1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Бурятский Региональный Центр Федерации Интернет-Образования

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

«Классификация ЭВМ»

Улан-Удэ, 2001

2

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭВМ

По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса:

аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ).

Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма

представления информации, с которой они работают. ЦВМ работают с информацией,

представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме. АВМ работают с

информацией, представленной в непрерывной форме, т.е. в виде непрерывного ряда

значений какой-либо величины (чаще всего электрического напряжения). ГВМ работают

с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме. ГВМ

целесообразно использовать для решения задач управления сложными

быстродействующими техническими комплексами.

Наиболее широкое применение получили ЦВМ с электрическим представлением

дискретной информации - электронные вычислительные машины (ЭВМ).

По этапам создания и используемой элементной базе ЭВМ условно делятся на

поколения:

1–е поколение, 50-е годы: ЭВМ на электронных вакуумных лампах;

2–е поколение, 60-е годы: ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах

(транзисторах);

3–е поколение, 70-е годы: ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с

малой и средней степенью интеграции (сотни - тысячи транзисторов в одном корпусе);

4–е поколение, 80-е годы: ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах

– микропроцессорах (десятки тысяч – миллионы транзисторов в одном кристалле);

5–е поколение, 90-е годы: ЭВМ с многими десятками параллельно работающих

микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний;

ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой,

одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы;

6–е поколение и последующие поколения: оптоэлектронные ЭВМ с массовым

параллелизмом и нейронной структурой – с распределенной сетью большого числа

(десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных

биологических систем.

Каждое следующее поколение ЭВМ имеет по сравнению с предшествующими

существенно лучшие характеристики.

По назначению ЭВМ можно разделить на три группы: универсальные (общего

назначения), проблемно-ориентированные и специализированные.

Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженерно-

технических задач: математических, экономических, информационных и других задач,

3

отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных.

Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач,

связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией,

накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных. К проблемно-

ориентированным ЭВМ можно отнести управляющие вычислительные комплексы.

Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или

реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ

позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и

стоимость. К специализированным ЭВМ можно отнести программируемые

микропроцессоры специального назначения, адаптеры и контроллеры, выполняющие

логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами,

агрегатами и процессами.

По размерам и функциональным возможностям ЭВМ можно разделить на

суперЭВМ, большие, малые и микроЭВМ.

Таблица 1. Сравнительные параметры классов современных ЭВМ Параметр СуперЭВМ Большие ЭВМ Малые ЭВМ МикроЭВМ

Производительность,

MIPS

1000 – 100000 10 -1000 1 – 100 1-100

Емкость ОП, Мбайт 2000 –10000 64 - 10000 4 –512 4 - 256

Емкость ВЗУ, Гбайт 500 –5000 50 - 1000 2 - 100 0,5 - 10

Разрядность, бит 64 - 128 32 – 64 16 - 64 16 - 64

Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементная база которых прошла

путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции.

Производительность больших ЭВМ оказалась недостаточной для ряда задач:

прогнозирования метеообстановки, управления сложными оборонными комплексами и

др. Это явилось предпосылкой для разработки и создания суперЭВМ, интенсивно

развивающихся и в настоящее время.

Появление в 70-х годах малых ЭВМ обусловлено, с одной стороны, прогрессом в

области элементной базы, а с другой – избыточностью ресурсов больших ЭВМ для ряда

приложений.

Дальнейшие успехи в области элементной базы и архитектурных решений привели

к возникновению супермини-ЭВМ – вычислительной машины, относящейся по

архитектуре, размерам и стоимости к классу малых ЭВМ, но по производительности

сравнимой с большой ЭВМ.

Изобретение в 1969 г. микропроцессора (МП) привело к появлению в 70–х годах

4

еще одного класса ЭВМ - микроЭВМ. Именно наличие МП служило первоначально

определяющим признаком микроЭВМ. Сейчас микропроцессоры используются во всех

без исключения классах ЭВМ.

Рис. 1. Классификация микроЭВМ

Многопользовательские микроЭВМ – это мощные микроЭВМ, оборудованные

несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что

позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям.

Персональные компьютеры (ПК) – однопользовательские микроЭВМ,

удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения.

Рабочие станции – представляют собой однопользовательские мощные микроЭВМ,

специализированные для выполнения определенного вида работ (графических,

издательских и др.).

Серверы - многопользовательские мощные микроЭВМ в вычислительных сетях,

выделенные для обработки запросов от всех станций сети.

Основными характеристиками микроЭВМ являются быстродействие,

производительность, тактовая частота. Единицами измерения быстродействия служат:

• МИПС (MIPS — Mega Instruction Per Second) — миллион операций над числами с

фиксированной запятой (точкой);

• МФЛОПС (MFLOPS — Mega FLoating Operations Per Second) — миллион

операций над числами с плавающей запятой (точкой);

• КОПС (КOPS — Kilo Operations Per Second) для низкопроизводительных ЭВМ —

тысяча неких усредненных операций над числами;

• ГФЛОПС (GFLOPS — Giga FLoating Operations Per Second) — миллиард операций

в секунду над числами с плавающей запятой (точкой).

