд 32-разрядная, хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже 128-разрядные.
Шинные интерфейсы материнской платы. Несомненное преимущество ПК – открытая архитектура, позволяющая в широких пределах изменять конфигурацию компьютера, адаптируя его для решения определенных задач. Для этого на системной плате есть периферийная шина с несколькими разъемами, куда можно вставлять необходимые платы расширения.
Сейчас, популярными шинами являются шина PCI, шина PCI Express, шина AGP, шина USB.
Шина PCI является наиболее популярным способом, чтобы подключить различные платы расширения. Одним из преимуществ данной шины является поддержка технологии PlugandPlay, позволяющей автоматически настраивать все подключаемые устройства. Шина PCI обладала неплохими для своего времени характеристиками и довольно долго была основной для подключения различных плат расширения. Однако после появления быстродействующих устройств на смену шине PCI пришла шина PCI Express. Но в ближайшие годы шины PCI и PCI Express будут существовать совместно, поскольку для шины PCI разработано очень много устройств, а PCI Express только начинает развиваться.
Шина AGP предназначена специально для подключения видеоадаптера.
Шина (интерфейс) USB сегодня стала общепринятым стандартом для подключения к системному блоку различных внешних устройств. В старых компьютерах было всего два разъема USB, расположенных на задней панели системного блока. Усовременныхкомпью-теров их может быть шесть, восемь и более, причем располагаются они как на задней, так и на передней панели системного блока.
Преимущества интерфейса USB в том, что подключать или отключать устройства можно в процессе работы компьютера, причем настраиваются они операционной системой автоматически.
Порты
К портам подключаются периферийные устройства ввода/вывода. Разъемы портов обычно устанавливаются прямо на системную плату и выносятся на заднюю стенку компьютера. Для их обслуживания на системной плате есть специализированный чип SuperIO, который взаимодействует с южным мостом чипсета. Порты также называют интерфейсами.
В современных компьютерах используются несколько портов.
• Последовательный порт (COM). Присутствует в компьютерах вот уже более двух десятков лет, однако в последнее время применяется не очень часто, в основном для подключения модемов. Обычно в системе два последовательных порта COM1 и COM2, однако во многих современных платах есть разъемы только для COM1.
• Параллельный порт (LPT). К нему подключаются некоторые модели принтеров, сканеров и другие устройства. Стандартный параллельный порт имеет не очень высокое быстродействие, поэтому используются его ускоренные режимы работы ECP или EPP.
• Порт PS/2. В большинстве компьютеров есть два таких специализированных порта: первый для подключения клавиатуры, второй – для мыши.
• USB. Наиболее популярный интерфейс для самых разнообразных периферийных устройств. Это одновременно и порт, и шина.
• IEEE 1394 (FireWire). Высокоскоростной последовательный порт для цифровых видеоустройств. Не каждая системная плата поддерживает IEEE 1394, поэтому для работы с цифровым видео обычно приходится приобретать дополнительный контроллер.
• Инфракрасный порт (IrDA). Позволяет подключать периферийные устройства (мобильные телефоны и др.) без использования проводов, при этом информация передается с помощью инфракрасного излучения.
• Bluetooth. Относительно новый и быстро развивающийся беспроводной интерфейс. По сравнению с инфракрасным портом имеет более высокую скорость, он получил большее распространение для подключения к компьютеру мобильных телефонов, однако может использоваться и для других устройств, имеющих Bluetooth-интерфейс. Далеко не у каждой системной платы есть встроенная поддержка Bluetooth, но эта проблема легко решается установкой относительно недорогого адаптера USB – Bluetooth.
Периферийные устройства персонального компьютера
Периферийные устройства персонального компьютера подключаются к его интерфейсам и предназначены для выполнения вспомогательных операций. Благодаря им компьютерная система приобретает гибкость и универсальность.
По назначению периферийные устройства можно подразделить на: устройства ввода знаковых данных, устройства командного управления, устройства ввода графических данных, устройства вывода данных, устройства вывода графических данных, устройства хранения данных и устройства обмена данными.
