Внутренние и периферийные устройства ПК

1. Внутренние устройства ПК

1.1. Микропроцессор

1.2. Основная (материнская) плата и шина

1.3. Память

1.4. Накопители на подвижном магнитном носителе

1.5. Накопители на гибких магнитных дисках

1.6. Оптические диски

1.7. Блоки расширения

2. Периферийное оборудование

2.1. Устройства ввода

2.2. Устройства вывода Заключение Список литературы Приложения

Основой персональной техники стала изобретенная еще в 1959 году сотрудниками фирмы Texas Instruments интегральная микросхема — полупроводниковое устройство, содержащее на одном кристалле (чипе) в то время всего 6 эквивалентных транзисторов. Разработка новых микросхем и процесс их производства постоянно совершенствуется, и в 1969 году фирма Intel выпустила микросхему памяти емкостью 1 Кбит, а в 1971 году — первый микропроцессор. Вслед за этим, уже в 1973 году появились микропроцессорные комплекты, позволяющие промышленно изготавливать на одной печатной плате персональные компьютеры.

Первый персональный компьютер Altair был выпущен фирмой MITS в 1975 году, однако его технические параметры были очень низки: оперативная память, например, всего 256 байт. Фирма IBM также в 1975 году выпустила прототип персонального компьютера — модель 5100 с 16 Кбайт оперативной памяти, встроенным интерпретатором BASIC и внешним накопителем на кассетном магнитофоне. Однако стоимость такого устройства была слишком высока (9000 $) для персонального использования массовым потребителем.

Собственно массовое распространение персональных компьютеров началось с выпущенной в 1976 году вновь образованной фирмой Apple Computer модели Apple 1 стоимостью всего 695 $. Правда, компьютеров первой модели было произведено совсем немного (около 300). Однако следующая модель Apple 2 в 1977 году получила большую популярность (их было продано порядка 3 млн. штук) и именно их имеет смысл считать первыми персональными компьютерами первого поколения. Для этих компьютеров была разработана фирмой DR (Digital Research) операционная система CP/M.

В конце 1980 года фирма IBM решила завоевать быстро растущий рынок РС и создала специальную группу из 12 человек, предоставив им большие полномочия, вплоть до закупки и использования разработок других фирм (что ранее в фирме было категорически запрещено). При таких льготных условиях модель IBM PC была разработана в течение 1 года. Для разработки операционной системы для своего компьютера фирма IBM обратилась к разработчику первой операционной системы для РС фирме DR, однако, та не заинтересовалась данным проектом и за разработку операционной системы для IBM PC взялась маленькая фирма из Сиэтла Microsoft (MS).

За пятнадцатилетний период со времени выхода первых IBM — совместимых персональных компьютеров произошли существенные изменения как в области технических, так и программных средств. Быстродействие компьютеров увеличилось более чем в 200 раз, оперативная память увеличилась более чем в 30 раз, емкость накопителя на жестком магнитном диске увеличилась более чем в 50 раз и т. п.

Актуальность данной курсовой работы связана с тем, что в последнее время появились совершенно новые устройства, например, компакт-диски с памятью только для чтения (CD-ROM), компакт-диски с однократной записью (CD-R) и т. п. Развитие компьютерных средств идет так быстро, что всего через 1−2 года необходимо производить полную замену как технических, так и программных средств (в связи с этим для некоторых категорий предприятий срок амортизации средств компьютерной техники снижен с 8−10 лет до 2 лет).

Цель курсовой работы — систематизация, накопление и закрепление знаний о внутренних и периферийных устройствах ПК.

1. Внутренние устройства ПК

1.1. Микропроцессор

Центром вычислительной системы является ее процессор. Это основное звено, или «мозг» компьютера. Именно процессор обладает способностью выполнять команды, составляющие компьютерную программу. Персональные компьютеры строятся на базе микропроцессоров, выполняемых в настоящее время на одном кристалле (чипе).

IBM PC начинались с микропроцессора 8086 фирмы Intel (точнее, с его ослабленной и удешевленной версии 8088 и 8-разрядной шиной для PC XT (eXTended)). Затем появились компьютеры серии PC AT (Advanced Technology) 80 286, 80З86, 80 486 (общее обозначение — 80×86) с 16-разрядной шиной. После чего Intel изменила систему обозначений, и вместо 80 586 возник Pentium. Следующий процессор при разработке обозначался Р6 и на рынке ожидался под именем Hexium (от греч. «гекса» — шесть), но появился в продаже как Pentium Pro — в знак того, что принципиально от Pentium не отличается, только заметно лучше.

Каждая новая модель умеет много нового — и лучше выполняет старое. С каждым усовершенствованием растет частота тактовых импульсов, синхронизирующих работу всего компьютера (см. Приложение 4).

Внутреннее устройство процессоров непрерывно совершенствуется, и каждый следующий тратит на одну и ту же работу вдвое меньше тактов, чем предыдущий. В 8088 одна команда занимала 5−15 тактов, в Pentium — 0,5−1 (внутреннее дублирование схем позволяет ему выполнять несколько команд одновременно). Поэтому с точки зрения производительности микропроцессора, т. е. сколько он выполняет миллионов операций в секунду (MIPS — Million Instruction Per Second), каждое его следующее поколение даже при одной и той же тактовой частоте работает быстрее.

При переходе от одного поколения микропроцессоров к другому разработчики стремились сохранить набор основных команд, чтобы обеспечить преемственность и совместимость. При этом в формировании набора команд микропроцессора наметилось два направления. С одной стороны, программисту очень удобна машина, выполняющая одной командой какую-нибудь сложную операцию, например, команду извлечения квадратного корня. Но чем сложнее команды, тем сложнее схемы и дороже процессор. Поэтому программисты уже давно определили, какого минимального набора команд достаточно, чтобы программы из них было легко и удобно строить. А инженеры разработали схемы быстрого выполнения именно таких удобных команд. Программа, составленная из подобных простейших команд, — длиннее. Однако она исполняется настолько быстро, что в целом, все равно, ее исполнение занимает меньше времени. Кроме того, легче учесть взаимовлияние простых команд. Значит, проще оптимизировать программу, а затем эту оптимизацию автоматизировать.