Оценка производительности ЭВМ всегда приблизительная, ибо при этом

ориентируются на некоторые усредненные или, наоборот, на конкретные виды операций.

МИКРОЭВМ

УНИВЕРСАЛЬНЫЕ СПЕЦИАЛИЗИРОВАНН

Многопользо-вательские

Однопользо-вательские

(персональные)

Многопользо-вательские (серверы)

Однопользо-вательские

(рабочие станции)

5

Реально при решении различных задач используются и различные наборы операций.

Поэтому для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают

тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины, так как

каждая операция требует для своего выполнения вполне определенного количества

тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения

любой машинной операции.

СТРУКТУРА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

Персональный компьютер – универсальная техническая система. Его

конфигурацию (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости.

Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. В

таком комплекте компьютер обычно поставляется. Понятие базовой конфигурации

может меняться. В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают четыре

устройства: системный блок, монитор, клавиатуру, мышь.

Достоинствами ПК являются: малая стоимость, находящаяся в пределах

доступности для индивидуального покупателя; автономность эксплуатации без

специальных требований к условиям окружающей среды; гибкость архитектуры,

обеспечивающая ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления,

науки, образования, в быту; "дружественность" операционной системы и прочего

программного обеспечения, обусловливающая возможность работы с ней пользователя

без специальной профессиональной подготовки; высокая надежность работы (более 5

тыс. ч наработки на отказ).

Системный блок

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены

наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока,

называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют

внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и

длительного хранения данных, также называют периферийными.

По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса. Корпуса

персональных компьютеров выпускают в горизонтальном (desktop) и вертикальном

(tower) исполнении. Корпуса, имеющие вертикальное исполнение, различают по

габаритам: полноразмерный (big tower), среднеразмерный (midi tower) и малоразмерный

(mini tower). Среди корпусов, имеющих горизонтальное исполнение, выделяют плоские и

особо плоские (slim).

Кроме формы, для корпуса важен параметр, называемый форм-фактором. От него

зависят требования к размещаемым устройствам. В настоящее время в основном

используются корпуса двух форм-факторов: АТ и АТХ. Форма фактор корпуса должен

6

быть обязательно согласован с форм-фактором системной платы компьютера, так

называемой материнской платы.

Корпуса персональных компьютеров поставляются вместе с блоком питания и,

таким образом, мощность блока питания также является одним из параметров корпуса.

Для массовых моделей достаточной является мощность блока питания 200-250 Вт.

Рис. 2. Структурная схема персонального компьютера

Микропроцессор

Неотъемлемым компонентом любой ЭВМ является центральный процессор. Чаще

всего это большая интегральная схема, представляющая собой кремниевый кристалл в

пластмассовом, керамическом или металлокерамическом корпусе, на котором

расположены выводы для приема и выдачи электрических сигналов. Степень интеграции

интегральной схемы определяется размером кристалла и количеством размещенных в

нем транзисторов.

Основные функции микропроцессора – выполнение вычислений, пересылка данных

между внутренними регистрами, управление ходом вычислительного процесса.

Микропроцессор непосредственно взаимодействует с оперативной памятью и

контроллерами системной платы. Главными носителями информации внутри процессора

Математический сопроцессор

Процессор

Основная память

Постоянное запоминающее устройство

(ПЗУ)

Оперативное запоминающее устройство

(ОЗУ)

Внешняя память

Накопители на жестком магнитном диске

Накопители на гибком

магнитном диске

Контроллер НЖМД Контроллер НГМД

Системная шина

Видеокарта Адаптер

принтера Блок

питания Контроллер клавиатуры

Монитор

Принтер

Генератор тактовых импульсов

Канал связи

Сетевая карта

Клавиатура

Таймер

7

служат регистры.

В состав микропроцессора входят АЛУ, устройство управления, внутренние

регистры. Устройство управления вырабатывает управляющие сигналы для выполнения

команд, АЛУ – арифметические и логические операции над данными. Оно может

состоять из нескольких блоков, например, блока обработки целых чисел и блока

обработки чисел с плавающей запятой.

В современных микропроцессорах в основу работы каждого блока положен

принцип конвейера, который заключается в следующем. Реализация каждой машинной

команды разбивается на отдельные этапы (как правило, это выборка команды из памяти,

декодирование, выполнение и запись результата). Выполнение следующей команды

программы может быть начато до завершения предыдущей (например, пока первая

команда выполняется, вторая может декодироваться, третья – выбираться и т.д.). Таким

образом, одновременно микропроцессор выполняет несколько следующих друг за другом

команд программы, и время на выполнение каждой команды уменьшается в несколько

раз. Если в микропроцессоре имеется несколько блоков обработки, в основу работы

которых положен принцип конвейера, то его архитектуру называют суперскалярной.

