Основные элементы персонального компьютера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Российский государственный гидрометеорологический университет

Факультет заочного обучения

Кафедра Прикладной информатики

Курсовая работа

по информатике

на тему: Основные элементы персонального компьютера

Студентки 1 курса

Дибцевой О.Е.

Санкт-Петербург 2013г.



Введение

Компьютер, как и человек, представляет собой весьма любопытную систему, в которой удивительным образом уживаются «тело» и «душа».

«Тело» компьютера -- это его железная, аппаратная часть (hardware). Аппаратные средства современных персональных компьютеров представляют собой совокупность электронных, электромеханических и электронно-оптических устройств. Каждое устройство может выполнять определенный набор действий (функций). Какое именно действие из набора возможных выполняется в данный момент, определяется комбинацией входных управляющих электрических сигналов. Такая комбинация называется командой. компьютер информация интерфейс

«Душа»- это оживляющие эту груду железа прикладные и системные программы (software).

Персональный компьютер с технической точки зрения можно определить как единую систему, представляющую собой набор сменных компонентов, соединенными между собой стандартными интерфейсами. Компонентом здесь выступает отдельный узел (устройство), выполняющий определенную функцию в составе системы.

Интерфейсом называют стандарт присоединения компонентов к системе. В качестве такого служат разъемы, наборы микросхем, генерирующие стандартные сигналы, стандартный программный код.

В компьютерной индустрии существует набор однотипных компонентов с разными функциональными возможностями (и, соответственно, с разной стоимостью), включаемых в систему по единому интерфейсу. Полное написание набора и характеристик устройств, составляющих данных компьютер, называется конфигурацией ПК.

Существует «минимальная» конфигурация ПК, т.е. минимальный набор устройств, без которых работа с ПК становится бессмысленной. Это: системный блок, монитор, клавиатура, мышь. Обычно под набором комплектующих, объединенных понятием «типовой персональный компьютер», понимают следующий их состав:

• корпус с блоком питания

• системная (материнская) плата

• процессор

• оперативная память

• видеоконтроллер

• монитор

• жесткий диск

• клавиатура

• мышь

• дисковод CD-ROM

• дисковод гибких дисков

• звуковая карта

Для российских условий дополнительным оборудованием (во многих странах уже считающимся стандартным) выступают:

• телевизионный и УКВ тюнер

• источник бесперебойного питания

• дисковод DVD

• модем

• сетевая карта

Хотя сейчас уже сложно найти компьютер без встроенной сетевой карты или DVD дисковода.

В своей работе я бы хотела рассказать подробнее об основных элементах персонального компьютера: о мониторе, системном блоке, клавиатуре и мыши.



1. Состав типового компьютера

1.1 Системный блок

Системмный блок (сленг. системник, кейс, корпус) -- функциональный элемент, защищающий внутренние компоненты компьютера от внешнего воздействия и механических повреждений, поддерживающий необходимый температурный режим внутри, экранирующий создаваемое внутренними компонентами электромагнитное излучение и являющийся основой для дальнейшего расширения системы. Системные блоки массово изготавливают заводским способом из деталей на основе стали, алюминия и пластика. Для творчества используются такие материалы,как древесина или органическое стекло.

Центральной частью компьютера является системный блок, с присоединенными к нему клавиатурой, мышью и монитором. Системный блок и монитор независимо друг от друга подключаются к источнику питания -- сети переменного тока. В современных компьютерах дисплей и системный блок иногда монтируются в в едином корпусе.

В системном блоке располагаются все основные устройства компьютера:

? микропроцессор - мозг компьютера, который выполняет поступающие на его вход команды: проводит вычисления и управляет работой остальных устройств ПК;

? оперативная память, предназначенная для временного хранения программ и данных;

? контроллеры, предназначенные для независимого от процессора управления отдельными процессами в работе ПК;

? накопители на гибких магнитных дисках, используемые для чтения и записи на дискеты;

? накопитель на жестком магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на жесткий магнитный диск (винчестер);

? дисководы для компакт-дисков, обеспечивающие возможность чтения данных с компьютерных компакт-дисков и проигрывания аудиокомпакт-дисков,а также запись информации на компакт-диск;

? блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток, подаваемый на электронные схемы компьютера;

? счетчик времени, который функционирует независимо от того. Включен компьютер или нет;

? другие устройства.

Все компоненты ПК по их функциональному отношению к работе с информацией можно условно разделить на:

? Устройства обработки информации(центральный процессор, специализированные процессоры);

? устройства хранения информации (жесткий диск, CD-ROM,оперативная память, др.)

? устройства ввода информации (клавиатура, мышь, сканер, микрофон и т. д.);

? устройства вывода информации (монитор, принтер, аккустическая система).

1.2 Материнская плата

Материнская (системная) плата -- важнейший элемент ПК, к которому подключено все то, что составляет сам компьютер. Она служит для объединения и организации взаимодействия других компонентов. По сути, выбор конфигурации компьютера начинается именно с выбора системной платы. В нее устанавливает процессор, оперативная память, с ней связаны жесткий диск и CD-ROM, к ней через соответствующие различным интерфейсам разъемы и порты подключаются различные дополнительные устройства. Таким образом, материнская плата, центральный процессор, оперативная память составляют основу ПК, от их производительности в большой степени зависит производительность компьютера в целом. Материнские платы различаются по типу процессоров, которые могут быть установлены на них, и названия фирм, их выпускающих. На материнских платах находятся специальные перемычки -- джамперы, позволяющие подстроить ее под тип процессора и других устройств, устанавливаемых на ней.

Компьютер должен быть готов к добавлению в систему стандартных других дополнительных устройств, используя стандартные способы их подключения. Все узлы компьютера связаны физически и логически. На материнской плате устанавливаются разъемы для установки дополнительных устройств -- слоты расширения.