Две противоположные тенденции, именуемые CISC — Complex Instruction Set Computer — «компьютер с полным набором команд» и RISC — Reduced Instruction Set Computer — «компьютер с ограниченным набором команд», конкурируют давно. Как правило, любые новые достижения инженеров реализуются в ограниченном наборе (RISC), а по мере совершенствования переходят в полный (CISC) набор, как было с микропроцессорами 80×86.

Необходимо отметить еще одну важную особенность. Если команды просты, то легко определить, какие из них для каких поставляют исходные данные, и переупорядочить команды так, чтобы те из них, которые не влияют друг на друга, выполнялись одновременно, поэтому сейчас основные изготовители микропроцессоров ориентируются на RISC.

В 1997 году начат выпуск новых ММХ — процессоров (MultiMedia Extensions), обеспечивающих поддержку мультимедийных приложений «изнутри». Поскольку практически все мультимедийные данные представляются короткими 8-битными последовательностями, то для ускорения работы процессора в него добавили еще один конвейер для их упаковки в 64-битную пачку за счет введения в набор команд специальных 57 мультимедийных команд. Дополнительный блок обработки мультимедиа разгружает ядро процессора и снимает часть нагрузки видео и аудиокарт и средств телекоммуникации. Результаты тестов показали, что при выполнении традиционных приложений процессоры Pentium ММХ оказались на 10 — 15% производительнее прежних Pentium, а для программ, использующие ММХ — команды, — в 1,5 — 2,5 раза лучше. Однако использование этих команд приводит к новой переработке всего программного обеспечения, которое нельзя будет использовать на не мультимедийных процессорах (что, вообще говоря, заставляет купить новый компьютер).

Все последующие микропроцессоры как фирмы Intel, так и других фирм являются мультимедийными с еще большим набором специальных команд (добавлено еще более 100 мультимедийных команд), хотя в обозначении микросхемы этот факт не находит отражения.

С начала 1998 года Intel избрал новую политику — дробить рынок на части и для каждой делать свой продукт. Так наряду с производительными и дорогими Pentium II (с начала 1999 г. Pentium III) появилось семейство Celeron (рис.1−1), нацеленное на низшую ценовую категорию для конкуренции с микропроцессорами фирмы AMD.

Процессоры следующего поколения Pentium III выпущены по новой (0.18 мкм) технологии и имеет более высокую тактовую частоту 500−550 МГц. В нем реализованы расширения инструкций, получившие название SSE (Streaming SIMD Extensions). Это позволяет достичь высоких скоростей разработки и насыщенности цифрового содержания для воспроизведения специальных эффектов, рендеринга, создания 3-мерных изображений и текстур, а также обеспечивает значительное повышение производительности сети и Internet-приложений, использующих протокол TCP/IP, а также увеличение производительности приложений с интенсивным использованием системной или кэш-памяти.

В последние годы Intel развивает серию Pentium 4: 2000 г.- Intel Pentium 4 (Willamette, Socket 423). Принципиально новый процессор с гиперконвейеризацией (hyperpipelining) — с конвейером, состоящим из 20 ступеней. Согласно заявлениям Intel, процессоры, основанные на данной технологии, позволяют добиться увеличения частоты примерно на 40 процентов относительно семейства P6 при одинаковом технологическом процессе. Применена 400 МГц системная шина (Quad-pumped), обеспечивающая пропускную способность в 3,2 ГБайта в секунду против 133 МГц шины с пропускной способностью 1,06 ГБайт у Pentium III. Кодовое имя: Willamette. Технические характеристики: технология производства — 0,18 мкм; тактовая частота — 1.3−2 ГГц; кэш первого уровня — 8 Кб; кэш второго уровня — 256 Кб (полноскоростной); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (400 МГц); разъём Socket 423.

В 2001 г. появился Intel Pentium 4 (Willamette, Socket 478). Этот процессор выполнен по 0.18 мкм процессу. Устанавливается в новый разъём Socket 478, поскольку предыдущий форм-фактор Socket 423 был «переходным» и Intel в дальнейшем не собирается его поддерживать. Кодовое имя: Willamette. Технические характеристики: технология производства — 0,18 мкм; тактовая частота — 1,3−2 ГГц; кэш первого уровня — 8 Кб; кэш второго уровня — 256 Кб (полноскоростной); процессор 64-разрядный; шина данных 64-разрядная (400 МГц); разъём Socket 478. Последние модификации процессора выпускаются по 0,13 мкм технологии с частотой системной шины 533 МГц.

1.2. Основная (материнская) плата и шина

Для того чтобы микропроцессор мог работать, необходимы некоторые вспомогательные компоненты. Когда данные передаются внутри компьютерной системы, они проходят по общему каналу, к которому имеют доступ все компоненты системы. Этот путь получил название шины данных. Необходимо отметить, что понятие «шина данных» имеет общее значение, конкретно же и микропроцессор имеет свою шину данных и оперативная память. Когда нет специального уточнения, то речь идет, как правило, об общей шине, или иначе шине ввода-вывода.

Эта шина формируется на сложной многослойной печатной плате — основной, или иначе, материнской (motherboard рис. 1−2).

Системная шина представляет собой совокупность сигнальных линий, объединённых по их назначению (данные, адреса, управление). Основной функцией системной шины является передача информации между базовым микропроцессором и остальными электронными компонентами компьютера. По этой шине так же осуществляется не только передача информации, но и адресация устройств, а также обмен специальными служебными сигналами.

Концепция шины представляет собой один из наиболее совершенных методов унификации при разработке компьютеров. Вместо того чтобы пытаться соединять все элементы компьютерной системы между собой специальными соединениями, разработчики компьютеров ограничили пересылку данных одной общей шиной.

Эта идея чрезвычайно упростила конструкцию компьютеров и существенно увеличила ее гибкость. Чтобы добавить новый компонент, не требуется выполнять множество различных соединений, достаточно присоединить его к шине через специальный разъем (Slot). Чтобы упорядочить передачу информации по шине используется контроллер шины.

На основной плате когда-то были только шина, процессор и оперативная память. Все остальные устройства размещались на сменных платах, включаемых в разъемы (слоты) шины. Сейчас на motherboard находится добрая половина компьютера — и контроллер дисков, и видеоадаптер и порты. А вот процессор и память помещены на сменные платы (модули) — ибо более мощные процессоры и более емкие микросхемы памяти появляются по несколько раз в год и их можно заменить. Для современных компьютеров наметилась тенденция размещения дополнительного оборудования на motherboard (видеоадаптер, звуковая аппаратура, модем — интеграция технических средств).