Поскольку в программе могут встречаться команды передачи управления,

выполнение которых зависит от результатов выполнения предшествующих команд, в

современных микропроцессорах при использовании конвейерной архитектуры

предусматриваются механизмы предсказания переходов – так называемое «исполнение

по предположению и изменением последовательности». Это означает, что если в очереди

команд появилась команда условного перехода, предсказывается, какая команда будет

выполняться следующей до определения признака перехода. Выбранная ветвь

программы выполняется в конвейере, но запись результата осуществляется только после

вычисления признака перехода в случае, если переход выбран верно. Если выбор ветви

программы ошибочен, микропроцессору приходится вернуться назад и выполнить

правильные операции в соответствии с вычисленным признаком перехода.

Чем шире набор системных команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем

длиннее формальная запись команды (в байтах), тем выше средняя продолжительность

исполнения одной команды, измеренная в тактах работы процессора. Так, например,

система команд процессоров Intel в настоящее время насчитывает более тысячи

различных команд. Такие процессоры называют процессорами с расширенной системой

команд – CISC-процессорами (CISC – Complex Instruction Set Computing).

В противоположность CISC-процессорам в середине 80-годов появились

процессоры архитектуры RISC с сокращенной системой команд (RISC – Reduced

Instruction Set Computing). При такой архитектуре количество команд в системе намного

8

меньше, и каждая из них выполняется намного быстрее. Таком образом, программы,

состоящие из простейших команд, выполняются этими процессорами много быстрее.

Оборотная сторона сокращенного набора команд состоит в том, что сложные операции

приходится кодировать далеко не эффективной последовательностью простейших

команд сокращенного набора.

В результате конкуренции межу двумя подходами к архитектуре процессоров

сложилось следующее распределение их сфер применения:

• CISC-процессоры используют в универсальных вычислительных системах;

• RISC-процессоры используют в специализированных вычислительных системах

или устройствах, ориентированных на выполнение единообразных операций.

Основными параметрами процессоров являются: рабочее напряжение, разрядность,

рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и

размер кэш-памяти.

Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным

маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать

совместно). По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение

рабочего напряжения. Ранние модели процессоров х86 имели рабочее напряжение 5В. С

переходом к процессорам Pentium оно было понижено до 3.3В, а в настоящее время оно

составляет менее 3В. Причем ядро процессора питается пониженным напряжением 2.2В.

Понижение рабочего напряжения позволяет уменьшить расстояния между структурными

элементами в кристалле процессора до десятитысячных долей миллиметра, не опасаясь

электрического пробоя. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается

тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать его производительность без

угрозы перегрева.

Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая, в отличие от

процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводников и

микросхем. По чисто физическим причинам материнская плата не может работать со

столь высокими частотами, как процессор. Сегодня ее предел составляет 100-400 МГц.

Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение

частоты на коэффициенты 3; 3.5; 4; 4.5, 5 и более.

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен

с другими устройствами, например, с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить

количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную

область – так называемую кэш-память. Это как бы «сверхоперативная память». Когда

процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш память, и только если там

нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память.

9

Основная память

Основная память содержит оперативное (RAM — Random Access Memory —

память с произвольным доступом) и постоянное (ROM — Read-Only Memory)

запоминающие устройства.

Оперативное запоминающее устройство предназначено для хранения информации

(программ и данных), непосредственно участвующей в вычислительном процессе на

текущем этапе функционирования ПК. ОЗУ — энергозависимая память: при

отключении напряжения питания информация, хранящаяся в ней, теряется.

Оперативная память – это массив кристаллических ячеек, способных хранить

данные. С точки зрения физического принципа действия различают динамическую

память (DRAM) и статическую память (SRAM).

Ячейки динамической памяти (DRAM) можно представить в виде

микроконденсаторов, способных накапливать заряд на обкладках. Это наиболее

распространенный и экономически доступный тип памяти. Недостатки этого типа

связаны, во-первых, с тем, что как при заряде, так и при разряде конденсаторов

неизбежны переходные процессы, т.е. запись данных происходит сравнительно

медленно. Второй важный недостаток связан с тем, что заряды ячеек имеют свойство

рассеиваться в пространстве, причем весьма быстро. Если оперативную память

постоянно не «подзаряжать», утрата данных происходит через несколько сотых долей

секунды. Для борьбы с этим явлением в компьютере происходит постоянная регенерация

(освежение, подзарядка) ячеек оперативной памяти. Регенерация осуществляется

несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов

вычислительной системы.

Ячейки статической памяти (SRAM) можно представить как электронные

микроэлементы – триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В триггере хранится

не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает

существенно более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и,

соответственно, дороже.

Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной

памяти компьютера. Микросхемы статической памяти используют в качестве кэш-

памяти.

Конструктивно модули памяти имеют два исполнения – однорядные (SIMM-

модули) и двухрядные (DIMM-модули).

Основными характеристиками модулей оперативной памяти являются объем

памяти и время доступа. SIMM-модули поставляются объемами 4, 8, 16, 32 Мбайт, а

10

DIMM-модули – 16, 32, 64, 128, 256 и более. Время доступа показывает, сколько времени

необходимо для обращения к ячейкам памяти – чем оно меньше, тем лучше. Время

доступа измеряется в миллиардных долях секунды (наносекундах, нс). Типичное время

доступа к оперативной памяти для SIMM-модулей – 50-60 нс. Для современных DIMM-

модулей на базе SDRAM (Syncronous DRAM) оно составляет 7-10 нс.

