Новые способы управления компьютером

Теоретические сведения

Состав вычислительной системы	Аппаратное обеспечение
	Программное обеспечение

Аппаратное обеспечение

Рассмотрим устройство компьютера на примере самой распространенной компьютерной системы — персонального компьютера.

Упрощённая блок-схема, отражающая основные функциональные компоненты компьютерной системы в их взаимосвязи, изображена на рисунке

Для того, чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера, они должны иметь одинаковый интерфейс (англ. interface от inter — между, и face — лицо).

Интерфейс — это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой.

Если интерфейс является общепринятым, например, утверждённым на уровне международных соглашений, то он называется стандартным.

Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связан с шиной определённого типа — адресной, управляющей или шиной данных.

Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты примерно по такой схеме:

Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора, т.е.контроллер это устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

Порты устройств представляют собой некие электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора.

Портами также называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы).

Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами — побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно.

К последовательному порту обычно подсоединяют медленно действующие или достаточно удалённые устройства, такие, как мышь и модем. К параллельному порту подсоединяют более "быстрые" устройства — принтер и сканер. Через игровой порт подсоединяется джойстик. Клавиатура и монитор подключаются к своим специализированным портам, которые представляют собой просто разъёмы.

Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру процессора, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской (MotherBoard). А контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения (DаughterBoard - дочерняя плата) и подключаются к шине с помощью разъёмов расширения, называемых также слотами расширения (англ. slot — щель, паз).

Программное обеспечение

Под программным обеспечением (Software) понимается совокупность программ, выполняемых вычислительной системой. Программное обеспечение – неотъемлемая часть компьютерной системы. Оно является логическим продолжением технических средств. Сфера применения конкректного компьютера определяется созданным для него ПО.

В первом приближении все программы, работающие на компьютере, можно условно разделить на три категории :

прикладные программы, непосредственно обеспечивающие выполнение необходимых пользователям работ;
системные и служебные программы, выполняющие различные вспомогательные функции, например:

управление ресурсами компьютера;
создание копий используемой информации;
проверка работоспособности устройств компьютера;
выдача справочной информации о компьютере и др.;

инструментальные программные системы, облегчающие процесс создания новых программ для компьютера.

Подробнее с каждым из видов ПО мы ознакомимся в процессе обучения.

Системные программы выполняются вместе с прикладными и служат для управления ресурсами компьютера — центральным процессором, памятью, вводом-выводом.
Системное программное обеспечение разрабатывается так, чтобы компьютер мог эффективно выполнять прикладные программы.

Cреди десятков тысяч системных программ особое место занимают операционные системы, которые обеспечивают управление ресурсами компьютера с целью их эффективного использования.

Важными классами системных программ являются также программы вспомогательного назначения — утилиты (лат. utilitas — польза). Они либо расширяют и дополняют соответствующие возможности операционной системы, либо решают самостоятельные важные задачи. при классификации ПО их часто выделяют в отельный класс служебногоПО.Кратко опишем некоторые разновидности утилит:

программы контроля, тестирования и диагностики, которые используются для проверки правильности функционирования устройств компьютера и для обнаружения неисправностей в процессе эксплуатации; указывают причину и место неисправности
программы-драйверы, которые расширяют возможности операционной системы по управлению устройствами ввода-вывода, оперативной памятью и т.д.; с помощью драйверов возможно подключение к компьютеру новых устройств или нестандартное использование имеющихся
программы-упаковщики (архиваторы), которые позволяют записывать информацию на дисках более плотно, а также объединять копии нескольких файлов в один архивный файл
антивирусные программы, предназначенные для предотвращения заражения компьютерными вирусами и ликвидации последствий заражения вирусами;
программы оптимизации и контроля качества дискового пространства ;
программы восстановления информации, форматирования, защиты данных
коммуникационные программы, организующие обмен информацией между компьютерами;
программы для управления памятью, обеспечивающие более гибкое использование оперативной памяти;
программы для записи CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD-RW

Часть утилит входит в состав операционной системы, а другая часть функционирует независимо от нее, т.е. автономно.

Базовая аппаратная конфигурация	Системный блок
	Монитор
	Клавиатура
	Мышь

Базовая аппаратная конфигурация- это типовой комплект аппаратуры. В таком комплекте компьютер обычно поставляется. Конфигурацию (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости, понятие базовой конфигурации может меняться. В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают 4 устройства:

системный блок
монитор
клавиатура
манипулятор (обычно мышь)

Системный блок

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называются внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи- внешними. По внешнему виду блоки различаются формой корпуса:

Кроме формы, говорят о форм-факторе, от которого зависят требования к размещаемым устройствам. В настоящее время наиболее распространены AT и ATX, второй имеет разъемы USB-шины.

	электронно-лучевой
Монитор	жидкокристаллический
	сенсорный

Монитор- устройство визуального представления данных.

Электронно-лучевые мониторы

Подавляющее большинство мониторов сконструированы на базе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), и принцип их работы аналогичен принципу работы телевизора.

Основной элемент дисплея — электронно-лучевая трубка. Её передняя, обращенная к зрителю часть с внутренней стороны покрыта люминофором — специальным веществом, способным излучать свет при попадании на него быстрых электронов.

Схема электронно-лучевой трубки

Люминофор наносится в виде наборов точек трёх основных цветов — красного, зелёного и синего. Эти цвета называют основными, потому что их сочетаниями (в различных пропорциях) можно представить любой цвет спектра.

Пиксельные триады

Наборы точек люминофора располагаются по треугольным триадам. Триада образует пиксел — точку, из которых формируется изображение (англ. pixel — picture element, элемент картинки).