Архитектура системной шины (приложение 1) той или иной модели системной платы зависит от производителя и определяется типом платформы ПК (типом центрального процессора), применяемым набором микросхем chipset и количеством и разрядностью периферийных устройств, подключаемых к данной системной плате.

Максимальная пропускная способность часто используется в качестве критерия для сравнения возможностей шин различной архитектуры. Ее можно рассчитать, умножив рабочую частоту на количество байт, передаваемое в одном такте (ширину полосы пропускания).

Для особо быстродействующих устройств нужны другие способы подключения. Отдельные (локальные) шины, работающие с основной частотой материнской платы, появились, прежде всего, для памяти — основной и кэш (cache). Затем на локальную шину «посадили» видеоадаптер.

Эту шину VLB создала группа VESA — Video Electronic Standard Association, разработавшая стандарт — Video Electronic Standard Architecture, и поэтому у нее два обозначения — Video Local Bus и VESA Local Bus. Поскольку локальная шина подключена непосредственно к микропроцессору, имеющему 32-разрядную шину данных, то при основной частоте 33 МГц получается скорость обмена 132 Мбайта в секунду.

PCI (Peripheral Component Interconnect bus) — шина для подсоединения периферийных устройств появилась в 1992 г. и утверждена организацией Special_Interest_Group_Steering_Committee. Она стала массово применяться для Pentium-систем. Шина работает с объектами, имеющими напряжение 5 либо 3,3 вольт. Взаимодействие объектов происходит напрямую, без участия центрального процессора (CPU). PCI является 32-разрядной с возможностью расширения до 64 разрядов. Пиковая пропускная способность равна 132 Мбайт/с при 32 разрядах и 264 Мбайт/с при 64 разрядах. В современных материнских платах частота на шине PCI задается как ½ входной частоты процессора, т. е. при частоте 66 MHz на PCI будет 33 MHz, при 75 MHz — 37.5 MHz и т. д. Шина хорошо стыкуется с локальной сетью.

Шина PCI — первая шина в архитектуре IBM PC, которая не привязана к этой архитектуре. Она является процессорно-независимой и применяется, например, в компьютерах Macintosh. Процессор через так называемые мосты (PCI Bridge) может быть подключен к нескольким каналам PCI, обеспечивая возможность одновременной передачи данных между независимыми каналами PCI.

В начале 1995 года утвержден стандарт PCI на частоту 66 МГц, а заодно и стандарт на ширину шины в 8 байт. PCI теперь может работать не только как локальная шина, но и как общая. Пропускная способность такой шины существенно возрастает (до теоретически максимальной 8 байт? 66 МГц = 528 Мбайт в секунду).

Однако для современных систем трехмерной (3D) графики возможностей стандартной шины мало. Intel в 1997 году предложила установить на материнской плате специализированный графический порт — AGP — Accelerated Graphics Port. То есть AGP — специализированная надстройка над шиной PCI, позволяющая создать скоростной канал обмена данными между графическим акселератором и системной логикой PC. AGP-расширение основной PCI-архитектуры работает на удвоенной рабочей частоте шины (т.е. 133 МГц, входной частоты процессора). Для того чтобы достичь высокой скорости передачи, AGP определено как непосредственное или прямое соединение (point-to-point), а не через общую шину.

Готовясь к появлению более мощных процессоров Pentium, многие поставщики микропроцессоров и систем развивают соответствующие этим процессорам версии архитектуры шины PCI, способные удвоить пропускную способность каналов ввода-вывода для высокопроизводительных систем. Летом 1999 года консорциум SIG по PCI принял спецификацию принципиально нового варианта шины PCI — PCI-X. Основные отличия PCI-X от PCI:

1) тактовая частота шины до 133 MHz;

2) возможно использование различных слотов для разных скоростей обмена данными; стандарт предусматривает 1 слот с частотой 133 MHz, 2 слота на 100 MHz, остальные слоты могут использоваться на частоты 33 и 66 MHz;

3) уменьшено время, выделяемое на операции в PCI-X.

Для Pentium 4 была разработана системная шина (FSB) 400 МГц. В 2002 году компания Intel успешно начала перевод своих процессоров Pentium 4 на системную шину (FSB) 533 МГц взамен прежней 400 МГц. Она выпустила сразу три новых процессора для новой шины с тактовой частотой ядра 2,26, 2,40 и 2,53 ГГц. Как показали многочисленные тестирования, применение более быстрой системной шины даже совместно с прежней системной памятью DDR266 или RDRAM PC800 способно повысить быстродействие платформ на 5−10% в ряде задач (при неизменной тактовой частоте ядра), что фактически равноценно повышению тактовой частоты самих процессоров (со «старой» шиной) на одну-две ступени.

В этом случае на материнской плате должен быть установлен один из наборов микросхем (чипсет) I845E, I845G, I850 (приложение 2). Сведения по новым разработкам проще всего найти на сайтах фирм, выпускающих платы, например, на сайте фирмы Intel.

1.3. Память

Одним из основных элементов компьютера, позволяющим ему нормально функционировать, является память. Внутренняя память компьютера (оперативная память и кэш-память) — это место хранения информации, с которой он работает. Она является временным рабочим пространством. Информация во внутренней памяти не сохраняется при выключении питания, на диске же или дискете может храниться годами без потребления питания. В постоянной памяти (ROM) персонального компьютера записан набор программ базовой системы ввода-вывода (BIOS). Эта память энергонезависима и BIOS всегда готова к чтению при включении питания компьютера.

Поскольку в памяти только для чтения замена записанной информации была невозможна, то переход на новую версию BIOS требовал замены набора микросхем материнской платы (чипсет). Поэтому в современных компьютерах устанавливается перепрограммируемая память FlashBIOS. (Однако сразу же проявился недостаток такой памяти: появились вирусы, перепрограммирующие базовую систему ввода/вывода, что приводит к полной неработоспособности компьютера).

Память компьютера организована в виде множества ячеек, в которых могут храниться данные; каждая ячейка обозначается адресом. При этом адресация общая для постоянной и оперативной памяти так, что адреса, отведенные постоянной памяти, для оперативной памяти использовать нельзя. Сама адресация в угоду совместимости со старыми компьютерами усложнена — все это требует дополнительных программных средств управления памятью. Размеры этих ячеек отличаются у разных компьютеров и видов памяти.