В ближайшем будущем, вероятно, получит распространения новый тип памяти –

Direct Rambus (RDRAM), в котором управление адресацией отделено от работы с

данными. Система состоит из контроллера, подсоединенного к одному или нескольким

модулям Direct Rambus DRAM (RIMM), и обеспечивает быстродействие в несколько раз

выше, чем у распространенного сегодня типа памяти SDRAM.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)

В момент включения компьютера в его оперативной памяти данные отсутствуют,

поскольку оперативная память не может ничего хранить без подзарядки ячеек более

сотых долей секунды, но процессору нужны команды, в том числе и в первый момент

после включения. Поэтому сразу после включения на адресной шине процессора

выставляется стартовый адрес. Это происходит аппаратно, без участия программ (всегда

одинаково). Процессор обращается по выставленному адресу за своей первой командой и

далее начинает работать по программам.

Этот исходный адрес не может указывать на оперативную память, в которой пока

ничего нет. Он указывает на постоянное запоминающее устройство. Микросхема ПЗУ

способна длительное время хранить информацию, даже когда компьютер выключен.

Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода

(BIOS – Basic Input Output System). Основное назначение программ этого пакета состоит

в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной системы и обеспечить

взаимодействие ее компонентов.

Микропроцессорный комплект (чипсет)

Параметры микропроцессорного комплекта (чипсета) в наибольшей степени

определяют свойства и функции материнской платы. В настоящее время большинство

чипсетов материнских плат выпускаются на базе двух микросхем, получивших название

«северный мост» и «южный мост».

«Северный мост» управляет взаимосвязью четырех устройств: процессора,

оперативной памяти, порта AGP и шины PCI. «Южный мост» называют также

функциональным контроллером. Он выполняет функции контроллера жестких и гибких

дисков, функции моста ISA-PCI, контроллера клавиатуры, мыши, шины USB и др.

11

СИСТЕМНАЯ ШИНА

В вычислительной системе, состоящей из множества подсистем, необходим

механизм для их взаимодействия. Эти системы должны быстро и эффективно

обмениваться данными. Механизмом, позволяющим организовывать взаимодействие

различных подсистем, является системная шина, к которой подключаются все

подсистемы. Поскольку такая шина является единственным местом подключения для

различных устройств, новые устройства могут быть легко добавлены, и одни и те же

периферийные устройства применяются в различных вычислительных системах,

имеющих однотипную шину.

Системная шина ISA (Industry Standard Architecture) впервые стала применяться в

персональных компьютерах на базе процессора i286. Она обеспечила простое

подключение новых устройств через стандартные разъемы (слоты). Пропускная

способность шины ISA составляет до 5,5 Мбайт/c, но несмотря на низкую пропускную

способность, эта шина продолжает использоваться в компьютерах для подключения

сравнительно медленных внешних устройств, например, звуковых карт и модемов.

Для увеличения производительности системы с 1991 года стали использовать так

называемые локальные шины, связывающие процессор непосредственно с

контроллерами периферийных устройств.

Процессорно-независимая шина PCI (Peripheral Component Interconnect – стандарт

подключения внешних компонентов), работает с тактовой частотой 33 МГц и высокой

скоростью передачи данных (528 Мбайт/с). Для шины PCI выпущены многе адаптеры

периферийных устройств – видеоплаты, контроллеры дисков, сетевые адаптеры и др.

Важным нововведением, реализованным этим стандартом, стала поддержка так

называемого режима plug-and-play, впоследствии оформившегося в промышленный

стандарт на самоустанавливающиеся устройства. Его суть состоит в том, что после

физического подключения внешнего устройства к разъему шины PCI происходит обмен

данными между устройством и материнской платой, в результате которого устройство

автоматически получает номер используемого прерывания, адрес порта подключения и

номер канала прямого доступа к памяти.

Видеоадаптер – устройство, требующее особенно высокой скорости передачи

данных. Сегодня параметры шины PCI уже не соответствуют требованиям

видеоадаптеров, поэтому 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 намного

более высокую пропускную способность – до 1066 Мбайт/с.

12

USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная магистраль). Это одно

из последних нововведений в архитектурах материнских плат. USB позволяет

подключать до 256 устройств, имеющих последовательный интерфейс. Устройства

подключаются цепочками (каждое следующее – к предыдущему). Производительность

шины USB составляет 1,5 Мбит/c, но для таких устройств, как клавиатура, мышь, модем

этого достаточно. Преимущество шины состоит в том, что 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.

ВНЕШНЯЯ ПАМЯТЬ

Устройства внешней памяти или, иначе, внешние запоминающие устройства

весьма разнообразны. Их можно классифицировать по целому ряду признаков: по виду

носителя, типу конструкции, по принципу записи и считывания информации, методу

доступа и т.д.

Носитель — материальный объект, способный хранить информацию.

Один из возможных вариантов классификации ВЗУ приведен на рис. 3.

В зависимости от типа носителя все ВЗУ можно подразделить на накопители с

последовательным доступом (магнитная лента) и накопители с произвольным

доступом (дисковые накопители).