Расстояние между центрами пикселов называется точечным шагом (зерном) монитора. Это расстояние существенно влияет на чёткость изображения. Чем меньше шаг, тем выше чёткость. Обычно шаг составляет 0,28 -0,25мм. При таком шаге глаз человека воспринимает точки триады как одну точку "сложного" цвета.

На противоположной стороне трубки расположены три (по количеству основных цветов) электронные пушки. Все три пушки "нацелены" на один и тот же пиксел, но каждая из них излучает поток электронов в сторону "своей" точки люминофора.

Перед экраном на пути электронов ставится маска — тонкая металлическая пластина с большим количеством отверстий, расположенных напротив точек люминофора. Маска обеспечивает попадание электронных лучей только в точки люминофора соответствующего цвета.

Величиной электронного тока пушек и, следовательно, яркостью свечения пикселов, управляет сигнал, поступающий с видеоадаптера.

Ход электронного пучка по экрану

На ту часть колбы, где расположены электронные пушки, надевается отклоняющая система монитора, которая заставляет электронный пучок пробегать поочерёдно все пикселы строчку за строчкой от верхней до нижней, затем возвращаться в начало верхней строки и т.д.

Количество отображённых строк в секунду называется строчной частотой развертки. А частота, с которой меняются кадры изображения, называется кадровой частотой развёртки. Минимальная частота 60 Гц, нормативная - 80 Гц комфортная - 100 Гц

Разрешающая способность. Эта величина показывает, сколько минимальных элементов изображения - точек - может уместиться на экране вашего монитора. Чем больше этих точек, тем менее "зернистой" и более качественной будет картинка.
Разрешающую способность описывают 2 величины - количество точек по горизонтали и по вертикали.

Жидкокристаллические (ЖК) мониторы

Жидкие кристаллы — это особое состояние некоторых органических веществ, в котором они обладают текучестью и свойством образовывать пространственные структуры, подобные кристаллическим. Жидкие кристаллы могут изменять свою структуру и светооптические свойства под действием электрического напряжения. Меняя с помощью электрического поля ориентацию групп кристаллов и используя введённые в жидкокристаллический раствор вещества, способные излучать свет под воздействием электрического поля, можно создать высококачественные изображения, передающие более 15 миллионов цветовых оттенков.

Жидкокристалический монитор

Большинство ЖК-мониторов использует тонкую плёнку из жидких кристаллов, помещённую между двумя стеклянными пластинами. Заряды передаются через так называемую пассивную матрицу — сетку невидимых нитей, горизонтальных и вертикальных, создавая в месте пересечения нитей точку изображения .

Активные матрицы вместо нитей используют прозрачный экран из транзисторов и обеспечивают яркое, практически не имеющее искажений изображение. Панель при этом разделена на 308160 (642х480) независимых ячеек, каждая из которых состоит из четырех частей (для трёх основных цветов и одна резервная). Таким образом, экран имеет почти 1,25 млн точек, каждая из которых управляется собственным транзистором.

Сенсорный монитор

Разновидность монитора — сенсорный экран. Здесь общение с компьютером осуществляется путём прикосновения пальцем к определённому месту чувствительного экрана. Этим выбирается необходимый режим из меню, показанного на экране монитора.

Клавиатура

Клавиатура- клавишное устройство управления ПК.

Наиболее распространена сегодня 101-клавишная клавиатура c раскладкой клавиш QWERTY (читается “кверти”), названная так по клавишам, расположенным в верхнем левом ряду алфавитно-цифровой части клавиатуры:

Такая клавиатура имеет 12 функциональных клавиш, расположенных вдоль верхнего края. Нажатие функциональной клавиши приводит к посылке в компьютер не одного символа, а целой совокупности символов.

Функциональные клавиши могут программироваться пользователем. Например, во многих программах для получения помощи (подсказки) задействована клавиша F1, а для выхода из программы — клавиша F10.

Управляющие клавиши имеют следующее назначение:

Enter	клавиша ввода
Esc	клавиша отмены действий, выхода из программы, из меню
CtrlиAlt	это клавиши-модефикаторы, они изменяют действие других клавиш
Shift	обеспечивает смену регистра клавиш
Insert	переключает режимы вставки (новые cимволы вводятся посреди уже набранных, раздвигая их) и замены (старые символы замещаются новыми)
Delete	удаляет символ с позиции курсора
Back Space	удаляет символ перед курсором
HomeиEnd	обеспечивают перемещение курсора в первую и последнюю позицию строки соответственно
Page Upи Page Down	обеспечивают перемещение по тексту на одну страницу (один экран) назад и вперед соответственно
Tab	табуляция, обеспечивает перемещение курсора вправо сразу на несколько позиций до очередной позиции
Caps Lock	фиксирует верхний регистр
Print Screen	копирует в буфер изображение на экране

Малая цифровая клавиатура используется в двух режимах — ввода чисел и управления курсором. Переключение этих режимов осуществляется клавишей Num Lock.

Клавиатура содержит встроенный микроконтроллер (местное устройство управления), который выполняет следующие функции:

последовательно опрашивает клавиши, считывая введенный сигнал и вырабатывая двоичный скан-код клавиши;
управляет световыми индикаторами клавиатуры;
проводит внутреннюю диагностику неисправностей;
осуществляет взаимодействие с центральным процессором через порт ввода-вывода клавиатуры.

Клавиатура имеет встроенный буфер — промежуточную память малого размера, куда помещаются введённые символы. В случае переполнения буфера нажатие клавиши будет сопровождаться звуковым сигналом — это означает, что символ не введён (отвергнут).