Современные процессоры работают намного быстрее обычных устройств машинной памяти. Поэтому, чтобы их не задерживать, в компьютер включают особую буферную память (Cache Memory), по скорости сравнимую с процессором. В ней информация всегда готова к использованию (название взято от французского слова cache — скрытый, ибо буфер включают так, чтобы программы его не замечали).

Первоначально кэш-память устанавливалась вне процессора (внешний кэш), затем небольшой кэш встраивается непосредственно в процессор (внутренний кэш). Теперь в компьютерах с процессором Celeron устанавливается непосредственно в микропроцессоре 128 Кбайт кэша, в Pentium — 512К. Такие объемы обеспечивают приемлемо малое число обращений к основной памяти. Экономия на кэш-памяти может привести к существенным потерям времени в работе.

Кэш-память встраивают и в современные дисковые накопители. В дешевые — десяток килобайт (на одну дорожку записи). В дорогие — насколько мегабайт (на солидные файлы).

Основная (оперативная) память (RAM — Random Access Memory — память с произвольным доступом) компьютера отличается от прочих устройств памяти, прежде всего тем, что к любому ее месту можно обратиться одинаково быстро, даже если делать это в случайном (произвольном) порядке (random access).

Большинство старых программ, работающих под управлением DOS, укладываются в сотни килобайт — ведь DOS адресует только 640 Кбайт. Современные операционные системы многозадачные. Они позволяют нескольким программам действовать одновременно, а главное, взаимодействовать между собой. Поэтому для их работы требуется значительный объем оперативной памяти, например, для операционной системы Windows ME — 64 Мбайт, для Windows XP — 128 Мбайт. Причем эти требования минимальные. Для приемлемой скорости работы с наиболее часто используемыми комбинациями программ эти цифры надо хотя бы удвоить или лучше учетверить.

Физически оперативная память устанавливается в виде модулей SIMM (Single In-line Memory Modules) или DIMM (Double In-line Memory Modules) в специальные гнезда на материнской плате (рис. 1−3).

На системной (материнской) плате модули памяти организуются в банки памяти. В компьютерах последних лет разъемы для модулей SIMM полностью исключены, так что используются только DIMM модули объемом 64 МВ и выше. Оперативная память подвержена многим помехам. Поэтому обычно к каждому байту добавляют девятый бит — для контроля на четность. Существуют также способы автоматического восстановления информации при сбоях. Однако они требуют большей избыточности памяти и соответственно повышают ее цену. Поэтому память с расширенным корректирующим кодом (ЕСС — Extended Correction Code) используют, прежде всего, в мощных машинах, решающих серьезные задачи.

До недавнего времени развитие новых технологий изготовления компонентов памяти происходило параллельно с развитием чипсетов, производимых фирмой Intel. Но случилось так, что в 1998 году образовалось опережение в технологии изготовления чипсетов, а производители памяти отстали. В первом квартале 1998 года Intel представила чипсет i440BX с тактовой частотой системной шины 100MHz, а также семейство материнских плат на этом чипсете со 100-мегагерцовой шиной памяти. Поэтому вскоре появились 2 класса памяти, отвечающих стандарту PC100 для применения в компьютерных системах: PC100 SDRAM Unbuffered DIMM; PC100 SDRAM Registered DIMM.

DIMM-модули PC100 SDRAM Unbuffered, иначе называемые «небуферизированными», применяются в системах, не требующих объема памяти более 768МВ. DIMM-модули стандарта PC100 SDRAM Registered выпускаются только в 72-разрядном исполнении, и их емкость достигла 1024МВ. Подобные типы DIMM отличаются от PC100 SDRAM Unbuffered DIMM увеличенным размером печатной платы (PCB), а также наличием специальных микросхем (Registers) на модуле. Регистры обеспечивают страничную организацию памяти.

С 1998 года Samsung Semiconductor, Inc ведет разработку технологии DDR для SDRAM. Эта технология получила название SDRAM II. Это следующее поколение памяти с тактовой частотой шины 100MHz. Технология DDR (Double Data Rate) удвоения частоты позволит записывать и читать данные с частотой в два раза выше, чем частота шины. Данные будут выбираться по фронтам и срезам тактовых сигналов. Были выпущены DIMM-модули емкостью 512 МБ, и IBM разработала чипсет, который может использовать эти скоростные модули.

Приступая к разработке Pentium4, фирма Intel официально поддержала новый тип памяти: RAMBUS DRAM, разработанный компанией Rambus (срок договора истек в начале 2003 г.). Rambus память имеет чрезвычайно высокую пропускную способность. Сама фирма Rumbus является чисто инженерной и не производит память, а только продает лицензии на ее производство.

Идея Rambus состоит в том, что чипы становятся все быстрее, а проводники между ними не могут поддерживать такие частоты, поскольку имеется три типа сигналов для передачи от контроллера до чипа памяти: адрес ячейки, куда надо обратиться, биты данных и команды, описывающие, что надо делать с информацией. Эти сигналы традиционно пересылаются отличным друг от друга образом (с разной частотой). Такое положение дел приводит к тому, что скорость передачи информации определяется самым медленным процессом, и при этом требуется тщательная отладка на уровне чипов, чтобы все работало правильно. Поэтому авторы идеи запаковали три вида сигналов одинаковым образом в одну шину. Этот методологический сдвиг требовал значительных переработок конструкций микросхем памяти и их контроллеров, но скорость работы компьютера теоретически вырастала во много раз.

Инженеры компании создали стандарт Direct Rambus с расчетом на максимальную производительность. Подсистема памяти Direct Rambus имеет максимальную пропускную способность 1,6 Гбайт/сек. Компания Rambus Inc. разработала специальную шину межкристальной коммуникации — Direct Rambus Channel, которая работает на порядок быстрее, чем шина современных подсистем памяти.