Накопители на магнитной ленте, в свою очередь, бывают двух видов: накопители

на бобинной магнитной ленте (НБМЛ) и накопители на кассетной магнитной ленте

(НКМЛ – стриммеры). В ПК используются только стриммеры.

Рис. 3. Классификация ВЗУ

Диски относятся к машинным носителям информации с прямым доступом. Понятие

Внешние запоминающие устройства

Ленточные Дисковые

Бобинные Кассетные Оптические Смешанные Магнитные

Сменные носители Несменные носители

13

прямой доступ означает, что ПК может "обратиться" к дорожке, на которой начинается

участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию, непо-

средственно, где бы ни находилась головка записи/чтения накопителя.

Накопители на дисках более разнообразны:

• накопители на гибких магнитных дисках (НГМД), иначе, на флоппи-дисках или на

дискетах;

• накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) типа "винчестер";

• накопители на сменных жестких магнитных дисках, использующие эффект Бернулли;

• накопители на оптических компакт-дисках CD-ROM (Compact Disk ROM).

Логическая структура диска

. В качестве запоминающей среды в магнитных дисках (МД) используются

магнитные материалы со специальными свойствами (с прямоугольной петлей

гистерезиса), позволяющими фиксировать два магнитных состояния — два направления

намагниченности. Каждому из этих состояний ставятся в соответствие двоичные цифры:

0 и 1. Накопители на МД (НМД) являются наиболее распространенными внешними

запоминающими устройствами в ПК. Диски бывают жесткими и гибкими, сменными и

встроенными в ПК. Устройство для чтения и записи информации на магнитном диске

называется дисководом.

Все диски: и магнитные, и оптические характеризуются своим диаметром или,

иначе, форм-фактором. Наибольшее распространение получили диски с форм-

факторами 3,5" (89 мм) и 5,25" (133 мм).

Информация на МД записывается и считывается магнитными головками вдоль

концентрических окружностей— дорожек (треков). Количестве дорожек на МД и их

информационная емкость зависят от типа МД, конструкции накопителя на МД, качества

магнитных головок и магнитного покрытия.

Каждая дорожка МД разбита на сектора. В одном секторе дорожки может быть

помещено 128, 256, 512 или 1024 байт, но обычно 512 байт данных. Обмен данными

между НМД и ОП осуществляется последовательно целым числом секторов. Кластер —

это минимальная единица размещения информации на диске, состоящая из одного или

нескольких смежных секторов дорожки.

При записи и чтении информации МД вращается вокруг своей оси, а механизм

управления магнитной головкой подводит ее к дорожке, выбранной для записи или

чтения информации.

Данные на дисках хранятся в файлах, которые обычно отождествляют с участком

(областью, полем) памяти на этих носителях информации.

14

Накопители на гибких магнитных дисках

На гибком магнитном диске (дискете) магнитный слой наносится на гибкую

основу. Используемые в ПК ГМД имеют форм-фактор 5,25" и 3,5". Емкость ГМД

колеблется в пределах от 180 Кбайт до 2,88 Мбайта. ГМД диаметром 5,25 дюйма

помещается в плотный гибкий конверт, а диаметром 3,5 дюйма — в пластмассовую

кассету для защиты от пыли и механических повреждений. На сегодняшний день в ПК

применяются дискеты с форм-фактором 3,5" и емкостью 1,44 Мбайта..

Накопители на жестких магнитных дисках

В качестве накопителей на жестких магнитных дисках (НЖМД) широкое

распространение в ПК получили накопители типа "винчестер".

Термин винчестер возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска

емкостью 16 Кбайт (IBM, 1973 г.), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно

совпало с калибром "30/30" известного охотничьего ружья "Винчестер".

В этих накопителях один или несколько жестких дисков, изготовленных из сплавов

алюминия или из керамики и покрытых ферролаком, вместе с блоком магнитных головок

считывания/записи помещены в герметически закрытый корпус. Емкость этих

накопителей благодаря чрезвычайно плотной записи, получаемой в таких несъемных

конструкциях, достигает нескольких тысяч мегабайт; быстродействие их также

значительно более высокое, нежели у НГМД.

НЖМД весьма разнообразны. Диаметр дисков чаще всего 3,5" (89 мм), но есть и

другие, в частности 5,25" (133 мм) и 1,8" (45 мм).

Максимальная емкость и скорость передачи данных существенно зависят от интер-

фейса, используемого накопителем. Под интерфейсом в данном случае понимаются

элементы соединения и вспомогательные схемы управления, необходимы для

соединения устройств.

При подключении НЖМД используются интерфейсы IDE (Integrated Drive

Electronics) и SCSI (Small Computer System Interface).

Наиболее часто употребляются интерфейс IDE или его более современные

разновидности Enhanced (расширенный) IDE (EIDE), Fast ATA, Fast ATA-2 и др.,

имеющие расширенные возможности и обеспечивающие более высокую

производительность. Интерфейс EIDE обеспечивает возможность подключения двух

НЖМД – основного и дополнительного (Master и Slave).