Все дополнительные устройства взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных -- шину. Виды слотов расширения различаются по типу шины. Данные могут передаваться между внешними устройствами и процессором, оперативной памятью и процессором, внешними устройствами и оперативно памятью или между устройствами ввода-вывода. Шина характеризуется типом, разрядностью, частотой и количеством подключаемых внешних устройств. При работе с оперативной памятью шина проводит поиск нужного участка памяти и обменивается информацией с найденным участком. Эти задачи выполняют две части системной шины: адресная шина и шина данных.

Аппаратно-логические устройства, отвечающие за совместное функционирование различных компонентов, называют интерфейсами. Современный компьютер наполнен разными интерфейсами, обеспечивающими общее взаимодействие. На интерфейсы существуют стандарты.

Совокупность интерфейсов, реализованных в компьютере, образует то, что называют архитектурой компьютера.

Для добавления в ПК нового дополнительного устройства необходим контроллер -- устройство, аппаратно согласовывающее работу системы и дополнительного устройства. Кроме того, необходим драйвер этого устройства -программа позволяющая программно связать это устройство с системой в целом.

Контроллер должен учитывать аппаратные особенности подключаемого устройства, а драйвер должен позволить операционной системе, используя стандартный набор командных запросов, управлять нестандартным устройством.

Драйвер выступает в роли «переводчика» с языка операционной системы на язык конкретного устройства, контроллер выступает в роли аппаратного «мостика» между системой в целом и дополнительным устройством.



2. Устройства обработки

2.1 Микропроцессор

Микропроцессор (центральный микропроцессор, CPU) - программно управляемое устройство, предназначенное для обработки информации под управлением программы, находящейся сейчас в оперативной памяти. Конструктивно представляет собой небольшую микросхему, находящуюся внутри системного блока и установленную на материнской плате, связанную с материнской платой интерфейсом процессорного разъема (Socket).

Микропроцессор может обрабатывать данные любой природы: текст, числа, графика, звук и др. Это возможно потому, что данные перед использованием на компьютере преобразовываются к простейшему виду, представляются в двоичном коде, «оцифровываются». Физически это может выглядеть как чередование намагниченных и размагниченных участков жесткого диска, отражающих и не отражающих луч участков компакт-диска, передаваемых сигналов напряжения высокого и низкого уровня и т. д.

Для описания работы цифровых устройств используется двоичная система счисления, Булева логика, законы алгебры логики.

Процессоры классифицируются по базовому типу, называющемуся семейством. С целью преемственности программного обеспечения последующие модели и модификации процессоров, как правило, содержат всю систему команд своих предшественников. Существует большое количество различных семейств процессоров, среди которых можно выделить семейство Intel и совместимых с ними AMD и Cyrix, на которых базируется значительная часть ПК. Фирмой Intel был создан процессор Pentium и его модификации Pentium Pro, Pentium ЙЙ, Pentium ЙЙЙ, Pentium ЙV. Процессоры фирмы Motorola, применяемые в компьютерах фирмах Apple, относятся к другому семейству.

Основными характеристиками процессора являются:

? быстродействие -- количество операций, производимых в 1 секунду, измеряется в 1 бит/сек. Каждая последующая модель имеет более высокую производительность по сравнению с предыдущей.

? тактовая частота -- количество тактов, производимых процессором за 1 секунду. Операции производимые процессором, не5 являются непрерывными, они разделены на такты. Эта характеристика определяет скорость выполнения операций и непосредственно влияет на производительность процессора. Процессор Pentium и его модификации имеют тактовые частоты от 60 МГц до 1,5 ГГц (выполнять полтора миллиарда операции в секунду).

? разрядность -- количество двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. Указывая разрядность процессора 64, имеют ввиду, что процессор имеет 64-разрядную шину данных, т.е. за один такт он обрабатывает 64 бита.

2.2 Интерфейсы

По шине данных передаются данные между различными устройствами. Данные по шине могут передаваться в любом направлении. Максимальное количество одновременно передаваемой информации называется разрядностью шины. Разрядность шины определяется разрядностью процессора и в настоящее время составляет 64 бита. Чем выше разрядность шины, тем больше информации она может передавать в единицу времени.

Поиск устройства или ячейки памяти осуществляет процессор. Каждое устройство или ячейка имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, сигналы по которой передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам. Разрядность адресной шины определяет адресное пространство процессора, т.е. количество ячеек памяти. Количество адресуемых ячеек памяти рассчитывается по формуле: N= 21 , где I - разрядность адресной шины.

В современных компьютерах разрядность адресной шины составляет 32 бита, т.е. максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти равно 232= 4 294 967 296 ячеек.

Информация по шине передается в виде импульсов электрического тока. Шина работает не непрерывно, а а циклами. Количество циклов срабатывания шины за единицу времени называется частотой шины.

Первоначально применялась шина ISA (8- и 16-разрядная, частота -- 8 МГц), созданная в начале 80-х годов и обладавшая невысокой пропускной способностью. Сейчас шина ISA обычно используется лишь для подключения низкоскоростных устройств (клавиатуры, мыши и т.д.). В современных компьютерах частота процессора может превышать частоту системной шины (частота процессора 1 ГГц, а частота шины -- 100 МГц).

Дополнительно к системной использовались локальные шины: MCA, EISA, VESA, VLB, не получившие широкого распространения. Наиболее популярны в настоящее время локальная шина PCI (Peripheral Component Interconnect bus -- шина взаимодействия периферийных устройств) и графическая шина AGP (Accelerated Graphic Port -- ускоренный графический порт). Если частота системной шины составляет 100 МГц, то частота шины PCI -- 33 МГц, а AGP -- в несколько раз больше.

Современные компьютеры оснащаются несколькими шинами. Например, одна шина может быть использована для обмена с низкоскоростными устройствами, а другая -- высокоскоростными (контроллерами, жесткими дисками).