Система памяти Direct Rambus использует стандартные технологии PCB (Printed Circuit Board — печатные платы) для реализации модулей памяти RIMM (Rambus Inline Memory Module), которые имеют те же размеры, что и существующие DIMM. Компоненты Direct RDRAM используются в SMD исполнении (Surface Mounting Device — приборы для поверхностного монтажа), что дает низкую емкость выводов и неплохие тепловые характеристики. Корпус микросхемы лишь чуть больше размера RDRAM-кристалла. Один RIMM содержит до восьми чипов Direct RDRAM на каждую сторону. RIMM может иметь емкость до 128 мегабайт при использовании 64-мегабитных RDRAM-микросхем. Системная плата может содержать до трех RIMM.

1.4. Накопители на подвижном магнитном носителе

Наименование накопителей на подвижном носителе «внешняя память» сохранилось от старых вычислительных машин, когда, действительно, накопители на магнитных дисках и магнитных лентах изготавливались в виде отдельных стоек (довольно больших по габаритам и весу) и располагались рядом с процессорной стойкой. В то же время данный термин имеет более глубокую основу, ведь и в персональном компьютере, хотя дисковод установлен внутри системного блока, процессор не может непосредственно использовать данные с диска, сначала они должны быть перенесены в оперативную (внутреннюю) память компьютера.

Первый полностью герметизированный (для защиты от пыли) накопитель информации на магнитных дисках, созданный фирмой IBM, включал 2 диска диаметром 14 дюймов, на каждый из которых записывалось 30 Мбайт. Соответственно его обозначили 30/30. Так же обозначалась популярная винтовка образца 1888 года фирмы Winchester (винчестер). Поэтому, наверное, герметичные дисководы обрели такое название.

Для первых персональных компьютеров разработали винчестеры диаметром 5,25″, затем для портативных компьютеров — 3,5″; а в ноутбуки уже ставят накопители диаметром 2,5″ и даже 1,8″. Винчестеры размером 5,25″ теперь не используются даже в настольных компьютерах, чаще устанавливаются 3.5″ (рис. 1−4). Устройства управления винчестерами — контроллеры — раньше размещались на отдельных печатных платах. Теперь почти все нужные схемы встраивают в корпус винчестера — Integrated Drive Eiectronic (IDE), а немногие оставшиеся компоненты обычно включены в motherboard (или на плате расширения, называемой MultiCard) и подключаются через плоский специальный многожильный кабель.

Недостатком контроллера является сравнительно низкая скорость передачи информации и возможность подключения всего 2 устройств. Позднее был разработан усовершенствованный (enhanced) вариант контроллера — EIDE, специально для размещения на motherboard (без платы расширения). Для малогабаритных компьютеров бал разработаны SCSI — контроллеры (Small Computer System Interface — системный интерфейс малых компьютеров), которые затем стали устанавливать и в настольные модели. Стандарт на этот тип контроллеров постоянно совершенствуется. Теперь, стандарт UDMA-100 (UltraDirectMemoryAccess) или UltraATA-100 (AT Attachment — «подключение к компьютерам типа AT» — это официальное название интерфейса IDE) поддерживает скорость обмена информацией до 80 — 100 Мбайт в секунду.

Для размещения информации на диск, он должен быть разбит на дорожки и сектора стандартного размера — формата. Различается два вида форматирования дисков: физическое (LLF — Low Level Formatting — форматирование низкого уровня) и логическое (HLF — High Level Formatting — форматирование высокого уровня). Кроме того, между этими этапами форматирования существует еще один этап — разбиение диска на разделы (Partitions). При организации нескольких разделов каждый из них может быть использован для работы под управлением своей операционной системы или для одной операционной системы представлять отдельный том (Volume) или логический диск (Logical Drive), которому DOS присваивает собственное буквенное обозначение.

В процессе форматирования низкого уровня дорожки разбиваются на определенное количество секторов. Информационная длина сектора — стандартная 512 байт, количество же секторов на дорожке (соответственно, физическая длина сектора) может быть постоянным или переменным (в зависимости от радиуса дорожки). В большинстве IDEи SCSI-накопителей используется зонная запись, при которой на внешних дорожках размещается больше секторов, чем на внутренних. Объем записываемой информации при этом существенно возрастает.

В компьютере со всеми устройствами, прежде всего, взаимодействует BIOS — Basic Input/Output System (базовая система ввода/вывода). Для стандартной BIOS максимальное количество цилиндров составляет 1024, максимальное количество головок — 16 и максимальное количество секторов — 63. Если диск разбит с количеством цилиндров большим 1024, то можно перейти к, так называемой, логической адресации блоков (LBA), когда количество цилиндров уменьшается вдвое, а количество головок, соответственно, в 2 раза возрастает.

Для 32-разрядной файловой системы FAT-32, используемой в операционных системах: Windows NT, Windows 95, Windows 95 OSR2, Windows 98, Windows 2000, Windows МЕ, длина имен файлов может быть до 256 символов, максимальный размер тома — 8 Гбайт, при этом размер кластера был принят 4 Кбайт. Для операционных систем класса Windows NT, в том числе последних: Windows 2000 и Windows ХР, более целесообразно использовать их собственную структуру NTFS, обладающую рядом преимуществ по сравнению с FAT-32, в частности имеющую меньший размер кластера (равный сектору, если это возможно).

В 2003 году появились первые экземпляры контроллеров Serial ATA на популярных материнских платах. Прежде всего, кабель у нового интерфейса принципиально отличается от прежнего плоского и широкого (40- или 80-жильного), у него количество сигнальных проводов сокращено до четырех (есть дополнительная «земля»), и до метра увеличена допустимая длина. Это способствует более компактной упаковке и лучшим условиям охлаждения внутри корпуса компьютера, удешевляет конструкцию. Тут компактные семиконтактные разъемы соединяются узким уплощенным кабелем шириной примерно 8 мм и толщиной около 2 мм. Внутри кабеля Serial ATA находятся две пары сигнальных проводов (одна пара на прием, другая — на передачу), отделенных тремя жилами общего провода («земли»). На разъеме, расположенном на дисках и материнских платах, три «земляных» контакта выступают чуть дальше сигнальных контактов, чтобы облегчить «горячее» подключение (рис. 1−5).

Еще одно преимущество Serial ATA — большая полоса пропускания, нежели у Parallel ATA. Первая версия интерфейса Serial ATA обладает пропускной способностью до 1,5 Гбит/с (это около 150 Мбайт/с для полезных данных против 100−130 Мбайт/с у параллельного интерфейса). Однако в дальнейшем второе и третье поколение Serial ATA увеличат скорость до 3 и 6 Гбит/с соответственно.