При использовании интерфейса SCSI или его более современных разновидностей в

качестве одной из плат расширения в ПК должен быть установлен специальный SCSI-

адаптер. Интерфейс SCSI обеспечивает более высокую производительность при обмене

15

данными, чем интерфейс IDE. Обычно SCSI используют в сетевых серверах.

В ПК имеется обычно один, реже несколько накопителей на жестких магнитных

дисках.

Накопители на сменных оптических компакт-дисках

Накопители на сменных компакт-дисках (CD-ROM) – популярный вид

накопителей, необходимый для систем мультимедиа. Они позволяют считывать

информацию с компакт-дисков, вмещающих до 650Мбайт. Запись информации на

обычные компакт-диски осуществляется единожды с помощью специального

оборудования. Данные на диске записываются в виде спирали. С точки зрения физики

лазерный луч определяет цифровую последовательность единиц и нулей, записанных на

CD, в форме микроскопических ямок (пит, pit) на его спирали.

Ожидается, что в ближайшем будущем широкое распространение получат так

называемые DVD-ROM-диски, являющиеся усовершенствованными разновидностями

CD-ROM-дисков, они способны вмещать до 17 Гбайт информации. Накопители DVD

могут использоваться и для считывания информации с обычных CD-ROM-дисков.

Основными достоинствами НОД являются: сменяемость и компактность носителей;

большая информационная емкость; высокая надежность и долговечность CD и головок

считывания/записи (до 50 лет); меньшая (по сравнению с НМД) чувствительность к

загрязнениям и вибрациям; нечувствительность к электромагнитным полям.

Основными локальными интерфейсами для НОД являются интерфейсы EIDE и

SCSI.

Накопители на перезаписываемых компакт-дисках

В последнее время получили широкое распространение перезаписываемые

компакт-диски: CD-R и CD-RW.

Накопители на CD-R дисках допускают однократную запись информации на

компакт-диск, а накопители на CD-RW позволяют многократно перезаписывать компакт-

диски. В них используются специальные диски, допускающие запись с этих устройств.

Диски для накопителей CD-R могут использоваться и для однократной записи на

устройствах CD-RW. Однократно записываемые диски (CD-R) существенно дешевле

многократно перезаписываемых (CD-RW) дисков.

Чтение информации с CD-R и CD-RW-дисков может производиться с обычных

накопителей на компакт-дисках.

Накопители на сменных магнитных дисках большой емкости

Эти устройства являются усовершенствованными разновидностями НГМД,

позволяющими записывать на сменные жесткие диски большие объемы информации.

16

Наиболее популярное устройство этого типа – накопитель Iomega Zip Drive. Оно

позволяет записывать на сменный диск до 100Мбайт информации.

ОСНОВНЫЕ ВНЕШНИЕ УСТРОЙСТВА ПК

Внешние устройства ПК подключаются к его интерфейсам и предназначены для

выполнения вспомогательных операций. Благодаря им компьютерная система

приобретает гибкость и универсальность.

КЛАВИАТУРА

Клавиатура —клавишное устройство управления персональным компьютером.

Служит для ввода алфавитно-цифровых (знаковых) данных, а также команд управления.

Комбинация монитора и клавиатуры обеспечивает простейший интерфейс пользователя.

С помощью клавиатуры управляют компьютерной системой, а с помощью монитора

получают отклик. Внутри корпуса клавиатуры расположены датчики клавиш, схемы

дешифрации и микроконтроллер клавиатуры.

Каждая клавиша имеет свой порядковый номер. При нажатии и отпускании

клавиши в буферную память контроллера клавиатуры поступает код нажатия или

отпускания (соответственно 0 или 1) в седьмой бит байта и номер клавиши или ее скан-

код в ее остальные семь бит байта. При поступлении любой информации в буферную

память посылается запрос на аппаратное прерывание, инициируемое клавиатурой. При

выполнении прерывания скан-код преобразуется в код ASCII с помощью хранящихся в

ПЗУ программируемых системных таблиц драйвера клавиатуры. Скан-код и ASCII-код

пересылаются в соответствующее поле (буфер клавиатуры) ОЗУ машины. При этом по

наличию кода отпускания проверяется, все ли клавиши отпущены в момент нажатия

следующей клавиши (это необходимо для организации совместной работы с клавишами

<Shift>, <Ctrl> и <Alt>).

МЫШЬ

Мышь – особого рода манипулятор, позволяющий оптимизировать работу с

большой категорией компьютерных программ.

По способу перемещения мыши делятся на оптико-механические и оптические. По

способу передачи данных в компьютер мыши делятся на проводные и беспроводные.

Принцип работы оптомеханической мыши состоит в следующем: утяжеленный

шарик с резиновым покрытием катается по плоской поверхности и вращает два

перпендикулярно расположенных валика, сообщая движение в системе координат (по

вертикали и по горизонтали). На конце каждого из валиков расположено колесо с

17

мелкими отверстиями по окружности. Это колесо вращается между светодиодом и

приемником-фототранзисторов. Луч света проходит через спицы колеса, вращающегося с

разной скоростью.

Информация и длительности световых импульсов (чередование «свет»/ «тьма»),

преобразованная в электронные сигналы, позволяет определить скорость перемещения и

положения курсора на экране.