Работу клавиатуры поддерживают специальные программы, "зашитые" в BIOS, а также драйвер клавиатуры, который обеспечивает возможность ввода русских букв, управление скоростью работы клавиатуры и др.

Мышь

Манипуляторы (мышь, джойстик и др.) — это специальные устройства, которые используются для управления курсором.

Мышь имеет вид небольшой коробки, полностью умещающейся на ладони. Мышь связана с компьютером кабелем через специальный блок — адаптер, и её движения преобразуются в соответствующие перемещения курсора по экрану дисплея. В верхней части устройства расположены управляющие кнопки (обычно их три), позволяющие задавать начало и конец движения, осуществлять выбор меню и т.п.

Мышь не является стандартным органом управления, и ПК не имеет для нее выделенного порта. 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.

Внутренние устройства	Материнская плата	CD-ROM, CD-RW, DVD-ROM
системного блока	Жесткий диск	Видеокарта
	Дисковод гибких дисков	Звуковая карта

Типичный системный блок со снятой крышкой корпуса:

Системный блок со снятой крышкой корпуса
1 — Системная плата.
2 — Разъём дополнительного второго процессора.
3 — Центральный процессор с радиатором для отвода тепла.
4 — Разъёмы оперативной памяти.
5 — Накопитель на гибких магнитных дисках.
6 — Накопитель CD-ROM.
7 — Сетевая карта.
8 — Графический акселератор.
9 — Блок питания, преобразующий переменное напряжение электросети в постоянное напряжение различной полярности и величины, необходимое для питания системной платы и внутренних устройств. Блок питания содержит вентилятор, создающий циркулирующие потоки воздуха для охлаждения системного блока.

	Оперативная память	Шинные интерфейсы
Материнская плата	Процессор	Чипсет
	ПЗУ, BIOS, CMOS

Материнская плата. Эта системная плата является основной в системном блоке. Она содержит компоненты, определяющие архитектуру компьютера:

центральный процессор
постоянную (ROM) и оперативную (RAM) память, кэш-память
интерфейсные схемы шин; гнёзда расширения
обязательные системные средства ввода-вывода и др.

Системные платы исполняются на основе наборов микросхем, которые называются чипсетами (ChipSets). Часто на системных платах устанавливают и контроллеры дисковых накопителей, видеоадаптер, контроллеры портов и др.

В гнёзда расширения системной платы устанавливаются платы таких периферийных устройств, как модем, сетевая плата, видеоплата и т.п.

Системная плата компьютера класса Pentium

1 — Разъём под центральный процессор;
2 — Дополнительный кэш объёмом 256 Кбайт;
3 — Разъём под дополнительный кэш;
4 — Контроллеры внешних устройств;
5 — Разъёмы накопителей на жёстких магнитных дисках;
6 — Разъёмы под оперативную память, 4 планки;
7 — Коннектор (соединитель) клавиатуры и мыши;
8 — Микросхема, обслуживающая флоппи-дисковод, последовательные порты и параллельный порт;
9 — Разъёмы 32-битной шины (для видеокарты, карты Интернет и др.);
10 — Перезаписываемая BIOS (Flash-память);
11 — Мультимедийная шина;
12 — Разъёмы 16-битн

Оперативная память

Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory — память с произвольным доступом) — это быстрое запоминающее устройство не очень большого объёма, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами.

Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, так как, когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой — это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.

Объем ОЗУ обычно составляет 64 - 512 Мбайта, для эффективной работы современного программного обеспечения желательно иметь не менее 256 Мбайт ОЗУ. Обычно ОЗУ исполняется из интегральных микросхем памяти DRAM (Dynamic RAM — динамическое ОЗУ). Микросхемы DRAM работают медленнее, чем другие разновидности памяти, но стоят дешевле.

Каждый информационный бит в DRAM запоминается в виде электрического заряда крохотного конденсатора, образованного в структуре полупроводникового кристалла. Из-за токов утечки такие конденсаторы быстро разряжаются, и их периодически (примерно каждые 2 миллисекунды) подзаряжают специальные устройства. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh Memory).

Современные микросхемы имеют ёмкость 1-16 Мбит и более. Они устанавливаются в корпуса и собираются в модули памяти.

В модуле SIMM элементы памяти собраны на маленькой печатной плате длиной около 10 см. Ёмкость таких модулей неодинаковая — 256 Кбайт, 1, 2, 4, 8, 16, 32 и 64 Мбайта. Различные модули SIMM могут иметь разное число микросхем — девять, три или одну, и разное число контактов — 30 или 72. Время доступа к данным составляет 50 – 70 наносекунд.

Для современных процессоров актуальны два типа: DDR SDRAM PC2100/PC2700 и DRDRAM PC800/PC1066 (и новые типы памятиDDR400, DDR II или RDRAM PC4200). Скорость доступа 5-7 нс. Модуль наиболее скоростной памяти DDR333 (PC2700) показан на рисунке.

Память DRDRAM (Direct Rambus) — еще один тип современной высокоскоростной памяти, является сейчас наиболее производительной и соответственно наиболее дорогой. Однако ее преимущество перед DDR SDRAM PC2700 не столь существенно.

Кэш-память

Кэш (англ. cache), или сверхоперативная память — очень быстрое ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью.

Кэш-памятью управляет специальное устройство — контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. При этом возможны как "попадания", так и "промахи". В случае попадания, то есть, если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает её непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования.

Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти SRAM (Static RAM), более быстродействующих, дорогих и малоёмких, чем DRAM.

Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память, так называемый кэш первого уровня размером 128 Кбайт. Кроме того, на системной плате компьютера может быть установлен кэш второго уровня ёмкостью от 64 Кбайт до 512 Кбайт и выше.