Запас скорости интерфейса сейчас кажется очень большим. Действительно, нынешние IDE-винчестеры со скоростью чтения полезных данных до 50 Мбайт/с, практически насытили интерфейс UltraATA/100. Потому что два таких диска на одном IDE-шлейфе уже не могут сосуществовать без теоретической потери скорости, поскольку реально UltraATA/100 дает примерно 90 Мбайт/с потоковой пропускной способности, а это близко к пределу интерфейса UltraATA/133. В то же время, добираться до 150 Мбайт/с одиночным диском придется еще очень долго, лет пять, а то и больше, то есть даже первой версии Serial ATA обеспечена долгая жизнь.

1.5. Накопители на гибких магнитных дисках

Гибкий (floppy) диск (дискета) — круг лавсановой пленки с магнитным покрытием, помещенный в защитный конверт еще недавно был единственным сменным носителем информации в компьютере, ведь первые PC (до РС ХТ) других дисков не имели. Первые дискеты для РС были размера 5,25″, портативные РС потребовали формата 3,5″, однако позднее они стали применяться на всех компьютерах, и вытеснили дискеты 5,25″ .

Емкость первых 5,25″ дискет для РС была не велика, сначала 360 Кбайт, а затем 1200 Кбайт. Первые дискеты 3,5″ сразу были большей емкости, сначала 720 Кбайт, а затем 1440 Кбайт. Позднее был разработан стандарт на 3,5″ дискеты емкостью 2880 Кбайт, но они получили меньшее распространение, тем более что появились разработанные по новой технологии дискеты сразу почти в 100 раз большей емкости.

Информация на дискету записывается с двух сторон, с каждой из которых располагается 80 дорожек. Головки на верхней и нижней сторонах дискеты смещены друг относительно друга, чтобы они не мешали подтягивать (для уменьшения зазора) поверхность дискеты к головкам за счет аэродинамических эффектов при вращении носителя. Также в зависимости от формата каждая сторона разбивается на определенное количество секторов.

В дисководах (рис. 1−6) для гибких дисков (дискет) головки записи/чтения при его работе непосредственно касаются поверхности дискеты, поэтому скорость вращения значительно ниже (300 или 360 оборотов в минуту) и дискеты быстрее выходят из строя. Для уменьшения трения дискеты покрывают защитным слоем тефлона (фр. тефаль) — материала с очень низким коэффициентом трения. Они дороже раза в полтора, но зато служат гораздо дольше.

1.6. Оптические диски

В эту группу объединены носители, которые для считывания информации используется чисто оптический принцип, когда 1 или 0 распознаются по различной фазе отраженного лазерного луча от поверхности с различным состоянием, созданным при записи данных.

WORM — накопители (Write Once Read Many — одна запись много считываний) представляют собой диск, помещенный обычно в прочный картридж 5,25″, по конструкции подобный дискете 3,5″. Запись информации сводится к тому, что на светлой поверхности диска там, где это нужно, выжигаются лазерным лучом микроскопические темные пятнышки. Емкость накопителя составляет от 650 Мбайт до 1,3 Гбайт.

Для записи поверхность магнитооптического диска прогревают лазерным лучом до температуры легкого перемагничивания (точки Кюри). Обычно сначала при постоянном нагреве намагничивают записываемый участок в одном направлении, а потом импульсным нагревом перемагничивают нужные точки. Это долго, требуется два оборота диска. Новейшие устройства способны создавать быстропеременное магнитное поле нужной силы и записывают за один оборот. Так что и по скорости записи магнитооптика догоняет винчестер. При этом, как и винчестер позволяют многократно перезаписывать информацию и подобно дискете заменять носитель. Такое сочетание свойств объясняет большую популярность МО в мире.

В конце 70-х годов компания Philips выпустила первые компакт-диски (CD — Compact-Disk). Вначале они предназначались для 14-разрядной звуковой записи продолжительностью звучания 60 минут. Диаметр тех дисков был несколько меньше диаметра современных компакт-дисков, который равен 12 см (4,75 дюйма). Вскоре Philips обменялась патентами с Sony, в результате чего был издан совместный стандарт. Стандарт определял характеристики аудиодисков (CD-DA — Compact-Disk Digital Audio — компакт-диск для цифровой аудиозаписи). Запись звука стала 16-разрядной, а продолжительность звучания не менее 72 минут (говорят, что длительность определялась возможностью записи на один диск Девятой симфонии Бетховена). При непрерывном чтении и воспроизведении музыки для этого оказалось достаточно скорости чтения 150 Кбайт/с. Теперь приводы CD-ROM работают с существенно большей кратностью чтения до 56Х (рис. 1−7).

Впоследствии были выпущены стандарты для других типов компакт-дисков. Компании Philips и Sony в декабре 1994 года объявили, что разработан проект стандарта, названного MMCD (MultiMedia Compact Disk). Диск с однослойной записью мог иметь емкость 3,7 Гбайт. При помощи компании ЗМ была разработана технология 2-cлoйной записи для проекта MMCD. В этом случае емкость диска удваивалась. Такие параметры уже могли обеспечить проигрывание цифрового видео в формате MPEG-2 (Motion Picture Experts Group) в течение 135 и 270 минут соответственно.

Параллельно, другой альянс — 'Toshiba-Time Warner — при поддержке Matsushita, Thomson, Hitachi, Pioneer, МСА и MGM/UA разработал свой вариант компакт-диска повышенной емкости — SD (Super Density). Проект SD был анонсирован в январе 1995 года. Согласно этому предложению, диск был, как бы склеен из двух одинаковых пластинок. В зависимости от количества слоев и используемых сторон емкость диска могла составлять 5, 9, 10 и 18 Гбайт.

Для объединения этих разработок был представлен новый стандартDVD. Тогда эта аббревиатура расшифровывалась как Digital Video Disk — цифровой видеодиск.

Окончательный вариант DVD представляет собой два склеенных диска диаметром 12 сантиметров. Толщина каждого диска — 0,6 мм, общая толщина — 1,2 мм, как у обычных CD. Каждая из пластинок представляет собой сторону DVD-диска. Технология позволяет записывать на каждой из сторон два слоя данных. Таким образом, в зависимости от количества задействованных сторон и слоев, информационная емкость DVD-диска сможет составлять от 1 слоя, 1 стороны — 4,7 Гбайт до 2 слоев, 2 сторон (DLDS) — 17,0 Гбайт. Эти диски получили многоцелевое назначение и стали расшифровываться как DVD (Digital Versatile Disk — цифровой многоцелевой диск).