Оптические мыши полностью лишены движущихся частей. Фотодатчики

установлены прямо на нижней поверхности корпуса мыши. Обычно для работы с такими

мышами применяется специальный коврик, разграфленный в клеточку черными и

красными линиями. В данном случае аппаратура мыши считает не световые импульсы,

полученные вследствие вращения осей, а число пересеченных линий каждого цвета.

Оптические мыши очень надежны (из-за отсутствия движущихся частей).

В отличие от клавиатуры мышь не может напрямую использоваться для ввода

знаковой информации – ее принцип управления является событийным. Перемещения

мыши и щелчки ее кнопок являются событиями с точки зрения ее программы-драйвера.

Анализируя эти события, драйвер устанавливает, когда произошло событие и в каком

месте экрана в этот момент находился указатель. Эти данные передаются в прикладную

программу, с которой работает пользователь в данные момент. По ним программа может

определить команду, которую имел в виду пользователь и приступить к ее исполнению.

Комбинация монитора и мыши обеспечивает наиболее современный тип

интерфейса пользователя, который называется графическим. Пользователь наблюдает на

экране графические объекты и элементы управления. С помощью мыши он изменяет

свойства объектов и приводит в действие элементы управления компьютерной системой,

а с помощью монитора получает от нее отклик в графическом виде.

ВИДЕОТЕРМИНАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Видеотерминал состоит из видеомонитора (дисплея) и видеоконтроллера

(адаптера). Видеоконтроллеры входят в состав системного блока ПК (находятся на

видеокарте, устанавливаемой в разъем материнской платы), а видеомониторы — это

внешние устройства ПК.

Видеомониторы

Видеомонитор, дисплей или просто монитор — устройство отображения текстовой

и графической информации на экране (в стационарных ПК — на экране электронно-

лучевой трубки (ЭЛТ), в портативных ПК — на жидкокристаллическом плоском экране).

Размер экрана монитора задается обычно величиной его диагонали в дюймах,

стандартные размеры: 14”, 15”, 17”, 19”, 20“, 21”. В настоящее время наиболее

18

универсальными являются мониторы размером 15 и 17 дюймов, а для операций с

графикой желательны мониторы размером 19 – 21 дюйм.

ЭЛТ для мониторов по принципу формирования цветного изображения делятся на

ЭЛТ с теневой маской (структура экрана из триад точек люминофора основных цветов) и

ЭЛТ с апертурной решеткой (структура экрана в виде вертикально чередующихся полос

люминофора основных цветов).

Изображение на экране монитора получается в результате облучения

люминофорного покрытия остронаправленным пучком электронов, разогнанных в

вакуумной колбе. Для получения цветного изображения люминофорное покрытие имеет

точки или полоски трех типов, светящиеся красным, зеленым и синим (Red-Green-Blue)

цветом. Чтобы на экране все три луча сходились в одной точке и изображение было

четким, перед люминофором ставят маску – панель с регулярно расположенными

круглыми отверстиями или решетку из вертикально натянутых тонких струн. Чем

меньше шаг между отверстиями или щелями, тем четче и точнее полученное

изображение. Шаг маски измеряют в долях миллиметра. В настоящее время наиболее

распространены мониторы с шагом маски 0.25 – 0.27мм. Модели повышенной стоимости

могут иметь значение до 0.18мм.

Важной характеристикой монитора является частота его кадровой развертки.

Смена изображений (кадров) на экране с частотой 25 Гц воспринимается глазом как

непрерывное движение, но глаз при этом из-за мерцания экрана быстро устает. Для

большей устойчивости изображения и снижения усталости глаз у современных

качественных мониторов поддерживается частота смены кадров на уровне 70 - 80 Гц; при

этом частота строчной развертки достигает 40 - 50 Кгц и возрастает полоса частот

видеосигнала.

Разрешающая способность мониторов. Измеряется разрешающая способность

максимальным количеством пикселей, размещающихся по горизонтали и по вертикали

на экране монитора. Видеомониторы обычно могут работать в двух режимах: текстовом

и графическом.

В текстовом режиме изображение на экране монитора состоит из символов

расширенного набора ASCII, формируемых знакогенератором (возможны примитивные

рисунки, гистограммы, рамки, составленные с использованием символов

псевдографики).

В графическом режиме на экран выводятся более сложные изображения и надписи

с различными шрифтами и размерами букв, формируемых из отдельных мозаичных

элементов — пикселей (pixel — picture element).

Разрешающая способность мониторов нужна прежде всего в графическом режиме и

19

связана с размером пикселя. Зависит разрешающая способность как от характеристик

монитора, так, даже в большей степени, и от характеристик видеоадаптера.

Стандартные значения разрешающей способности современных мониторов:

640x480, 800x600, 1024x768, 1600x1200.

Среди прочих характеристик мониторов следует отметить: наличие плоского или

выпуклого экрана (первый вариант предпочтительнее: большая прямоугольность

изображения, меньшие блики); уровень высокочастотного радиоизлучения

(увеличивается с увеличением полосы частот видеосигнала, но значительно уменьшается

при хорошем экранировании — мониторы с низким уровнем излучения типа LR (Low

Radiation); наличие защиты экрана от электростатических полей — мониторы типа AS

(Anti Static); наличие системы энергосбережения — мониторы типа G (Green) и др.