Процессор

Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Центральный процессор в общем случае содержит в себе: арифметико-логическое устройство; шины данных и шины адресов; регистры памяти ; счетчики команд; кэш ; математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

AGP. Видеоадаптер - устройство, требующее особенно высокой скорости передачи данных. Видеоадаптер всегда был первым устройством, врезаемым в новую шину. Для них разработана отдельная шина, получившая название AGP( Advanced Graphic Port - усовершенствованный графический порт). Частота этой шины соответствует частоте шины PCI(33 МГц или 66 МГц), но она имеет более высокую пропускную способность.

USB (Universal Serial Bus -универсальная последовательная магистраль). Этот стандарт определяет способ взаимодействия компьютера с периферийным оборудованием. Он позволяет подключать до 256 различных устройств, имеющих последовательный интерфейс. Производительность шины относительно невелика, но для таких устройств, как клавиатура, мышь, модем, джойстик и т.п., этого достаточно. Она практически исключает конфликты между различным оборудованием, позволяет подключать и отключать устройства в "горячем режиме" (не выключая компьютер) и позволяет объединять несколько компьютеров в простейшую локальную сеть без применения специального оборудования и программного обеспечения.

В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называются многопроцессорными.

ПЗУ, BIOS, CMOS

К устройствам специальной памяти относятся постоянная память (ROM), перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory), память CMOS RAM, питаемая от батарейки, видеопамять и некоторые другие виды памяти.

Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory — память только для чтения) — энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом “зашивается” в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.

Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) — энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого.

Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.

Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти — модуль BIOS.

Термин BIOS определяет программу, отвечающую за управление всем оборудованием, установленным на материнской плате. Фактически BIOS является неотъемлемой составляющей системной платы и поэтому может быть отнесен к особой категории компьютерных компонентов, называемых firmware. Firmware — нечто промежуточное между hardware и software: не такой жесткий, как первый, но все же потверже второго.

Аббревиатура BIOSрасшифровывается как Basic Input/Output System (базовая система ввода/вывода). Изначально основным назначением BIOS была поддержка функций ввода-вывода за счет предоставления операционной системе интерфейса для взаимодействия с аппаратурой, но в последнее время его предназначение и функции значительно расширились.

Другой важной функцией BIOS является проводимая после каждого включения компьютера процедура тестирования (POST, Power On Self Test) всего установленного на материнской плате оборудования (за исключением дополнительных плат расширения). В процедуру тестирования входят:

проверка работоспособности системы управления электропитанием;
инициализация системных ресурсов и регистров чипсетов;
тестирование оперативной памяти;
подключение клавиатуры;
тестирование портов;
инициализация контроллеров,
определение и подключение жестких дисков.

В процессе инициализации и тестирования оборудования BIOS сравнивает данные системной конфигурации с информацией, хранящейся в CMOS — специальной энергозависимой памяти, расположенной на системной плате. Хранение данных в чипе CMOSподдерживается специальной батарейкой, и информация обновляется всякий раз при изменении каких-либо настроек BIOS. Таким образом, именно эта память хранит последние сведения о системных компонентах, текущую дату и время, а также, возможно, пароль, установленный на вход в BIOS или загрузку операционной системы. При выходе из строя, повреждении или удалении батарейки все данные в CMOS-памяти обнуляются.

Наконец, третьей важной функцией BIOS является загрузка операционной системы. Современные BIOS позволяют загружать операционную систему не только с гибкого (FDD) или жесткого диска (HDD), но и с приводов CD-ROM, ZIP, LS-120, SCSI-контроллеров и т.д. Считав информацию об устройстве загрузки, BIOS приступает к поиску программы — загрузчика операционной системы на носителе или передает запрос на загрузку другому устройству (а точнее — в свою очередь, переадресует запрос на его BIOS). Когда ответ получен, программа загрузки помещается в оперативную память, откуда и происходит загрузка системной конфигурации и драйверов устройств операционной системы.

С появлением процессоров Pentium BIOS стал выполнять еще одну функцию — управления потребляемой мощностью, а с появлением материнских плат форм-фактора ATX — и функцию включения и выключения источника питания, согласно спецификации ACPI (Advanced Configuration and Power Interface — продвинутый интерфейс конфигурирования и управления потребляемой мощностью). Существует также спецификация APM (Advanced Power Management — продвинутое управление потребляемой мощностью). Различие состоит в том, что ACPI осуществляется в основном средствами ОС, а APM — средствами BIOS.

Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS (англ. Set-up — устанавливать, читается "сетап").

Для хранения графической информации используется видеопамять.

Видеопамять (VRAM) — разновидность оперативного ЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам — процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.

Шинные интерфейсы

Связь между всеми собственными и подключаемыми устройствами материнской платы выполеяют ее шины и логические устройства чипсета.

Шинные интерфейсы материнской платы.

ISA - Industry Standard Architecture. Позволила связать все устройства системного блока между собой, обеспечила простое подключение новых устройств через стандартные разъемы (слоты). Пропускная способность низкая, но эта шина продолжает использоваться в компьютерах для подключения сравнительно "медленных" внешних устройств, напр. звуковых карт и модемов.

PCI -Peripheral Component Interconnect - стандарт подключения внешних компонентов - был введен в ПК, выполненных на базе процессоров Intel Pentium. Интерфейс локальной шины, связывающей процессор с ОП, в которую врезаны разъемы для подключения внешних устройств. Поддерживает режим plug-and-play, в результате которого устройство автоматически получает номер используемого прерывания, адрес порта подключения и номер канала прямого доступа к памяти.