1.7. Блоки расширения

Блоки (платы) расширения или карты (Card), как их иногда называют, могут использоваться для обслуживания устройств, подключаемых к IBM PC. Они могут использоваться для подключения дополнительных устройств (адаптеров дисплея, контроллера дисков и т. п.). Если оборудование умещается на одной плате, то его можно разместить внутри корпуса системного блока. Если же оно не помещается в корпус, например, в случае с монитором, то внутри размещается только плата управления или согласования, соединяющаяся с оборудованием с помощью кабеля, который можно подключить через соединитель (Connector), расположенный на задней стенке корпуса (точнее, соединитель располагается обычно непосредственно на торце платы). Каждой плате расширения, устанавливаемой в слот (Slot) на материнской плате, соответствует специальное отверстие в задней стенке корпуса, закрытое заглушкой, если оно не используется. При установке платы ее торец вместо заглушки становится элементом задней стенки компьютера.

Необходимо отметить, что соотношение между оборудованием, размещаемым на материнской плате и устанавливаемым дополнительно в слоты, постепенно изменяется, с одной стороны, в пользу размещения оборудования на плате, а, с другой стороны, в пользу передачи реализации этих функций процессору. Так в ММХ — компьютерах обработку звука, фото — и видео — изображений, а также телекоммуникации — все это почти полностью взял на себя процессор, поэтому функции дополнительных устройств существенно упростились.

Для воспроизводства качественного звука уже довольно давно появились звуковые платы (SoundCard), преобразующие цифровой код в нормальный звуковой сигнал для обычных акустических колонок (Speaker). Впрочем, колонки чаще используют специальные, очень малогабаритные, чтобы держать их рядом с компьютером. А неизбежные при таких размерах дефекты звучания компенсируют цифровой коррекцией сигнала.

Первой приобрела популярность, достаточную для массового выпуска, плата Sound Blaster. Сегодня почти все звуковые платы обеспечивают совместимость с нею (рис. 1−8). Современные звуковые платы могут не просто воспроизвести объемный звук, но и объемный управляемый в зависимости от изображения на экране.

В персональных компьютерах видео платы (VideoCard), прежде всего, предназначались для согласования с монитором (видеоадаптеры), затем вывода на экран графики понадобились ускорители (видео акселераторы).

РС начинают загрузку с режима VGA — Video Graphic Array (640×480 пикселей — picture element, pixel). Режим SuperVGA, формат 800×600 пикселей нужен, чтобы при оформлении одиночного документа было доступно все богатство шрифтов системы Windows. Для верстки журналов и газет требуется, хотя бы 1024×768, а лучше — 1280×1024 пикселей. Иначе не разглядишь, как стыкуются отдельные фрагменты. Рисование идет быстро на экране с разрешением 1280×1024 — 1600×1200, с меньшим форматом придется постоянно переключаться на крупномасштабный просмотр фрагментов и т. д.

Если умножить шаг (расстояние между центрами пикселей) на требуемое число пикселей в строке, а затем помножить на 1,25 (отношение длины диагонали экрана к длине его строки), то получится длина в миллиметрах диагонали нужного монитора. (В дюймах — поделите на 25,4). Так, что для современных персональных компьютеров требуется монитор с размером по диагонали не менее 15 (лучше 17) дюймов (рис. 1−9).

Поскольку в компьютере видеоадаптер непосредственно управляет работой монитора, формируя кадры, их смену, цветопередачу и т. п., эти два устройства лучше рассматривать вместе, тем более что именно работа монитора существенно влияет на здоровье пользователя компьютера.

Монитор, как любой телевизор, излучает электромагнитные волны во всех диапазонах — от частоты развертки кадров (50−160 Гц), до рентгеновского диапазона. Самый жесткий стандарт на уровень излучений монитора приняла Швеция (MPRII). Этому стандарту старались удовлетворить изготовители мониторов во всем мире. Еще более жесткие ограничения выдвигает стандарт ТСО95 и ТСО99.

Немаловажное значение имеет наличие специального покрытия экрана монитора. Яркий пример — покрытие типа AGARAS (AntiGlare, Anti-Reflection, Anti-Static) компании Panasonic, исключающее возникновение бликов, отражение и накапливание статического электричества. Покрытие представляет собой нанесенный с внутренней стороны экрана многослойный металлизированный полимер, обладающий высокой поглощающей способностью, так что дополнительных навесных защитных экранов не требуется. Особенностью данного покрытия является отсутствие снижения яркости, присущего аналогичным покрытиям других фирм.

Видеоадаптер также управляет цветовой гаммой изображения. Режим VGA использует 16-цветные изображения (полбайта на пиксель), СуперVGA начинается с 256-цветных (1 байт) изображений. Вполне телевизионное качество обеспечивают 65 536 цветов (16 бит или 2 байта на пиксел), обозначаемое HighColor, а 16 777 216 цветов (24 бита или 3 байта), обозначаемое TrueColor — это все, что способен различить наш глаз. В режиме TrueColor идет отдельное управление градациями яркости каждого из трех лучей электронной трубки: красным (Red) — 1 байт (256 градаций), зеленым (Green) — 1 байт (256 градаций) и синим (Blue) — 1 байт (256 градаций), что и дает указанное 16,7 М сочетаний.

Теперь определим необходимый объем встроенной видеопамяти. Чтобы узнать объем памяти видеоадаптера для обеспечения требуемого режима, достаточно умножить общее число точек на экране на число байт, обеспечивающих цвет одной точки, например: 640×480×3 байта = 921 600 байт или с округлением до стандартного значения — 1 Мбайт.

Большая часть изображений строится из простейших стандартных элементов — прямая, прямоугольник, эллипс и т. п. Для их рисования созданы специализированные сопроцессоры — видеоускорители (Video Accelerator). Из наиболее распространенных моделей, Cirrus Logic — самые медленные, Trident — быстрее, а Western Digital (Paradize) — самые быстрые.