Устройства ввода графических данных
Для ввода графических данных используют сканеры, графические планшеты (диги-тайзеры) и цифровые фотокамеры. С помощью сканеров можно вводить и знаковую информацию. В этом случае исходный материал вводится в графическом виде, после чего обрабатывается специальными программными средствами (программами распознавания образов).
Планшетные сканеры. Планшетные сканеры предназначены для ввода графической информации с прозрачного или непрозрачного листового материала. Принцип действия этих устройств состоит в том, что луч света, отраженный от поверхности материала (или прошедший сквозь прозрачный материал), фиксируется специальными элементами, называемыми приборами сзарядовой связью (ПЗС). Обычно элементы ПЗС конструктивно оформляют в виде линейки, располагаемой по ширине исходного материала. Перемещение линейки относительно листа бумаги выполняется механическим протягиванием линейки при неподвижной установке листа или протягиванием листа при неподвижной установке линейки.
Основными потребительскими параметрами планшетных сканеров являются: разрешающая способность, производительность, динамический диапазон и максимальный размер сканируемого материала.
Разрешающая способность планшетного сканера зависит от плотности размещения приборов ПЗС на линейке, а также от точности механического позиционирования линейки при сканировании. Типичный показатель для офисного применения: 600-1200 dpi (dpi – dotsperinch, количество точек на дюйм). Для профессионального применения характерны показатели 1200-3000 dpi.
Производительность сканера определяется продолжительностью сканирования листа бумаги стандартного формата и зависит как от совершенства механической части устройства, так и от типа интерфейса, использованного для сопряжения с компьютером.
Динамический диапазон определяется логарифмом отношения яркости наиболее светлых участков изображения к яркости наиболее темных участков. Типовой показатель для сканеров офисного применения составляет 1,8-2,0, а для сканеров профессионального применения – от 2,5 (для непрозрачных материалов) до 3,5 (для прозрачных материалов).
Графические планшеты (дигитайзеры) предназначены для ввода художественной графической информации. Существует несколько различных принципов действия графических планшетов, но в основе всех их лежит фиксация перемещения специального пера относительно планшета. Устройства удобны для художников и иллюстраторов, поскольку позволяют им создавать экранные изображения привычными приемами, наработанными для традиционных инструментов (карандаш, перо, кисть).
Цифровые фотокамеры. Как и сканеры, эти устройства воспринимают графические данные с помощью приборов с зарядовой связью, объединенных в прямоугольную матрицу. Основным параметром цифровых фотоаппаратов является разрешающая способность, которая напрямую связана с количеством ячеек ПЗС в матрице. Наилучшие потребительские модели в настоящее время имеют 2–4 млн. ячеек ПЗС и, соответственно, обеспечивают разрешение изображения до 1600х1200 точек и выше. У профессиональных моделей эти параметры еще выше.
Устройства вывода данных.
В качестве устройств вывода данных, дополнительных к монитору, используют печатающие устройства (принтеры), позволяющие получать копии документов на бумаге или прозрачном носителе. По принципу действия различают матричные, лазерные, светодиодные и струйные принтеры.
Матричные принтеры. Это простейшие печатающие устройства. Данные выводятся на бумагу в виде оттиска, образующегося при ударе цилиндрических стержней («иголок») через красящую ленту. Качество печати матричных принтеров напрямую зависит от количества иголок в печатающей головке. Наибольшее распространение имеют 9-игольчатые и 24-игольчатые матричные принтеры. Последние позволяют получать оттиски документов, практически не уступающие по качеству документам, исполненным на пишущей машинке. В настоящее время матричные принтеры считаются устаревшими и практически не выпускаются.
Производительность работы матричных принтеров оценивают по количеству печатаемых знаков в секунду (cps — characterspersecond). Обычными режимами работы матричных принтеров являются: draft — режим черновой печати, normal — режим обычной печати и режим NLQ (NearLetterQuality), который обеспечивает качество печати, близкое к качеству пишущей машинки.
Лазерные принтеры обеспечивают высокое качество печати, не уступающее, а во многих случаях и превосходящее полиграфическое. Они отличаются также высокой скоростью печати, которая измеряется в страницах в минуту (ррт —pageperminute). Как и в матричных принтерах, итоговое изображение формируется из отдельных точек.