FSB. Шина PCI сегодня используется только как шина для подключения ВУ, а для связи процессора и памяти, начиная с процессора Intel Pentium Pro, используется специальная шина, получившая название Front Side Bus. Эта шина работает на очень высокой частоте 100-125 МГц. В настоящее время внедряются материнские платы с частотой шины 133 МГц и выше. Пропускная способность шины при частоте 100 МГц составляет порядка 800 Мбайт/с.

Чипсет

Чипсет (chipset) — это базовый набор микросхем, определяющий архитектуру взаимодействия всех основных подсистем компьютера. Фактически все функциональные возможности материнской платы определяются установленным на ней чипсетом. Выбор чипсетов на сегодняшний день еще более разнообразен, чем выбор процессоров. Чипсеты выпускают такие компании, как AMD, Intel, VIA, SiS, Intel, nVIDIA и ATi. Чипсет материнской платы определяет поддерживаемый тип процессора, тип памяти, а также функциональные возможности по подключению периферийных устройств. От чипсета в немалой степени зависит и производительность материнской платы.

Большинство чипсетов выпускаются на базе двух микросхем, называемых "Северный мост" и "Южный мост" .

"Северный мост" управляет взаимосвязью четырех устройств: процессора, оперативной памяти, порта AGP и шины PCI.

"Южный мост" выполняет функции контроллера жестких и гибких дисков, функции моста PCI-ISA, контроллера клавиатуры, мыши, шины USB.


Северный мост с кулером	Южный мост

Жесткий диск

Жесткий диск (англ. HDD — Hard Disk Drive)— это основное запоминающее устройство большой ёмкости для хранения больших объемов данных и программ.

Носителями информации являются круглые алюминиевые пластины — платтеры, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала.

Винчестер со снятой крышкой корпуса

Рабочие поверхности платтеров разделены на кольцевые концентрические дорожки, а дорожки — на секторы. Сектор хранит минимальную порцию информации, которая может быть записана на диск или считана. Ёмкость сектора постоянна и составляет 512 байтов.

Головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками заключены в герметически закрытый корпус, называемый модулем данных. При установке модуля данных на дисковод он автоматически соединяется с системой, подкачивающей очищенный охлажденный воздух.

Поверхность платтера имеет магнитное покрытие толщиной всего лишь в 1,1 мкм, а также слой смазки для предохранения головки от повреждения при опускании и подъёме на ходу. При вращении платтера над ним образуется воздушный слой, который обеспечивает воздушную подушку для зависания головки на высоте 0,5 мкм над поверхностью диска.

Основными параметрами являются:

ёмкость: от сотен Мегабайт до десятков Гбайт
скорость вращения шпинделя у современных моделей достигает 7200 об/ мин
среднее время доступа-это скорость поиска данных, порядка 7-8мкс, у лучших - 5-6 мкс
максимальная скорость передачи данных внутренняя до 30 Мбайт/с, внешняя зависит от типа интерфейса: от 50 Мбайт/с IEEE 1394, от 80 Мбайт/с для SCSI.

Винчестер связан с процессором через контроллер жесткого диска.

Все современные накопители снабжаются встроенным кэшем- внутренней памятью- (64 Кбайт и более), который существенно повышает их производительность.

Дисководы гибких дисков

Накопители на гибких магнитных дисках

Гибкий диск, дискета (англ. floppy disk) — устройство для хранения небольших объёмов информации, представляющее собой гибкий пластиковый диск в защитной оболочке. Используется для переноса данных с одного компьютера на другой и для распространения программного обеспечения.

Дискета состоит из круглой полимерной подложки, покрытой с обеих сторон магнитным окислом и помещенной в пластиковую упаковку, на внутреннюю поверхность которой нанесено очищающее покрытие. В упаковке сделаны с двух сторон радиальные прорези, через которые головки считывания/записи накопителя получают доступ к диску.

Способ записи двоичной информации на магнитной среде называется магнитным кодированием. Он заключается в том, что магнитные домены в среде выстраиваются вдоль дорожек в направлении приложенного магнитного поля своими северными и южными полюсами. Обычно устанавливается однозначное соответствие между двоичной информацией и ориентацией магнитных доменов.

На дискете можно хранить от 360 Килобайт до 2,88 Мегабайт информации.

В настоящее время наибольшее распространение получили дискеты со следующими характеристиками: диаметр 3,5 дюйма (89 мм), ёмкость 1,44 Мбайт, число дорожек 80, количество секторов на дорожках 18.

Дискета устанавливается в накопитель на гибких магнитных дисках (англ. floppy-disk drive), автоматически в нем фиксируется, после чего механизм накопителя раскручивается до частоты вращения 360 об/мин. В накопителе вращается сама дискета, магнитные головки остаются неподвижными. Дискета вращается только при обращении к ней.

Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков.

CD-ROM, CD-RW, DVD-ROM

CD-ROM состоит из прозрачной полимерной основы диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм. Одна сторона покрыта тонким алюминиевым слоем, защищенным от повреждений слоем лака. Двоичная информация представляется последовательным чередованием углублений (pits — ямки) и основного слоя (land — земля). Участки CD, на которых записаны символы "0" и "1", отличаются коэффициентом отражения лазерного луча, посылаемого накопителем CD-ROM. Эти отличия улавливаются фотоэлементом, и общий сигнал преобразуется в соответствующую последовательность нулей и единиц.

На одном дюйме (2,54 см) по радиусу диска размещается 16 тысяч дорожек с информацией. Для сравнения — на дюйме по радиусу дискеты всего лишь 96 дорожек. Ёмкость CD до 780 Мбайт. Считывание информации с CD происходит с высокой скоростью, сравнимой со скоростью работы винчестера.