Краткая характеристика существующих интерфейсов:

ISA, EISA, VLB	Устаревшие интерфейсы
PCI	В настоящее время PCI является очень распространенным и универсальным интерфейсом. С его помощью подключаются к материнской плате: звуковые карты, старые видеокарты, сетевые карты, контроллеры SCSI и др. Тактовая частота до 33 МГц.
HyperTransport	Высокоскоростная шина для соединения внутренних устройств компьютерной системы, призвана заменить в перспективе интерфейсы PCI и AGP. Тактовая частота шины достигает 800 МГц. Пропускная способность составляет до 6,4 Гбайт/с.
PC Card / PCMCIA	Интерфейс внешней шины мобильных компьютеров класса NoteBook обеспечивает «горячее» подключение и отключение устройств.
USB	Для подключения до 127 внешних устройств (таких, как мышь, принтер, сканер, фотокамера, FM-тюнер и т.д.) к одному USB-каналу (по принципу общей шины). Пропускная способность до 480 Мбит/с (в версии USB 2.0).
AGP	Исключительно для подключения видеоадаптеров, пропускная способность до 1066 Мбайт/с.
IEEE1394	Подключаются внутренние компоненты компьютера и внешние устройства, характерна простота подключения множества устройств по единому шестижильному кабелю, в ближайшем будущем такие контроллеры станут необходимым элементом.
SCSI	Существует несколько спецификаций интерфейса, для работы требуется наличие на компьютере специального SCSI хост-адаптера.
IDE/ATA	Исключительно для обеспечения работы жестких дисков и других накопителей.
RS-232C	Интерфейс обмена данными по последовательному коммуникационному порту (через COM-порт). В настоящее время интерфейс RS-232 заменяется интерфейсом USB.
AMR / CNR	Разъем и спецификация на подключение дочерних плат, объединяющих обработку звука и функции связи (модем, факс, телефония). CNR пришел на смену AMR.

Для каждого устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет, -- контроллер. Все контроллеры взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную шину.

Один из самых важных контроллеров -- DMA-контроллер обеспечивает прямой доступ к оперативной памяти. При считывании информации с диска в память и наоборот процессор должен запустить системную шину, выбрать несколько байт информации, поместить в свою внутреннюю память, снова запустить шину и эту информацию поместить в устройство, обслуживающее диск. Процесс выполнения программ замедляется за счет потери времени на эти операции. DMA-контроллер выполняет эти операции, не загружая процессор и системную шину, выполнение программы и пересылка информации идут одновременно.



3. Устройства хранения

3.1 Оперативная память

Оперативная память (RAM - random access memory, ОЗУ) - устройство, предназначенное для хранения обрабатываемой информации (данных) и программ, управляющих процессом обработки информации. Конструктивно представляет собой набор микросхем, размещенных на одной небольшой плате (модуль, планка). Модуль (модули) оперативной памяти вставляется в соответствующий разъем материнской платы, позволяя таким образом связываться с другими устройствами ПК.

Для того чтобы какая-либо программа начала свое выполнение, она должна быть загружена в оперативную память. Оперативная память является энергозависимой, т.е. хранит информацию, пока компьютер включен (подано питание на модуль оперативной памяти). В оперативную память программа и данные для ее работы попадают из других устройств, загружаются из внешней памяти, энергонезависимых устройств памяти (жесткий диск, компакт-диск и т.д.). Таким образом, загрузить программу означает прочесть ее из файла, находящегося на одном из устройств внешней памяти, и прочитанную копию разместить в оперативную память, после этого микропроцессор начнет ее выполнение.

Оперативная память хранит загруженную, выполняющуюся сей момент программу и данные, которые с ее помощью обрабатываются. Если после обработки предполагается дальнейшее использование данных (это может быть и текстовой документ, и графическое изображение, и табличные данные, и звук), то копию этого документа из оперативной памяти можно записать на одном из устройств внешней памяти (например, на жестком диске), создав на жестком диске файл, хранящий документ.

Как технически осуществить процесс загрузки нужной программы в оперативную память? Для этого нужна программа-посредник, посредник между “железом” и человеком. Такой программой является операционная система.

Операционная система (ОС) тоже должна быть загружена в оперативную память, но ОС загружается автоматически при включении компьютера (обычно с жесткого диска, но не обязательно с него). После ее загрузки можно использовать инструменты, предназначенные для загрузки других программ (например, в MS Windows - ярлыки программ или программа для работы с файлами Проводник).

Основными характеристиками памяти являются объем, время доступа и плотность записи информации. Объем памяти определяется максимальным количеством информации, которая может быть помещена в эту память, и выражается в килобайтах, мегабайтах, гигабайтах. Время доступа к памяти (секунды) представляет собой минимальное время, достаточное для размещения в памяти единицы информации. Плотность записи информации (бит/см2) представляет собой количество информации, записанной на единице поверхности носителя. Важнейшей характеристикой компьютера в целом является его производительность, т.е. возможность обрабатывать большие объемы информации. Производительность ПК во многом определяется быстродействием процессора, а также объемом оперативной памяти и скоростью доступа к ней.

Оперативная память изготавливается в виде небольших печатных плат с рядами контактов, на которых размещаются интегральные схемы памяти (модули памяти). Модули памяти различаются по размеру и количеству контактов (SIMM илиDIMM), по быстродействию, по объему.

Важнейшей характеристикой модулей оперативной памяти является быстродействие - частота, с которой считывается или записывается информация в ячейки памяти. Современные модули памяти имеют частоту 133 МГц и выше.

Оперативная память состоит из огромного количества ячеек (десятки миллионов), в каждой из которых хранится определенная информация. От объема оперативной памяти зависит, сможет ли компьютер работать с той или иной программой. При недостаточном количестве памяти программы либо совсем не будут работать, либо будут работать медленно. Типичный современный компьютер имеет 256 или 512 Мб оперативной памяти.

Оперативная память энергозависима - при выключении электропитания информация, помещенная в оперативную память, исчезает безвозвратно (если она не была сохранена на какой-либо носитель информации).

3.2 Кэш-память

Как уже было сказано, количество тактов в секунду - это лишь один показатель, определяющий скорость процессора. Вторым элементом является архитектура микропроцессора и компьютерной системы в целом. В последние годы было сделано важное улучшение: процессор начали оснащать кэш-памятью. Кэш-память (с английского cash - запас)- устройство, имеющее очень короткое время доступа к данным. Встроенная в микросхему сверхбыстрая память. В ней хранятся наиболее часто используемые данные из оперативной памяти. Обычно имеет размер 256 или 512 Кбайт, в мощных компьютерах до 1 более Гб).

