Дешко И.П., Ковалев С.Н. и др. Информационные и коммуникационные технологии

Подождите немного. Документ загружается.

101

несопоставимое с быстродействием центрального процессора,

причем с годами разрыв в росте быстродействия между этими

важнейшими системами ПК все увеличивается.

Для исключения простоя CPU в ожидании очередной пор-

ции данных, обрабатываемых «медленной» DRAM, между ними

структурно размещают небольшой по объему хранимой инфор-

мации (по сравнению со всеми хранимыми данными) буфер «бы-

строй

» статической памяти (SRAM) или кэш (cache). Статиче-

ская память выполнена на тонкопленочных структурах (как и

CPU) и имеет быстродействие, сопоставимое с быстродействием

процессора. Принцип ее использования в качестве скоростного

буфера основан на том, что примерно в 80% случаев с наиболь-

шей вероятностью из памяти запрашиваются данные, сохранен-

ные сравнительно недавно. Именно

такая информация и разме-

щается в SRAM. Поэтому в четырех случаях из пяти запрашивае-

мые данные поступают в CPU из «быстрой» статической памяти,

а за время их обработки «успевают» поступить и данные, запро-

шенные процессором из DRAM. В современных ПК SRAM разде-

лена на несколько уровней – кэш первого уровня (небольшой от

носительно общего объема SRAM), интегрированный в кристалл

процессора и работающий на частоте его ядра; кэш второго

уровня (бОльшая часть статической памяти), размещенный в кор-

пусе CPU, но выполненный на отдельном кристалле, связанный с

процессором отдельной высокоскоростной шиной памяти. Суще-

ствуют системы, содержащие и кэш третьего уровня (системный

кэш), размещенный на

системной плате, но на данном этапе раз-

вития ПК это решение оказалось неоправданным и встречается

весьма редко.

Энергонезависимая постоянная память (NVRAM) использу-

ется для хранения кода основной системы ввода-вывода (basic

input-output system, BIOS) ПК, BIOS плат расширения, конфигура-

ции периферийных устройств, кодов клавиатуры и др. В BIOS ПК

содержатся программы начального

самотестирования узлов при

включении компьютера; программа начальной загрузки операци-

онной системы (ОС); настройки конфигурации узлов ПК и режи-

102

мов их работы и некоторая другая информация. Реализована

NVRAM в виде отдельной микросхемы на системной плате.

Накопители информации. Помимо оперативной и посто-

янной памяти ПК оснащен устройствами, рассчитанными на дол-

говременное хранение данных. К числу таких устройств в первую

очередь относятся НГМД, винчестеры и дисководы оптических

дисков.

НГМД или FDD (

Floppy Disk Drive) является «долгожите-

лем» в системе ПК. Его конструкция и принцип работы сохраня-

ются практически неизменными вот уже полтора десятилетия. В

качестве носителя информации в НГМД используются дискеты

3.5”. Информация считывается и записывается на гибкий диск,

размещенный внутри корпуса дискеты, путем изменения магнит-

ного состояния небольших участков его магнитного рабочего

слоя.

Сам дисковод НГМД в силу простоты конструкции и рабо-

ты является исключительно надежным устройством, чего нельзя

сказать об используемых в нем дискетах. Кроме того, объем хра-

нимой на дискете информации по современным меркам абсолют-

но недостаточен в большинстве случаев для размещения, напри-

мер, графической, звуковой или видео информации. В силу этого

продолжение использования НГМД в составе ПК уже в ближай-

шем будущем представляется маловероятным. К слову, в состав

современных переносных ПК (ноутбуков) НГМД во многих слу-

чаях уже не входит.