Ускорители обычно входит в состав видеоадаптера, и различаются по своим параметрам, но все они обеспечивают вывод фрагментов, характерных для Windows, которые ей необходимы. Большинство нынешних видеоадаптеров содержат аппаратно реализованные ускорители (встроенные процессоры, иногда 2 на плате с собственным охлаждением) и поэтому стоят заметно дороже: несколько сотен долларов.

2. Периферийное оборудование

2.1. Устройства ввода

Клавиатура. За время, прошедшее с выпуска первого РС, фирма IBM разработала 3 типа клавиатур (рис. 2−1):

— 83-клавишная клавиатура РС ХТ;

— 84-клавишная клавиатура АТ;

— 101-клавишная улучшенная клавиатура.

Улучшенная 101-клавишная клавиатура была выпущена в 1986 году, она разработана в соответствии с международными правилами и требованиями и превратилась в стандарт.

Клавиатура может быть условно разделена на четыре области:

— область печати (алфавитно-цифровая клавиатура);

— дополнительная цифровая клавиатура;

— клавиши управлением курсором и экраном;

— функциональные клавиши.

В двух язычных вариантах клавиатура содержит 102 клавиши и раскладка в ней отличается от американской. Клавиатура состоит из набора переключателей, объединенных в матрицу. При нажатии на клавишу процессор, установленный в самой клавиатуре, определяет координаты нажатой клавиши в матрице. В клавиатуре установлен собственный буфер емкостью 16 байт, в который заносятся данные при слишком быстром нажатии клавиш.

Клавиатура сама представляет собой небольшой компьютер. Связь с системным блоком осуществляется через последовательную линию связи, данные по которой передаются «кадрами» по 11 бит, 8 из которых — данные, а остальные — синхронизирующие и управляющие. Эта связь — двунаправленная: клавиатура может, как передавать, так и принимать данные. «Кадр» данных содержит скан-код нажатой клавиши. Фирма IBM назначила каждой клавише уникальный номер и в соответствии с этими номерами для 102 клавишной клавиатуры убрана клавиша 29, расположенная над клавишей Enter, которая из-за этого стала занимать два ряда, и приняла форму угла, и добавлены клавиши 42 и 45. Так, что различить 101 — и 102 — клавишные клавиатуры легко по виду Enter.

При переходе от операционной системы MS-DOS к Windows95, для удобства работы с ней, выпустили клавиатуру, отмеченную логотипом Windows и снабженную дополнительными клавишами (с двух сторон между Ctrl и Alt и также с данным логотипом). С помощью них можно вызвать главное меню программ, а также дополнительной клавишей — меню для работы с выделенным фрагментом текста.

Мышь изобрел в 1964 году Дуглас Энглбарт в Стэндвордском исследовательском институте. Официально это устройство было названо «указателем XY-координат для дисплея». Впервые мышь была использована в компьютере в 1973 году фирмой Xerox для графического интерфейса. В 1979 году эту идею заимствовала фирма Apple, применив ее в последствии в компьютере Lisa (1983 г.) и Macintosh (1984 г.). Дальнейшее широкое распространение мыши вызвано переходом на операционные оболочки, а затем операционные системы с графическим пользовательским интерфейсом (Windows, OS/2 и т. п.).

Не смотря на теперешнее разнообразие этих устройств, все они работают практически одинаково. Рука двигает маленькую коробочку. В ней — шарик, катающийся по поверхности стола. К шарику прижаты два взаимно перпендикулярных ролика, которые он вращает. Датчики поворота роликов передают сигналы в компьютер. Хвост из проводов, по которым идут сигналы, дал устройству прозвище «мышь». Впрочем, можно обойтись и без проводов (рис. 2−2). Нынешние радиопередатчики достаточно малы, чтобы спрятать их в мышку, и достаточно слабы, чтобы не мешать окружающим. Такая «бесхвостая» мышь в работе удобнее, но стоит дороже обычной.

В первых мышах датчики поворота были электромеханические. С роликом связан диск, скользящий по контактной щетке. На диске чередуются проводящие и изоляционные штрихи. И в электрической цепи возникают импульсы тока. Но контакты быстро изнашиваются, а еще быстрее загрязняются. Чтобы не терять импульсы, используют оптический датчик, состоящий из пары «светодиод — фотодиод», между которыми расположен зубчатый диск.

Оптика позволяет вообще отказаться от дисков и шарика. Под коробочку с фотоэлементами подкладывают пластину с перекрещенными линиями. При движении мыши каждая такая линия дает импульс. Однако разрешающая способность оптики ограничена нарисованными на подкладке линиями, да и саму подкладку надо всегда иметь вместе с мышью, поэтому оптические мыши пока не вытеснили обычные (роликовые).

Число импульсов на единицу пройденного мышкой пути зависит от ее конструкции. Но программа (драйвер), следящая за этими импульсами, может в зависимости от настройки какие-то из них пропускать. Так регулируется зависимость перемещений указателя от движений мыши. Сложные драйверы меняют чувствительность в зависимости от частоты импульсов. Благодаря этому можно коротким, но быстрым движением перебросить указатель через весь экран, а затем плавно привести его точно в нужное место.

Кнопки на мыши позволяют отмечать места, в которых оказывается ее указатель. В мышках фирмы Apple кнопка всего одна — программы построены так, что ее хватает. Мышки Microsoft (в соответствии с особенностями программ этой фирмы) двухкнопочные. Lagitech выпускает трехкнопочные мыши. Но средняя (третья) кнопка нужна очень редко, и в двухкнопочных вместо нее используют одновременное нажатие двух имеющихся.

Для перемещения мыши нужно место, хотя бы размером с обычную книгу. Причем гладкое (иначе указатель будет двигаться рывками), но не слишком (чтобы шарик не проскальзывал). Если на столе не хватает места для подкладки под мышь или стола нет вообще, как при работе Laptop или Noutbook, то мышку можно перевернуть и двигать ее шарик непосредственно пальцем. Можно перенести и кнопки на новый верх — получится Track Ball — «следящий шар». (Хотя, это название обычно не переводят). Трекбол не требует места. Большинство переносных компьютеров (ноутбуков) имеют трекбол, встроенный прямо в клавиатуру. Управлять трекболом (при должном навыке) можно гораздо точнее, чем мышью — если, конечно, шар достаточно велик. И надежность лучше: провода не перегибаются постоянно, поэтому не ломаются.