Наличие такой памяти позволяло микропроцессору всегда хранить инструкции или данные "под рукой", а сложные алгоритмы предугадывали, какая информация понадобится процессору перед тем, как он вызывал и извлекал ее. При этом, когда информация становилась необходимой, процессору не нужно было тратить циклы, ожидая выборки инструкции, передаче ее по системной шине в память, а затем возвращения. В усовершенствованные процессоры, включая почти все современные модели, добавлен кэш второго уровня L2, занимающий промежуточное положение между кэш-памятью (кэшем первого уровня) процессора и памятью ОЗУ.

Специальные программно-аппаратные средства обеспечивают опережающее копирование данных из оперативной памяти в кэш и обратное копирование данных по окончании их обработки. Обработка данных в кэш-памяти производится быстрее, что приводит к увеличению производительности ПК. Непосредственного доступа из программы в кэш-память нет.

Для управления всей кэш-памятью и ее использования применяются сложные алгоритмы. Алгоритм предсказания ветвлений предугадывает следующее направление для выборки инструкции перед тем, как она будет вызвана. Алгоритм спекулятивного выполнения идет на шаг впереди для выполнения предсказанной последовательности операций еще перед тем, как процессор запросит ее. Алгоритм нестандартного завершения работает с инструкциями нелогичным, но более эффективным способом.

3.3 CMOS-память

CMOS-память (изготовленная по технологии CMOS - complementary metal - oxide semiconductor) предназначена для длительного хранения данных о конфигурации и настройке компьютера (дата, время, пароль), в том числе и когда питание компьютера выключено. Для этого используют специальные электронные схемы со средним быстродействием, но очень малым энергопотреблением, питаемые от специального аккумулятора, установленного на материнской плате. Это полупостоянная память.

Данные записываются и считываются под управлением команд, содержащихся в другом виде памяти - BIOS.

BIOS - постоянная память, т.е. память, хранящая информацию при отключенном питании теоретически сколь угодно долго, в которую данные занесены при ее изготовлении. Такой вид памяти называется ROM (read only memory). BIOS (Basic Input-Output System) - базовая система ввода-вывода - содержит наборы групп команд, называемых функциями, для непосредственного управления различными устройствами ПК, их тестирования при включении питания и осуществления начального этапа загрузки операционной системы компьютера. В BIOS содержится также программа настройки конфигурации компьютера - SETUP. Она позволяет установить некоторые характеристики устройств ПК. BIOSкак система непосредственно ориентирована на конкретную аппаратную реализацию компьютера и может быть различной даже в однотипных компьютерах.



4. Внешние хранители информации

4.1 Жесткий магнитный диск

Жесткий магнитный диск (винчестер, HDD - Hard Disk Drive) - постоянная память, предназначена для долговременного хранения всей имеющейся в компьютере информации. Операционная система, постоянно используемые программы загружаются с жесткого диска, на нем хранится большинство документов.

Накопитель на жестком диске (HDD) является одним из ключевых компонентов современного ПК. От него напрямую зависит производительность и надежность системы. Технологии изготовления жестких дисков совершенствуются, размеры программ увеличиваются, данные на компьютере накапливаются...

Устройство жестких дисков (рис.1).

Рис. 1. Устройство жесткого магнитного диска

Жесткий магнитный диск (он же винчестер) состоит из гермоблока и платы электроники. В гермоблоке размещены все механические части, на плате - вся управляющая электроника, за исключением предусилителя (предварительного усилителя), размещенного внутри гермоблока в непосредственной близости от считывающих головок.

В гермоблоке установлен шпиндель с одним или несколькими дисками. Диски изготовлены из алюминия (иногда - из керамики или стекла) и покрыты тонким слоем окиси хрома. В настоящее время объем информации, хранимой на одном диске, может достигать 100 Гбайт.

Сбоку шпинделя находится поворотный позиционер (подобен башенному крану со стрелой-коромыслом). С одной стороны коромысла расположены обращенные к дискам легкие магнитные головки, а с другой - короткий хвостовик с обмоткой электромагнитного привода. При поворотах коромысла позиционера головки совершают движение по дуге между центром и периферией дисков.

Под дисками расположен двигатель, который вращает их с большой скоростью. При вращении дисков создается сильный поток воздуха, который циркулирует по периметру гермоблока. Пыль губительна для поверхности дисков, поэтому блок герметизирован, воздух в нем постоянно очищается специальным фильтром. Для выравнивания давления воздуха внутри и снаружи в крышках гермоблоков делаются небольшие окна, заклеенные тонкой пленкой. В ряде моделей окно закрывается воздухопроницаемым фильтром.

Обмотку позиционера окружает статор, представляющий собой постоянный магнит. При подаче в обмотку тока определенной величины и полярности коромысло начинает поворачиваться в соответствующую сторону с соответствующим ускорением. Динамически изменяя ток в обмотке, можно устанавливать позиционер в любое положение.

При вращении дисков аэродинамическая сила поддерживает головки на небольшом расстоянии от поверхности дисков. Головки никогда не соприкасаются с той зоной поверхности диска, где записаны данные. На хвостовике позиционера обычно расположена так называемая магнитная защелка - маленький постоянный магнит, который при крайнем внутреннем положении головок притягивается к поверхности статора и фиксирует коромысло в этом положении. Это так называемое парковочное положение головок, которые при этом лежат на поверхности диска, соприкасаясь с нею. В посадочной зоне дисков информация не записывается, поэтому прямой контакт с нею не опасен.

Практически все современные жесткие диски выпускаются по технологии, использующей магниторезистивный эффект. Благодаря этому в последний год емкость дисков растет быстрыми темпами за счет повышения плотности записи информации.

Появление в 1999 г. изобретенных фирмой IBM головок с магниторезистивным эффектом (GMR - Giant Magnetic Resistance) привело к повышению плотности записи до 6,4 Гбайт на одну пластину в уже представленных на рынке изделиях.