К основным параметрам лазерных принтеров относятся: разрешающая способность, dpi (dotsperinch — точек на дюйм); производительность (страниц в минуту); формат используемой бумаги и объем собственной оперативной памяти.
При выборе лазерного принтера необходимо также учитывать параметр стоимости оттиска, то есть стоимость расходных материалов для получения одного печатного листа стандартного формата А4. К расходным материалам относятся тонер и барабан, который после печати определенного количества оттисков утрачивает свои свойства. В качестве единицы измерения используют цент на страницу (имеются в виду центы США). В настоящее время теоретический предел по этому показателю составляет порядка 1,0-1,5. На практике лазерные принтеры массового применения обеспечивают значения от 2,0 до 6,0.
Основное преимущество лазерных принтеров заключается в возможности получения высококачественных отпечатков. Уже модели среднего класса обеспечивают разрешение печати до 600 dpi, а профессиональные модели — до 1800 dpi и выше.
Светодиодные принтеры. Принцип действия светодиодных принтеров похож на принцип действия лазерных принтеров. Разница заключается в том, что источником света является не лазерная головка, а линейка светодиодов. Поскольку эта линейка расположена по всей ширине печатаемой страницы, отпадает необходимость в механизме формирования горизонтальной развертки, и вся конструкция получается проще, надежнее и дешевле. Типичная величина разрешения печати для светодиодных принтеров составляет порядка 600 dpi.
Струйные принтеры. В струйных печатающих устройствах изображение на бумаге формируется из пятен, образующихся при попадании капель красителя на бумагу. Выброс микрокапель красителя происходит под давлением, которое развивается в печатающей головке за счет парообразования. В некоторых моделях капля выбрасывается щелчком в результате пьезоэлектрического эффекта — этот метод позволяет обеспечить более стабильную форму капли, близкую к сферической.
Качество печати изображения во многом зависит от формы капли и ее размера, а также от характера впитывания жидкого красителя поверхностью бумаги. В этих условиях особую роль играют вязкостные свойства красителя и свойства бумаги.
К положительным свойствам струйных печатающих устройств следует отнести относительно небольшое количество движущихся механических частей и, соответственно, простоту и надежность механической части устройства и его относительно низкую стоимость. Основным недостатком, по сравнению с лазерными принтерами, является нестабильность получаемого разрешения, что ограничивает возможность их применения в черно-белой полутоновой печати.
Устройство вывода графических данных (плоттер).
Плоттер является устройством вывода, которое применяется только в специальных областях. Плоттеры обычно используются совместно с программами САПР. Результат работы практически любой такой программы – это комплект конструкторской и/или технологической документации, в которой значительную часть составляют графические материалы: чертежи, схемы, графики, диаграммы и т. п. Для этого плоттер оборудован специальными вспомогательными средствами.
Поле для черчения у плоттеров соответствует стандартам ISO (форматы A4–A0) или ANSI (форматы A–E).
Все современные плоттеры можно отнести к двум большим классам.
• Планшетные для форматов A3–A2 (реже A1–A0) с фиксацией листа электрическим, реже магнитным или механическим способом, и пишущим узлом.
• Барабанные (рулонные) плоттеры с шириной бумаги формата A1 или A0, роликовой подачей листа, механическим и/или вакуумным прижимом и с пишущим узлом. Барабанные плоттеры используют рулоны бумаги длиной до несколько десятков метров и позволяют создавать длинные рисунки и чертежи.
Устройства хранения данных.
Необходимость во внешних устройствах хранения данных возникает в двух случаях:
• когда на вычислительной системе обрабатывается больше данных, чем можно разместить на базовом жестком диске;
• когда данные имеют повышенную ценность и необходимо выполнять регулярное резервное копирование на внешнее устройство (копирование данных в пределах того же жесткого диска не является резервным и только создает иллюзию безопасности).
В настоящее время для внешнего хранения данных используют несколько типов устройств.
Магнитооптические устройства. Эти устройства получили широкое распространение в компьютерных системах высокого уровня благодаря своей универсальности. С их помощью решаются задачи резервного копирования, обмена данными и их накопления. Однако достаточно высокая стоимость приводов и носителей не позволяет отнести их к устройствам массового спроса.