Винчестер представляет собой устройство с несменным

магнитным носителем информации. В нем в одном корпусе объе-

динены носитель и устройство чтения-записи,

а также, нередко, и

интерфейсная часть, называемая собственно контроллером жест-

кого диска. Типичной конструкцией жесткого диска является ис-

полнение в виде единого устройства – гермоблока, внутри кото-

рого находятся несколько дисковых носителей с магнитным ра-

бочим слоем, жестко закрепленных на общем вращающемся валу

электродвигателя. На одной из крышек гермоблока размещена

плата электроники

, в состав которой входят, наряду с элементами

интерфейса и контроллера дисковода, элементы систем управле-

103

ния электродвигателем дисков и приводом позиционера (устрой-

ства перемещения и установки) головок чтения-записи.

Информация в виде определенных магнитных характери-

стик рабочего слоя носителя заносится на концентрические до-

рожки, равномерно распределенные по обеим поверхностям каж-

дого из дисков. Совокупность всех дорожек одинакового радиуса,

находящихся одна под другой на всех поверхностях дисков

, на-

зывается цилиндром. Операции чтения-записи производятся под-

ряд по всем дорожкам цилиндра, после чего все головки одно-

временно перемещаются на новую позицию (на другой цилиндр).

Современный винчестер представляет собой технически

сложное электромеханическое и электронное устройство, предна-

значенное для хранения больших объемов информации (десятки

и даже сотни гигабайт). Вместе с

тем, это весьма надежное уст-

ройство в составе ПК, зачастую обладающее свойствами само-

тестирования рабочих характеристик, прогнозирования возмож-

ных нарушений работы и предотвращения их последствий (так

называемые технологии S.M.A.R.T – self-monitoring analysis and

reporting technology).

Подключение винчестера (винчестеров) к коннекторам на

системной плате осуществляется специальными интерфейсными

кабелями (шлейфами).

В последние годы для работы с цифровой (представленной

цифровом коде) информацией в ПК активно используются нако-

пители на оптических дисках – CD-ROM (Compact Disk–Read

Only Memory). CD-ROM позволяют хранить большие объемы ин-

формации (до 700 мегабайт на одном диске), отличаются высокой

надежностью и долговечностью (при надлежащем обращении с

носителем!). Принцип считывания информации с оптического

цифрового диска такой же, как и с

«музыкальных» (аудио) CD-

ROM (собственно, аудио оптический диск – это тоже диск, хра-

нящий цифровую информацию в определенном формате). При

считывании оптического диска лазерный луч сканирует его по-

верхность, определяя отражающие и рассеивающие участки на

ней. Характер чередования таких участков на спиральной дорож-

104

ке оптического диска определяет записанную на ней информа-

цию.

Если первоначально CD-ROM позволяли только считывать

записанную на них информацию, то со временем появились оп-

тические диски и устройства работы с ними – дисководы, позво-

ляющие осуществлять средствами ПК однократную запись (фор-

мат CD-R – CD-Recordable), а позднее и многократную переза-

пись (формат CD-RW – CD-ReWritable) на

диск цифровой инфор-

мации.

Заметным шагом вперед в технологиях дисковых оптиче-

ских носителей стало внедрение дисков нового формата – DVD

(Digital Versatile Disk, в другой версии – Digital Video Disk). В

DVD-дисководах используется лазерный луч с меньшей длиной

волны, обеспечивающей его фокусировку на более мелких участ-

ках поверхности диска. Это позволило увеличить максимальный

объем хранимой

на диске информации до 4,7 гигабайт. Кроме то-

го, формат допускает двухслойное (два рабочих слоя – один по-

верх другого на одной стороне диска) исполнение диска с общим

объемом информации 8,5 гигабайт и двустороннее расположение

рабочих оптических слоев относительно жесткой основы диска

(суммарный объем хранимой информации – 9,4 гигабайт для од-

нослойного варианта и 17 гигабайт

для двухслойного диска). Ра-

зумеется, DVD-дисководы способны работать и с «обычными»

CD-ROM всех форматов. Появились и все шире внедряются в

системы ПК пока еще относительно дорогостоящие DVD-

дисководы, обеспечивающие запись и перезапись дисков DVD-

форматов.