Основные параметры жесткого диска:

• Емкость - винчестер имеет объем от 40 Гб до 200 Гб.

• Скорость чтения данных. Средний сегодняшний показатель - около 8 Мбайт/с.

• Среднее время доступа. Измеряется в миллисекундах и обозначает то время, которое необходимо диску для доступа к любому выбранному вами участку. Средний показатель - 9 мс.

• Скорость вращения диска. Показатель, напрямую связанный со скоростью доступа и скоростью чтения данных. Скорость вращения жесткого диска в основном влияет на сокращение среднего времени доступа (поиска). Повышение общей производительности особенно заметно при выборке большого числа файлов.

• Размер кэш-памяти - быстрой буферной памяти небольшого объема, в которую компьютер помещает наиболее часто используемые данные. У винчестера есть своя кэш-память размером до 8 Мбайт.

• Фирма-производитель. Освоить современные технологии могут только крупнейшие производители, потому что организация изготовления сложнейших головок, пластин, контроллеров требует крупных финансовых и интеллектуальных затрат. В настоящее время жесткие диски производят семь компаний: Fujitsu, IBM-Hitachi, Maxtor, Samsung, Seagate, Toshiba и Western Digital. При этом каждая модель одного производителя имеет свои, только ей присущие особенности.

4.2 Компактные твердотельные носители

Проблема емких и надежных накопителей, являющихся внешними для компьютерной системы, стоит сегодня достаточно остро.

4.2.1 Стримеры

Классическим способом резервного копирования является применение стримеров - устройств записи на магнитную ленту. Однако возможности этой технологии, как по емкости, так и по скорости, сильно ограничены физическими свойствами носителя. Стример по принципу действия очень похож на кассетный магнитофон. Данные записываются на магнитную ленту, протягиваемую мимо головок. Недостатком стримера является слишком большое время последовательного доступа к данным при чтении. Емкость стримера достигает нескольких Гбайт, что меньше емкости современных винчестеров, а время доступа во много раз больше.

4.2.2 Гибкие диски

Использование 3,5' (1,44 Мбайт) гибких дисков уходит в прошлое. Бывают двух типов и обеспечивают хранение информации на дискетах одного из двух форматов: 5,25' или 3,5'. Дискеты формата 5,25' в настоящее время практически не встречаются (максимальная емкость 1,2 Мб). Для дискет формата 3,5' максимальная емкость составляет 2,88 Мб, самый распространенный формат емкости для них - 1,44 Мб. Гибкие магнитные диски помещаются в пластмассовый корпус. В центре дискеты имеется приспособление для захвата и обеспечения вращения диска внутри пластмассового корпуса. Дискета вставляется в дисковод, который вращается с постоянной угловой скоростью.

Все дискеты перед употреблением форматируются - на них наносится служебная информация, обе поверхности дискеты разбиваются на концентрические окружности - дорожки, которые в свою очередь делятся на сектора. Одноименные сектора обеих поверхностей образуют кластеры. Магнитные головки примыкают к обеим поверхностям и при вращении диска проходят мимо всех кластеров дорожки. Перемещение головок по радиусу с помощью шагового двигателя обеспечивает доступ к каждой дорожке. Запись/чтение осуществляется целым числом кластеров, обычно под управлением операционной системы. Однако в особых случаях можно организовать запись/чтение и в обход операционной системы, используя напрямую функции BIOS. В целях сохранения информации гибкие магнитные диски необходимо предохранять от воздействия сильных магнитных полей и нагревания, так как такие воздействия могут привести к размагничиванию носителя и потере информации.

4.2.3 CD-ROM и CD-RW

Рис. 2. CD-ROM

Вторым по степени распространенности накопителем можно назвать дисководы CD-ROM и CD-RW (Compact Disc-ReWritable).

В качестве носителя программ и данных диски CD-ROM останутся актуальными и в обозримом будущем, поэтому, несмотря на появление записывающих устройств, продолжается совершенствование и классических (только с функцией чтения) приводов CD-ROM - они становятся все более быстродействующими и дешёвыми. Устройства с однократной (CD-R) и многократной (CD-RW) записью, хотя и получают все большее распространение, пока не вытесняют, а скорее дополняют обычные проводы CD-ROM.

На диске CD-ROM промышленным способом записывается информация, и произвести ее повторную запись невозможно. Наибольшее распространение получили 5-дюймовые диски CD-ROM емкостью 670 Мбайт. По своим характеристикам они полностью идентичны обычным музыкальным компакт-дискам. Данные на диске записываются в виде спирали (в отличие от винчестера, данные на котором располагаются в виде концентрических окружностей). С точки зрения физики лазерный луч определяет цифровую последовательность единиц и нулей, записанных на CD, no форме микроскопических ямок (пит, pit) на его спирали.

Лазерные накопители CD-R.

Цены на средства записи компакт-дисков снизились, а это значит, что теперь даже частное лицо может попытаться выпустить небольшим тиражом свой диск.

Чтобы записать один-единственный компакт-диск, десять лет назад потребовались бы целая комната аппаратуры, два квалифицированных специалиста и восемь часов работы. Сегодня, имея компьютер с записывающим дисководом CD-R, можно сделать диск менее чем за час. Аббревиатурой CD-R (CD-Recordable) обозначена технология однократной оптической записи, которую можно использовать для архивирования данных, создания прототипов дисков для серийного производства и для мелкосерийного выпуска изданий на компакт-дисках, записи аудио и видео. На CD-R, в частности, основана система Photo CD фирмы Kodak.

CD-RW - накопители на перезаписываемых CD-дисках

Более десяти лет назад на компьютерном рынке появились накопители, которые дают возможность работать с перезаписываемыми CD-RW (CD-ReWritable), известными также как CDE . Такие устройства позволяют заносить информацию на существующие недорогие компакт-диски с возможностью дозаписи (CD-R ценой около 0,3 $), а при использовании перезаписываемых CD-RW-дисков могут стирать старые данные и записывать вместо них новые. Емкость носителя CD-RW (стоимость около .6 $) составляют 650 Мбайт и равна емкости дисков CD-ROM и CD-R.