В этом секторе параллельно развиваются 5,25- и 3,5-дюймовые накопители, носители для которых отличаются в основном форм-фактором и емкостью. Последнее поколение носителей формата 5,25" достигает емкости 5,2 Гбайт. Емкость носителей 3,5" несколько ниже, от 640 Мбайт до 2,3 Гбайт.
В перспективе ожидается появление накопителей заметно большего объема (до нескольких десятков Гбайт).
Флэш-диски. Это современное устройство хранения данных на основе энергонезависимой флэш-памяти. Устройство имеет минимальные размеры и допускает «горячее» подключение в разъем USB (во время работы компьютера), после чего распознается как жесткий диск, причем не требует установки драйвера. Объем флэш-дисков может составлять до 1-2 Тбайт и выше.
Системные ресурсы и их распределение
Основные сведения о ресурсах. Современный компьютер состоит из большого количества разнообразных устройств; и для нормальной работы они должны поддерживаться процессором, им нужен доступ к оперативной памяти и возможность обмена данными с периферией. Также необходимо, чтобы устройства не мешали друг другу, что достигается распределением между ними системных ресурсов.
К системным ресурсам относятся следующие:
• Прерывания. С их помощью устройства могут использовать процессор для обработки возникших в них событий.
• Каналы прямого доступа к памяти (DMA). Используются для обмена данными между устройствами и оперативной памятью без участия процессора. Для реализации этой технологии в каждой системной плате есть контроллер DMA, поддерживающий до восьми каналов обмена данными. Остальные каналы часто свободные, поскольку эта технология практически не применяется в новых устройствах. Распределение каналов DMA почти всегда выполняется успешно, и во многих современных версиях BIOS вообще нет настроек, с ним связанных.
• Порты ввода/вывода. Служат для обмена данными между устройством и процессором. Это диапазоны адресов в шестнадцатеричном виде, по которым процессор может записывать или читать данные с помощью специальных команд IN или OUT. Для этих портов выделен диапазон в 64 Кбайт, большая часть которого свободна, поэтому конфликты с их использованием очень редки.
• Области оперативной памяти, специально выделенные для определенного устройства. Как и в случае с портами ввода/вывода, конфликты с областями памяти встречаются редко.
Прерывания. В работе компьютера часто возникают ситуации, когда процессору необходимо отложить на время выполнение основной программы и обработать нажатие клавиши на клавиатуре, щелчок мыши или другое событие, возникшее в одном из устройств. Для реализации этой задачи во всех компьютерах используют механизм прерывания. Прерывание (INT) – это приостановление процессором выполнения основной программы для обработки события, поступившего от внешнего устройства.
Прерывания могут накладываться друг на друга, и если во время обработки одного прерывания возникает другое с более высоким приоритетом, то выполнение текущего будет приостановлено, и процессор перейдет к более важному. Процессор может обрабатывать тысячи прерываний в секунду, но пользователи не замечают этого, поскольку скорость его работы достаточно велика.
Среди разных групп прерываний следует выделить следующую группу прерываний – это программные прерывания.
Программные прерывания. Они полностью реализуются программным способом без участия контроллера прерываний. Эти прерывания, по сути, – подпрограммы, решающие определенные задачи. Например, все версии BIOS содержат набор программных прерываний, которые выполняют основные операции ввода/вывода, и любая программа может их использовать, или, другими словами, вызывать прерывания BIOS. Свои программные прерывания есть у операционной системы, а также у некоторых других программ.
Технология PlugandPlay. В старых компьютерах ресурсы для некоторых плат расширения настраивались вручную, при этом нередко возникали конфликты, особенно после установки новой платы расширения. Решить проблему распределения ресурсов позволила технология PlugandPlay, которая выполняет автоматическое конфигурирование подключаемых устройств.
Чтобы воспользоваться всеми преимуществами PlugandPlay, необходима поддержка этой технологии со стороны BIOS, операционной системы и подключаемого устройства. На сегодняшний день она полностью применяется как в аппаратном, так и в программном обеспечении, а устройства без ее поддержки являются редкостью.