В отличие от магнитных дисков, компакт-диски имеют не множество кольцевых дорожек, а одну — спиральную, как у грампластинок. В связи с этим, угловая скорость вращения диска не постоянна. Она линейно уменьшается в процессе продвижения читающей магнитной головки к центру диска.

Для работы с CD нужно подключить к компьютеру накопитель CD-ROM (CD-ROM Drive).

CD-ROM. Дисковод с возможностью чтения дисков.
CD-R. Дисковод с возможностью однократной записи информации на специальный диск. Запись на диски CD-R осуществляется благодаря наличию на них особого светочувствительного слоя, выгорающего под воздействием высокотемпературного лазерного луча, подобно фотографии.
CD-RW. В дисках CD-RW также имеются поглощающие и отражающие свет участки. Но это не бугорки и ямки, как в дисководах CD-ROM и CD-R. Диск CD-RW представляет из себя как бы слоеный пирог, где на металлической основе покоится активный, рабочий слой. Он состоит из специального материала, который под воздействием лазерного луча изменяет свое состояние. Находясь в кристаллическом состоянии, одни участки слоя рассеивают свет, а другие - аморфные- пропускают его через себя, на отражающую металлическую подложку. Благодаря такой технологии на диск можно записывать информацию, а не только читать ее. Этот дисковод легко управляется не только с дисками своего формата, но и с дисками предыдущих поколений - CD-ROM и CD-R. Но перезаписываемые диски CD-RW могут читать не все дисководы CD-ROM (только модели, выпущенные после 1998 г.)

DVD-R, DVD-RW. Эти диски имеют тот же размер, что и обычные CD, но вмещают 4,7 Гбайт данных, благодаря другому способу записи.. В скором времени ёмкость дисков DVD возрастет до 17 Гбайт. На таких дисках выпускаются полноэкранные видеофильмы отличного качества, программы-тренажёры, мультимедийные игры и многое другое.

Видеокарта (видеоадаптер)

Видеоадаптер — это электронная плата, которая обрабатывает видеоданные (текст и графику) и управляет работой дисплея. Содержит видеопамять, регистры ввода вывода и модуль BIOS. Посылает на дисплей сигналы управления яркостью лучей и сигналы развертки изображения.

Наиболее распространенный видеоадаптер на сегодняшний день — адаптер SVGA (Super Video Graphics Array — супервидеографический массив), который может отображать на экране дисплея 1280х1024 пикселей при 256 цветах и 1024х768 пикселей при 16 миллионах цветов.

С увеличением числа приложений, использующих сложную графику и видео, наряду с традиционными видеоадаптерами широко используются разнообразные устройства компьютерной обработки видеосигналов:

·Графические акселераторы (ускорители) специализированные графические сопроцессоры, увеличивающие эффективность видеосистемы. Их применение освобождает центральный процессор от большого объёма операций с видеоданными, так как акселераторы самостоятельно вычисляют, какие пиксели отображать на экране и каковы их цвета.

Фрейм-грабберы, которые позволяют отображать на экране компьютера видеосигнал от видеомагнитофона, камеры, лазерного проигрывателя и т. п., с тем, чтобы захватить нужный кадр в память и впоследствии сохранить его в виде файла.

·TV-тюнеры — видеоплаты, превращающие компьютер в телевизор. TV-тюнер позволяет выбрать любую нужную телевизионную программу и отображать ее на экране в масштабируемом окне. Таким образом можно следить за ходом передачи, не прекращая работу.

Звуковая карта (аудиоадаптер)

Аудиоадаптер (Sound Blaster или звуковая плата) это специальная электронная плата, которая позволяет записывать звук, воспроизводить его и создавать программными средствами с помощью микрофона, наушников, динамиков, встроенного синтезатора и другого оборудования.

Аудиоадаптер содержит в себе два преобразователя информации:

аналого-цифровой, который преобразует непрерывные (то есть, аналоговые) звуковые сигналы (речь, музыку, шум) в цифровой двоичный код и записывает его на магнитный носитель;
цифро-аналоговый, выполняющий обратное преобразование сохранённого в цифровом виде звука в аналоговый сигнал, который затем воспроизводится с помощью акустической системы, синтезатора звука или наушников.

Профессиональные звуковые платы позволяют выполнять сложную обработку звука, обеспечивают стереозвучание, имеют собственное ПЗУ с хранящимися в нём сотнями тембров звучаний различных музыкальных инструментов.

Звуковые файлы обычно имеют очень большие размеры. Так, трёхминутный звуковой файл со стереозвучанием занимает примерно 30 Мбайт памяти. Поэтому платы Sound Blaster, помимо своих основных функций, обеспечивают автоматическое сжатие файлов.

	Специальные манипуляторы	Устройства хранения данных
Периферийные устройства	Сканеры	Модем, факс-модем
	Принтеры, плоттеры

Специальные манипуляторы

Джойстик — обычно это стержень-ручка, отклонение которой от вертикального положения приводит к передвижению курсора в соответствующем направлении по экрану монитора. Часто применяется в компьютерных играх. В некоторых моделях в джойстик монтируется датчик давления. В этом случае, чем сильнее пользователь нажимает на ручку, тем быстрее движется курсор по экрану дисплея.

Трекбол— небольшая коробка с шариком, встроенным в верхнюю часть корпуса. Пользователь рукой вращает шарик и перемещает, соответственно, курсор. В отличие от мыши, трекбол не требует свободного пространства около компьютера, его можно встроить в корпус машины.