CD-RW-привод автоматически распознает тип загружаемого носителя. CD-R-диски совместимы с более чем 600 млн. различных CD-ROM-носителей и плейеров звуковых компакт-дисков, существующих сегодня в мире; они могут работать и в некоторых DVD-ROM-приводах (не во всех).

Диски CD-RW считываются только на современных универсальных CD-ROM-устройствах и DVD-ROM, рассчитанных на работу с различными носителями (удовлетворяющих спецификации MultiRead).

С помощью специальных программ на чистый CD возможна одноразовая запись информации в домашних условиях. Запись производится мощным лазером, под воздействием которого материал CD частично теряет прозрачность. По внешнему виду как сами дисководы, так и диски для CD-RW практически не отличаются от CD-ROM, DVD-ROM. Однако из-за меньшей прозрачности CD требуют лучшего отражающего покрытия. В целях сохранения информации CDнеобходимо предохранять от механических повреждений (царапин, сколов), а также от загрязнения. Накопители управляются контроллерами, размещенными на системной плате либо на мультикарте.

4.2.4 Накопители DVD-ROM, DVD-R, DVD-RW, DVD+RW и др.

Недостаточная емкость (650 или 700 Мбайт) CD-ROM и невозможность дальнейшего повышения производительности заставили задуматься о новом формате оптических дисков. История его возникновения, в отличие от простой и ясной истории создания CD, полна противоречий, столкновений и интриг. По первоначальному замыслу новый диск должен был прийти на смену видеокассетам VHS. У истоков DVD (первоначально эта аббревиатура расшифровывалась как "Digital Video Disk", т. е. "цифровой видеодиск", а позднее, когда на DVD стали записывать не только видео, превратилась в "Digital Versatile Disk", т. е. "цифровой многофункциональный диск"), стояли, с одной стороны, Matsushita Electric, Toshiba и кинокомпания Time/Warner, разработавшие технологию Super Disc (SD), а с другой - "родители" компакт-диска Sony и Philips со своей технологией Multimedia CD (MMCD). Поскольку два этих формата были абсолютно несовместимы друг с другом, в 1995 г. под давлением гигантов индустрии ИТ (Microsoft, Intel, Apple и IBM) для выработки единого стандарта была создана организация DVD Consortium, в которую вошли основные изготовители накопителей и носителей к ним, общим числом 11; впоследствии название было изменено на DVD Forum.

Аналогично разноцветным "книгам", определяющим форматы компакт-дисков, существует 5 документов, описывающих форматы DVD-ROM, DVD-Video, DVD-Audio, DVD-R (однократно записываемый DVD) и DVD-RAM (DVD с возможностью многократной записи). В последнее время появилось также два новых формата многократно записываемых дисков - DVD-RW и DVD+RW и один - однократно записываемых DVD+R.

В отличие от CD-ROM, которые бывают только односторонними и однослойными, DVD могут быть также двухслойными и двусторонними. Таким образом, существует 4 варианта DVD-дисков: DVD-5 (односторонний однослойный, емкость 4,7 Гбайт), DVD-9 (односторонний двухслойный, 8,5 Гбайт), DVD-10 (двусторонний однослойный, 9,4 Гбайт) и DVD-18 (двусторонний двухслойный, 17 Гбайт).

Каким же образом удалось разместить на точно таком же по размерам диске в 7-25 раз больше информации? Прежде всего благодаря применению вместо ИК-лазера с длиной волны 780 нм лазера красного диапазона с длиной волны 635 или 650 нм. Уменьшение длины волны позволило сократить минимальный размер "ямок" (углублений на покрытой отражающим слоем поверхности поликарбонатной основы диска, несущих информацию) с 0,83 до 0,4 мкм, а шаг дорожек - с 1,6 до 0,74 мкм, что дало общий выигрыш в емкости в 4,5 раза. Остальное было получено за счет применения более эффективных кодов коррекции ошибок, которые позволили значительно уменьшить процент, отводимый на эти коды в каждом пакете данных.

Возможность изготовления двухслойных дисков (отражающий материал первого слоя является полупрозрачным, так что можно фокусировать лазер на лежащем над ним втором отражающем слое) позволила поднять емкость еще почти в два раза (на самом деле несколько меньше, поскольку в полупрозрачном слое не удается достичь такой же плотности записи, как в полностью отражающем).

Рис. 3. Прямая перезапись в DVD+RW

Двухсторонний диск, который представляет собой как бы два односторонних, склеенных отражающими слоями внутрь (общая толщина диска при этом остается равной 1,2 мм), еще в два раза увеличил возможную емкость DVD, хотя в этом случае возникает определенное неудобство: диск приходится переворачивать вручную.

Повышение плотности размещения данных на диске привело к автоматическому увеличению скорости передачи данных при той же скорости вращения носителя. Так, в накопителе CD-ROM IX данные передаются со скоростью 150 кбайт/с, тогда как в DVD-ROM IX скорость передачи достигает 1250 кбайт/с, что соответствует 8Х CD-ROM. Современные накопители DVD достигли скоростей 16Х, что, как несложно подсчитать, дает 128Х для CD-ROM! Для обеспечения совместимости накопителей DVD с носителями CD применяются различные технические решения, в том числе смена фокусирующих линз, два лазера с длинами волн 780 и 650 нм или специальный голографический элемент, обеспечивающий правильную фокусировку для каждого типа носителя. Принятие в качестве основного формата файловой системы DVD разработанной OSTA спецификации UDF (Universal Disc Format), а точнее, ее подмножества, называемого MicroUDF, сняло проблемы, связанные с необходимостью разработки новых форматов всякий раз, когда появляется новый класс данных, которые необходимо записывать на диск. Поскольку эта спецификация включает и стандартную для CD-ROM файловую систему ISO-9660, решаются проблемы совместимости с ОС, поддерживающими эту систему. Диски DVD-ROM используют промежуточный формат UDF Bridge (в этом формате отсутствует поддержка разработанного Microsoft для работы с длинными и Unicode-именами файлов расширения ISO 9660, названного Joliet), тогда как для дисков DVD-Video применяется полный формат UDF. Файлы DVD-Video не должны превышать по размеру 1 Гбайт, не должны фрагментироваться (каждый файл должен занимать одну связную область диска), а ссылки на них, записанные в формате 8.3, должны располагаться в каталоге VIDEO_TS, который должен быть первым на диске. Аудиофайлы размещаются в отдельной области диска (DVD-Audio zone), а ссылки на них - в каталоге AUDIO_TS.