Завершая тему накопителей, нельзя не упомянуть о сравни-

тельно новом типе накопителей, использующих для хранения

информации полупроводниковые структуры, – флэшь-карты

(flash). Флэшь-накопители становятся все более популярными в

виду их отличных технических и эксплуатационных характери-

стик: емкость – до нескольких сот мегабайт; малые размеры и

масса; высокая надежность; удобство подключения (обычно, че-

рез разъемы USB-шины) и высокая скорость обмена информаци-

ей.

105

Видеосистема современного ПК. Видеосистема является

важнейшим структурным звеном в составе комплекса ПК. В ее

состав входят две подсистемы – формирования сигналов управ-

ления выводом видеоинформации и визуального отображения

информации. Первая из их реализована устройством, называе-

мым видеоадаптером (другие названия – видеокарта, графиче-

ский ускоритель, графический процессор). Вторая – монитором

(дисплеем). Их краткое описание

целесообразнее привести в об-

ратной последовательности.

Мониторы. Современные мониторы ПК с точки зрения

принципиального устройства можно разделить на две большие

группы: мониторы на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ-

мониторы) и плоскопанельные мониторы с использованием мат-

риц на основе жидких кристаллов (ЖК-мониторы).

Наиболее распространенные до последних лет ЭЛТ-

мониторы по

устройству и принципу работы аналогичны видео-

системе обычного телевизора. В них «луч», сформированный из

потока быстродвижущихся электронов последовательно пробега-

ет по строкам экрана, «ударяя» по частицам специального веще-

ства – люминофора, нанесенного на внутреннюю поверхность

видимой части электронно-лучевой трубки (экрана). При бом-

бардировке частиц люминофора потоком электронов, возникает

свечение люминофора,

продолжающееся в течение некоторого

времени и по окончании воздействия потока электронов (так на-

зываемое, послесвечение). Установка на пути потока электронов

специальной пластины с множеством мельчайших отверстий -

теневой маски (разновидности – щелевая маска и апертурная

решетка) обеспечивает попадание луча только в строго опреде-

ленные участки поверхности экрана. Эти участки светящегося

люминофора и определяют

дискретные элементы формируемого

изображения. В результате изображение на экране оказывается

состоящим из множества отдельных фрагментов – элементов

изображения или пикселей (от picture elements). Такое изображе-

ние называется растровым или просто растром.

Таким образом, после поочередного воздействия потока

электронов на все частицы люминофора формируется отдельный

106

кадр растрового изображения. Затем процесс повторяется. По-

скольку последовательная смена сформированных кадров проис-

ходит достаточно быстро, люминофоры всех пикселей продол-

жают светиться и в промежутках между воздействиями на них

потока электронов

Особенностью человеческого зрения, лежащей в основе ра-

боты мониторов ПК (впрочем, как и телевизоров), является его

инерционность. То есть, если

чередование дискретных кадров

изображения происходит чаще, чем двадцать раз в секунду, изо-

бражение воспринимается как непрерывное. Частота смены кад-

ров изображения называется частотой кадровой развертки. Не-

смотря на то, что уже при частоте кадровой развертки 20-25 Гц

изображение воспринимается как непрерывное, реальные ее зна-

чения, используемые в ЭЛТ-мониторах, лежат в

пределах от 85

Гц и выше. Это связано с тем, что послесвечение люминофора

происходит с убывающей (по экспоненте) яркостью. То есть яр-

кость свечения отдельного пикселя изменяется в промежутке ме-

жду сменой кадров, что вызывает эффект мерцания экрана, ино-

гда и неразличимого глазом, но, тем не менее, оказывающего ис-

ключительно отрицательное воздействие

на зрение. Поэтому, чем

выше частота кадровой развертки, тем слабее мерцание экрана.

Относительно комфортной при работе за ЭЛТ-монитором счита-

ется значение частоты кадровой развертки от 100 Гц.

Формирование цветного растрового изображения на экране

ЭЛТ-монитора основано (как и в телевизионной технике) на

трехкомпонентной (красный – зеленый – синий) базовой палитре

цветов. Этот

вопрос рассматривается в теме «ОСНОВЫ

КОМПЬЮТЕРНОЙ ГЕОМЕТРИИ И ГРАФИКИ» настоящего по-

собия.