Дигитайзер — устройство для преобразования готовых изображений (чертежей, карт) в цифровую форму. Представляет собой плоскую панель — планшет, располагаемую на столе, и специальный инструмент — перо, с помощью которого указывается позиция на планшете. При перемещении пера по планшету фиксируются его координаты в близко расположенных точках, которые затем преобразуются в компьютере в требуемые единицы измерения

Сканеры

Сканер — устройство для ввода в компьютер графических изображений. Создает оцифрованное изображение документа и помещает его в память компьютера.

В зависимости от способа загрузки носителя сканеры делятся на несколько типов. Наиболее распространенными в настоящее время являются планшетные сканеры: сканируемый документ помещается изображением вниз на плоский стеклянный планшет (обычно он закрывается сверху специальной крышкой), под которым расположена подвижная каретка с источником света, оптической системой и линейкой светочувствительных элементов. В процессе сканирования каретка движется вдоль оси, параллельной длинной стороне планшета и построчно считывает изображение с размещенного на планшете носителя.

Несколько иначе устроены протяжные сканеры: в них источник света, оптическая система и линейка светочувствительных элементов в процессе сканирования остаются неподвижными, а носитель при помощи системы валов и роликов протягивается через сканирующий узел. В настоящее время подобные устройства используются главным образом для сканирования носителей большого формата — А3 и более. Основная сфера их применения — ввод различных чертежей, схем, карт и тому подобных документов большого формата для систем САПР и ГИС.

Ручные сканеры используются для считывания штрих-кодов в автоматизированных кассовых терминалах и других подобных системах.

Характеристики сканеров:

Разрешающая способность измеряется в пикселах на дюйм (pixels per inch, ppi), и чем больше эта величина, тем с большей детальностью можно оцифровывать исходные изображения. Производители обычно указывают два значения разрешающей способности: оптическое и интерполированное (например, 600 и 19 200 ppi), но на самом деле возможности сканера характеризует именно первый параметр.

Количество воспроизводимых при сканировании оттенков определяется разрядностью, измеряемой в битах на цветовой канал. Для цветных сканеров часто указывается суммарная величина для трех цветовых каналов. Например, надпись «24 бит» означает, что по каждому из трех цветовых каналов — красному, синему и зеленому — разрядность составляет 8 бит на цвет; максимально возможное количество оттенков составляет около 16,7 млн. Типичное значение этого параметра — 8 бит на цветовой канал (24 бит RGB), а многие модели современных планшетных сканеров позволяют оцифровывать изображение с разрядностью 12, 14 и даже 16 бит на цветовой канал (соответственно 36, 42 и 48 бит RGB).

Максимальный размер сканируемых оригиналов для планшетных сканеров определяется размером планшета; наиболее типичное значение — 216х297 мм (А4).

Если при помощи сканера вводится текст, компьютер воспринимает его как картинку, а не как последовательность символов. Для преобразования такого графического текста в обычный символьный формат используют программы оптического распознавания образов.

Принтеры, плоттеры

Принтер — печатающее устройство. Осуществляет вывод из компьютера закодированной информации в виде печатных копий текста или графики.

Существуют тысячи наименований принтеров. Но основных видов принтеров три: матричные, лазерные и струйные.

· Матричные принтеры испо ьзуют комбинации маленьких штырьков, которые бьют по красящей ленте, благодаря чему на бумаге остаётся отпечаток символа. Каждый символ, печатаемый на принтере, формируется из набора 9, 18 или 24 игл, сформированных в виде вертикальной колонки. Недостатками этих недорогих принтеров являются их шумная работа и невысокое качество печати, приемлемое, в основном, для домашних целей.

· Лазерные принтеры работают примерно так же, как ксероксы. Компьютер формирует в своей памяти "образ" страницы текста и передает его принтеру. Информация о странице проецируется с помощью лазерного луча на вращающийся барабан со светочувствительным покрытием, меняющим электрические свойства в зависимости от освещённости.

После засветки на барабан, находящийся под электрическим напряжением, наносится красящий порошок — тонер, частицы которого налипают на засвеченные участки поверхности барабана. Принтер с помощью специального горячего валика протягивает бумагу под барабаном; тонер переносится на бумагу и "вплавляется" в неё, оставляя стойкое высококачественное изображение. Цветные лазерные принтеры пока очень дороги.

· Струйные принтерыгенерируют символы в виде последовательности чернильных точек. Печатающая головка принтера имеет крошечные сопла, через которые на траницу выбрызгиваются быстросохнущие чернила. Эти принтеры требовательны к качеству бумаги. Цветные струйные принтеры создают цвета, комбинируя чернила четырех основных цветов — ярко-голубого, пурпурного, желтого и черного.

Принтер связан с компьютером посредством кабеля принтера, один конец которого вставляется своим разъёмом в гнездо принтера, а другой — в порт принтера компьютера. Порт — это разъём, через который можно соединить процессор компьютера с внешним устройством.

Плоттер (графопостроитель) — устройство, которое чертит графики, рисунки или диаграммы под управлением компьютера.

Плоттеры используются для получения сложных конструкторских чертежей, архитектурных планов, географических и метеорологических карт, деловых схем. Плоттеры рисуют изображения с помощью пера.

Роликовые плоттеры прокручивают бумагу под пером, а планшетные плоттеры перемещают перо через всю поверхность горизонтально лежащей бумаги.

Устройства хранения данных

Записывающие оптическиеи магнитооптические накопители ·Накопитель на магнито-оптических компакт-дисках СD-MO (Compact Disk-Magneto Optical). Диски СD-MO можно многократно использовать для записи, но они не читаются на традиционных дисководах CD-ROM. Ёмкость от 128 Мбайт до 2,6 Гбайт.