Видео записывается на DVD обычно в формате MPEG-2. Диски DVD-Video могут использовать несколько различных систем защиты от копирования, самая известная и простая из которых, доставляющая массу неудобств пользователям, - региональное кодирование. Весь мир разбивается по этой системе на семь регионов (страны бывшего СССР попадают в пятый регион вместе с Индией, Африкой, Северной Кореей и Монголией). Диск DVD-Video, предназначенный, скажем, для первого региона (США), по идее, не должен считываться дисководом или плейером для пятого региона. На практике, однако, в России чаще всего используются многорегиональные дисководы и диски.

DVD-R for General, DVD-R for Authoring, DVD-RAM, DVD-RW, DVD+RW, DVD+R. Всего на данный момент существует шесть форматов записываемых DVD (в хронологическом порядке их появления): DVD-R for General, DVD-R for Authoring, DVD-RAM, DVD-RW, DVD+RW и DVD+R. Сейчас ситуация складывается так, что первые четыре формата, скорее всего, уйдут в прошлое. Альянс основных изготовителей записываемых оптических накопителей, в который входят такие "киты", как HP, Sony, Ricoh и др., объединившихся вокруг технологий DVD+RW и DVD+R, похоже, не оставит им никаких шансов, хотя компания Pioneer, впервые предложившая формат DVD-RW в конце 1999 г. и добившаяся его одобрения в DVD Forum (DVD+RW пока такого одобрения не получил, несмотря на то, что все члены DVD+RW Alliance входят в число учредителей DVD Forum), не собирается пока сдавать своих позиций.

Важнейшее преимущество формата DVD+RW (и его разновидности для носителей с однократной записью DVD+R) - совместимость записанных в нем носителей с подавляющим большинством обычных накопителей DVD-ROM и бытовых DVD-плейеров. Диски формата DVD-RW обладают таким свойством только при записи их в "совместимом" режиме, в котором невозможна запись с переменной битовой частотой и требуется так называемая "финализация" диска, занимающая до 15 мин. Еще одна ценнейшая возможность - использование этих накопителей для записи (и, разумеется, чтения) дисков CD-R и CD-RW.

DVD+RW представляет собой развитие технологии DVD-RW. Для записи используется технология фазового перехода, полностью аналогичная используемой в CD-RW. Точное позиционирование головки обеспечивается волнистыми канавками, проложенными вдоль всей спиральной дорожки диска. Благодаря им появляется возможность так называемого связывания без потерь, т. е. обеспечения связности записываемого видеофайла даже при больших перерывах в передаче данных от ПК. Можно даже редактировать отдельные участки уже записанного файла!

Рис. 4. Прямая перезапись в DVD+RW

Накопители DVD+RW позволяют записывать одно-и двухсторонние диски емкостью соответственно 4,7 и 9,4 Гбайт. Двухслойные диски не поддерживаются.

Формат однократной записи DVD+R, в отличие от CD-R, который предшествовал CD-RW, появился совсем недавно, после успешного старта перезаписываемого DVD+RW. Первые накопители DVD+RW/+R начали появляться только весной 2002 г. Один из первых таких накопителей, Ricoh MP5125A, записывает диски DVD+RW и DVD-R на скорости 2,4Х, диски CD-R на скорости до 12Х, CD-RW - до 10Х. Максимальные скорости чтения составляют для DVD 8X, а для CD 32X, времена доступа соответственно 140 и 120 мс. Совместимость - проблема, которая преследовала накопители DVD с самого их рождения. Только в конце 1999 г. на рынке появились накопители третьего поколения, в которых были решены проблемы совместимости с дисками CD-R, CD-RW, DVD-RAM и DVD+RW. В приведенной ниже таблице обобщены данные о совместимости оптических носителей и дисководов различных форматов ("Чт." означает возможность чтения носителя данного типа в соответствующем накопителе, "Зап." - возможность записи). Заметим, что "Да" не означает, что любой накопитель данного типа будет читать (записывать) любой диск соответствующего типа. Это означает лишь, что сказанное будет выполняться как правило.

4.2.5 Дисковод ZIP

Определенную популярность имел и дисковод ZIP фирмы Iomega - накопитель подобен дискете по принципу действия, но емкостью около 100 Мб и вставляется в специальный дисковод.

4.2.6 Флэш-память

Устройства, выполненные на одной микросхеме (кристалле) и не имеющие подвижных частей, основаны на кристаллах электрически перепрограммируемой флэш-памяти. Физический принцип организации ячеек флэш-памяти можно считать одинаковым для всех выпускаемых устройств, как бы они ни назывались. Различаются такие устройства по интерфейсу и применяемому контроллеру, что обусловливает разницу в емкости, скорости передачи данных и энергопотреблении.

Multimedia Card (MMC) и Secure Digital (SD) - сходит со сцены из-за ограниченной емкости (64 Мб и 256 Мб соответственно) и низкой скорости работы.

SmartMedia - основной формат для карт широкого применения (от банковских и проездных в метро до удостоверений личности). Тонкие пластинки весом 2 грамма имеют открыто расположенные контакты, но значительная для таких габаритов емкость (до 128 Мбайт) и скорость передачи данных (до 600 Кбайт/с) обусловили их проникновение в сферу цифровой фотографии и носимых МРЗ-устройств.

Memory Stick - “эксклюзивный” формат фирмы Sony, практически не используется другими компаниями. Максимальная емкость - 256 Мбайт, скорость передачи данных доходит до 410 Кбайт/с, цены сравнительно высокие.