Видеоконтроллеры

Видеоконтроллеры (видеоадаптеры) являются внутрисистемными устройствами,

непосредственно управляющими мониторами и выводом информации на их экран.

Видеоконтроллер содержит: схему управления ЭЛТ, растровую память (видеопамять,

хранящую воспроизводимую на экране информацию и использующую поле видеобуфера

в ОЗУ), сменные микросхемы ПЗУ (матрицы знаков), порты ввода-вывода.

Важная характеристика — емкость видеопамяти, она определяет количество

хранимых в памяти пикселей и их атрибутов. Разрядность атрибута пикселя определяет,

в частности, максимально возможное число полутонов или цветовых оттенков,

учитываемых при отображении пикселя (например, для отображения 65 тыс. цветовых

оттенков, стандарт High Color, каждый пиксель должен иметь 2-байтовый атрибут, а для

отображения 16,7 млн. цветовых оттенков, стандарт True Color, — 3-байтовый атрибут).

Видеоконтроллеры SVGA типа VESA (видеокарты VESA) с объемом видеопамяти

1-2 Мбайта обеспечивают наибольшую разрешающую способность 1280x1024 при

отличной передаче цветовых оттенков.

ПРИНТЕРЫ

Принтеры (печатающие устройства) — это устройства вывода данных из ЭВМ,

преобразующие информационные ASCII-коды в соответствующие им графические

символы (буквы, цифры, знаки и т.п.) и фиксирующие эти символы на бумаге. По

принципу действия различают матричные, лазерные, светодиодные и струйные

принтеры.

Печать у принтеров может быть посимвольная, построчная, постраничная.

Скорость печати варьируется от 10-300 зн./с (ударные принтеры) до 500- 1000 зн./с и

даже до нескольких десятков (до 20) страниц в минуту (лазерные принтеры);

20

разрешающая способность — от 3 - 5 точек на миллиметр до 30 - 40 точек на миллиметр

(лазерные принтеры).

Матричные принтеры. Данные выводятся на бумагу в виде оттиска,

образующегося при ударе цилиндрических стержней (иголок) через красящую ленту.

Качество печати напрямую зависит от количества иголок в печатающей головке.

Наибольшее распространение имеют 9-игольчатые и 24-игольчатые матричные

принтеры.

Струйные принтеры. В печатающей головке этих принтеров вместо иголок

имеются тонкие трубочки — сопла, через которые на бумагу выбрасываются мельчайшие

капельки красителя (чернил). Это безударные печатающие устройства. Матрица

печатающей головки обычно содержит от 12 до 64 сопел. Выброс капель красителя

происходит под давлением, которое развивается в печатающей головке за счет

парообразования. В некоторых моделях капля выбрасывается щелчком в результате

пьезоэлектрического эффекта, этот метод позволяет обеспечить более стабильную форму

капли, близкую к сферической.

Качество печати изображения во многом зависит от формы капли изображения и ее

размера, а также характера впитывания жидкого красителя поверхностью бумаги.

В последние годы достигнут существенный прогресс: созданы струйные принтеры,

обеспечивающие разрешающую способность до 20 точек/мм и скорость печати до 500

зн./с при отличном качестве печати, приближающемся к качеству лазерной печати.

Имеются цветные струйные принтеры.

Лазерные принтеры. В них применяется электрографический способ формирования

изображений, используемый в одноименных копировальных аппаратах. На специальном

фоточувствительном барабане лучом света создаются области, заряженные статическим

электричеством (картинка прорисовывается лучом по барабану). Барабан вращается

напротив картриджа, заряженными областями притягивает тонер, состоящий из

покрытых пластиком частичек железа. Затем барабан передвигается над листом бумаги,

который заряжен еще сильнее барабана. При этом частички тонера переносятся с

барабана на бумагу и затем спекаются под нагревом, превращаясь в водоупорный

отпечаток.

Лазерные принтеры обеспечивают наиболее качественную печать с разрешением до

50 точек/мм (1200 dpi) и скорость печати до 1000 зн./с. Широко используются цветные

лазерные принтеры.

К МП принтеры могут подключаться и через параллельный, и через

последовательный порт. Параллельные порты используются для подключения

параллельно работающих (воспринимающих информацию сразу по байту) принтеров.

21

ЛИТЕРАТУРА

1. Жаров А. Железо IBM 2000: Ежегодник.- 7 изд., исправл. и доп.- Москва:

МикроАрт.

2. Компьютерные системы и сети: Учеб. пособие / В.П. Косарев и др./ Под ред.

В.П. Косарева и Л.В.Еремина. – М.: Финансы и статистика , 1999.

3. Пятибратов А.П. и др. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации:

Учебник / А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко; Под ред. А.П.

Пятибратова.- М.: Финансы и статистика , 1998.

4. Информатика: Учебник.- 3-е перераб. изд./ Под ред. проф. Н.В. Макаровой.- М.:

Финансы и статистика , 2000.