Накопители на магнитной ленте (стримеры) и накопители на сменных дисках

Стример (англ. tape streamer) — устройство для резервного копирования больших объёмов информации. В качестве носителя здесь применяются кассеты с магнитной лентой ёмкостью 1 - 2 Гбайта и больше.

Стримеры позволяют записать на небольшую кассету с магнитной лентой огромное количество информации. Встроенные в стример средства аппаратного сжатия позволяют автоматически уплотнять информацию перед её записью и восстанавливать после считывания, что увеличивает объём сохраняемой информации.

Недостатком стримеров является их сравнительно низкая скорость записи, поиска и считывания информации.

В последнее время всё шире используются накопители на сменных дисках, которые позволяют не только увеличивать объём хранимой информации, но и переносить информацию между компьютерами. Объём сменных дисков — от сотен Мбайт до нескольких Гигабайт.

Также получили большое распространение Флэш-карты.

Модемы, факс-модемы

Модем — устройство для передачи компьютерных данных на большие расстояния по телефонным линиям связи.

Цифровые сигналы, вырабатываемые компьютером, нельзя напрямую передавать по телефонной сети, потому что она предназначена для передачи человеческой речи — непрерывных (аналоговых) сигналов звуковой частоты.

Модем обеспечивает преобразование цифровых сигналов компьютера в переменный ток частоты звукового диапазона — этот процесс называется модуляцией, а также обратное преобразование, которое называется демодуляцией. Отсюда название устройства: модем — модулятор/демодулятор.

Схема реализации модемной связи

Для осуществления связи один модем вызывает другой по номеру телефона, а тот отвечает на вызов. Затем модемы посылают друг другу сигналы, согласуя подходящий им обоим режим связи. После этого передающий модем начинает посылать модулированные данные с согласованными скоростью (количеством бит в секунду) и форматом. Модем на другом конце преобразует полученную информацию в цифровой вид и передает её своему компьютеру. Закончив сеанс связи, модем отключается от линии. Управление модемом осуществляется с помощью специального коммутационного программного обеспечения.

Модемы бывают внешние, выполненные в виде отдельного устройства, и внутренние, представляющие собой электронную плату, устанавливаемую внутри компьютера. Почти все модемы поддерживают и функции факсов.

Факс — это устройство факсимильной передачи изображения по телефонной сети. Название "факс" произошло от слова "факсимиле" (лат. fac simile — сделай подобное), означающее точное воспроизведение графического оригинала (подписи, документа и т.д.) средствами печати.

Модем, который может передавать и получать данные как факс, называется факс-модемом.

Приложение

Новые способы управления компьютером

Основными инструментами для ввода информации в случае больших ее объемов по-прежнему являются стандартная клавиатура и мышь. Но во многих случаях потребители не проявляют интереса к мобильным технологиям как раз из-за несовершенства технологий ввода информации.

Целый ряд компаний — от таких широко известных производителей мышей и клавиатур, как Logitech, до малознакомых Canesta (http://www.canesta.com/), Tyzx, Anoto(http://www.anoto.com/), а также такие гиганты, как IBM, Intelи Microsoft, работают в области естественных интерфейсов и нетрадиционных способов ввода данных. Например, Intel занимается компьютерным зрением, что со временем позволит управлять компьютером при помощи жестов. Проекты, связанные с технологией распознавания рукописного текста, есть практически во всех крупных компаниях, а сейчас в продаже стали появляться и виртуальные клавиатуры, мыши и даже такие экзотические средства управления, как перчатки с датчиками, следящими за изгибом пальцев.

IBM разработала переводчик ViaVoice, новое лингвистическое ПО, позволяющее карманным ПК переводить с английского языка на французский, немецкий, итальянский и испанский.

А вот компания Tyzxзанимается системой распознавания образов, которая может разглядеть ножку стола и не запутаться в узоре обоев на противоположной стене. Она позволяет выделить интересующую вас часть изображения, причем получить картину, содержащую не только цвет каждого элемента, но и расстояния до него. В основе разработки Tyzx лежит специализированный чип, выполняющий так называемый алгоритм распознавания (census correspondence) и быстро обнаруживающий подобие в двух потоках видеоизображений, разбитых на квадраты. 33-мегагерцевый чип DeepSea способен выполнять такое сравнение над изображениями размером 512?512 пикселов 125 раз в секунду, но потребляет при этом гораздо меньше энергии, чем универсальные процессоры вроде Intel Pentium. Еще одна важная разработка, необходимая для решения задач Tyzx, — это чувствительные сенсоры для камер, выполненные на базе сравнительно недорогой технологии КМОП (CMOS), применяемой в большинстве компьютерных микросхем. Современные цифровые камеры используют более дорогую и энергоемкую технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью (CCD).

Tyzx — не единственная компания, делающая свой бизнес на компьютерном стереозрении. Скажем, Microsoft Research (http://research.microsoft.com/vision/ImageBasedRealities) работает над технологией, извлекающей 3D-информацию из двумерных изображений. А Point Grey Research (http://www.ptgrey.com/) уже выпустила на рынок стереокамеру, для выполнения алгоритмов которой, однако, требуется полноценный компьютер. Японская фирма ViewPlus (http://www.viewplus.co.jp/), сотрудничающая с Point Grey Research, объединила целые 60 камер в сферическую систему, выдающую одновременно 20 потоков видеоинформации.

Все это подготавливает хорошую основу для перехода к новым, необычным для нынешнего пользователя технологиям ввода информации и управления компьютерами.

Далее ⇒