CompactFlash (CF) - самый распространенный, универсальный и перспективный формат. Легко подключается к любому ноутбуку. Основная область применения - цифровая фотография. По емкости (до 3 Гбайт) сегодняшние CF-карты не уступают IBM Microdrive, однако отстают по скорости обмена данными (около 2 Мбайт/с).

Рис. 5. USB Flash Drive

USB Flash Drive - последовательный интерфейс USB с пропускной способностью 12 Мбит/с или его современный вариант USB 2.0 с пропускной способностью до 480 Мбит/с. Сам носитель заключен в обтекаемый компактный корпус, напоминающий автомобильный брелок. Основные параметры (емкость и скорость работы) полностью совпадают с CompactFlash, поскольку чипы самой памяти остались прежними. Может служить не только “переносчиком” файлов, но и работать как обычный накопитель - с него можно запускать приложения, воспроизводить музыку и сжатое видео, редактировать и создавать файлы. Низкое среднее время доступа к данным на Flash-диске - менее 2,5 мс. Вероятно, накопители класса USB Flash Drive, особенно с интерфейсом USB 2.0, в перспективе смогут полностью заменить собой обычные дискеты и частично - перезаписываемые компакт-диски, носители Iomega ZIP и им подобные.

PC Card (PCMCIA ATA) - основной тип флэш-памяти для компактных компьютеров. В настоящее время существует четыре формата карточек PC Card: Type I, Type II, Type III и CardBus, различающиеся размерами, разъемами и рабочим напряжением. Для PC Card возможна обратная совместимость по разъемам “сверху вниз”. Емкость PC Card достигает 4 Гб, скорость - 20 Мб/с при обмене данными с жестким диском.

Miniature Card (MC) - карточка флэш-памяти, предназначена в основном для карманных компьютеров, мобильных телефонов и цифровых фотокамер. Стандартная емкость составляет 64 Мбайт и больше.

Рис. 6. Miniature Card (MC)

xD Picture Card (extreme Digital) является новым типом флэш-памяти, разработанным компанией Toshiba специально для цифровых фотоаппаратов. На сегодняшний день это самое миниатюрное устройство флэш-памяти. Благодаря использованию технологии NAND не имеет ограничений на максимальный объем. Сейчас известны карточки xD Picture Card емкостью до 1 Гбайт, ожидается появление изделий емкостью до 8 Гбайт.

MirrorBit Flash, разработанная компанией AMD, основана на технологии хранения в ячейке двух бит. Каждая ячейка разделена на симметричные (зеркальные) половинки изолирующим слоем из нитрида кремния и, таким образом, имеет удвоенную емкость. За счет “зеркальности” более быстро формируется стандартная 16-битная страница данных, что увеличивает скорость обмена. Чипы семейства MirrorBit имеют емкость 64 Мбит и могут быть установлены на большинство современных типов твердотельных устройств памяти.



5. Устройства вывода

К средствам визуального отображения относятся мониторы и видеокарты.

Монитор подключается к видеокарте, которая установлена в слот расширения системной платы в системном блоке. Монитор работает под управлением специального аппаратного устройства -- видеоадаптера, который преобразует информацию, предназначенную для вывода на экран, из внутреннего машинного представле ния в представление монитора. Изображение во внутреннем машинном представлении (в виде нулей и единиц) хранится в оперативной памяти, называемой видеопамятью, размещенной на видеокарте. Изображение в представлении монитора формируется путем считывания содержимого видеопамяти компьютера и отображения его на экран. Главным параметром видеокарты является объем видеопамяти.

Стабильность изображения на экране напрямую зависит от частоты считывания изображения. В современных мониторах обновление изображения обычно происходит с частотой 75 Гц и более, что обеспечивает комфортность восприятия изображения пользователем (не так сильно устают глаза при работе с изображением, пользователь не замечает мерцание изображения).

Отображение информации на экране монитора возможно в одном из двух режимов: символьном или графическом. В любом режиме изображение на экране составляется из отдельных точек, каждая из которых имеет свой цвет или яркость. В графическом режиме, который в основном используется в современных программных продуктах, управление цветом или яркостью осуществляется для каждой точки экрана в отдельности. В текстовом режиме управление цветом или яркостью осуществляется сразу для группы точек, образующих прямоугольную матрицу определенного размера. Для этой группы задается цвет фона, т.е. цвет точек, не участвующих в формировании символа, цвет символа и код символа. Формирование символа осуществляется под управлением специального электронного устройства -- знакогенератора, представляющего для каждого символа кодовой таблицы набор байтов, определяющих местоположение в матрице точек с цветом символа и цветом фона. Изменение таблицы знакогенератора позволяет менять шрифт и создавать альтернативные таблицы кодировок символов.

5.1 Видеокарта

В обязанности современной видеокарты входит быстрая и качественная обработка двумерной графики и поддержка объемного, трехмерного изображения (3D, З-Dimensions). Кроме того, у многих видеокарт есть и дополнительные функции -- прием изображения с внешнего источника -- видеокамеры, видеомагнитофона или телевизионной антенны (эти операции выполняют соответственно видеовход и TV-тюнер), вывод изображения на внешние устройства -- телевизор или видеомагнитофон (этим занимается видеовыход). Видеокарта оснащена достаточно мощным специализированным фафическим процессором и собственной оперативной памятью (видеопамятью), объем которой постепенно догоняет стандартный объем оперативной памяти самого компьютера.

Бурное развитие графического пользовательского интерфейса операционных систем, прикладных и игровых программ явилось стимулом к появлению нового поколения видеоадаптеров, которые принято называть «графическими ускорителями», что означает, что многие графические функции выполняются в самом видеоадаптере на аппаратном уровне, благодаря чему высвобождаются ресурсы процессора для выполнения других задач.

Основными параметрами видеокарт являются:

* Разрешающая способность -- определенное количество точек графического изображения на единицу площади. Чем больше этих точек, тем менее зернистой и более качественной будет картинка. Разрешающую способность описывают две величины -- количество точек по вертикали и по горизонтали: 640x480, 800x600, 1024x768, 1152x864, 1280x1024, 1600x1200, 1792x1344.

...