Работа ЭЛТ-монитора сопровождается значительным элек-

тромагнитным излучением в широком диапазоне частот, а также

созданием сильных электростатических полей. Эти факторы ока-

зывают крайне негативное воздействие на клетки живых орга-

низмов, механизм которого на сегодняшний день до конца так и

не выяснен. В связи с этим, в последние годы во всем мире на-

блюдается устойчивая тенденция к замене в составе ПК ЭЛТ-

107

мониторов сравнительно безопасными с точки зрения уровня из-

лучения ЖК-мониторами.

Центральным узлом ЖК-монитора является матрица, со-

стоящая из множества отдельных ячеек, работа которых основана

на поляризационных оптических свойствах молекул жидких кри-

сталлов. Число ячеек в матрице определяет количество пикселей

формируемого растрового изображения. В отличие от частиц

люминофора пикселей ЭЛТ

-мониторов, отдельная ЖК-ячейка не

является источником светового потока. Световой поток в ЖК-

мониторах создается отдельными лампами подсветки со спек-

тром, близким к дневному. А каждая ЖК-ячейка выступает в ро-

ли своеобразного фильтра, изменяющего степень своей прозрач-

ности, на пути светового потока. То есть, яркость свечения от-

дельного пикселя

растра определяется степенью прозрачности на

данный момент соответствующей ЖК-ячейки. Между сменами

кадров изменения прозрачности ЖК-ячеек не происходит. Таким

образом, здесь отсутствует причина возникновения мерцания эк-

рана и вполне комфортной для работы оказывается частота кад-

ровой развертки порядка 60 Гц.

На сегодняшний день совершенствование технологий ЖК-

мониторов приблизило их основные параметры

, определяющие

качество изображения (яркость, контрастность, угол обзора и др.)

вплотную к показателям ЭЛТ-мониторов при том, что стоимость

ЖК-монитора стала сопоставимой со стоимостью ЭЛТ-монитора

такого же уровня.

Видеоадаптеры. Видеоадаптер – устройство обработки ви-

деоданных (текста и графики) и управления работой монитора.

Видеоадаптер содержит четыре основных узла: видеоконтроллер

(графический

процессор); видеопамять (VRAM), цифро-

аналоговый преобразователь (ЦАП) и модуль видео BIOS. Видео-

контроллер производит обработку графических изображений,

требующих интенсивных вычислений, освобождая от них CPU. В

процессе работы он оперирует с собственной памятью, которую

принято называть видеопамятью. В общей структуре памяти ПК

VRAM представляет часть динамической оперативной памяти с

общей схемой адресации

, но обслуживает VRAM исключительно

108

запросы видеосистемы. Поскольку большинство современных

мониторов ПК являются аналоговыми (то есть управляются не-

прерывными во времени сигналами), возникает необходимость

преобразования цифровой информации, поступающей от видео-

контроллера, в аналоговые сигналы управления яркостью лучей и

сигналы развертки изображения. Эту задачу решает ЦАП. Со-

временные видеоадаптеры используют преимущественно интер-

фейс AGP.

Устройства ввода информации

современного ПК. Ввод

информации для ее компьютерной обработки обеспечивается в

составе типового ПК такими устройствами как клавиатура и

ручной манипулятор (на профессиональном сленге – мышь). По-

мимо них весьма часто для ввода и обработки на ПК графических

изображений (в том числе текстовых) используется специальное

устройство оцифровки графики – сканер.

Клавиатура. Клавиатура – стандартное

устройство ввода

текстовой и некоторых других видов информации для ее после-

дующей обработки приложениями ПК. В настоящее время ис-

полнение клавиатур может заметно различаться по дизайну и

устройству рабочего механизма клавиш, но в основе их работы

лежит один и тот же принцип – изменение параметров электриче-

ской цепи, связанной с нажимаемой

клавишей, регистрируемое

специальным устройством – дешифратором, вырабатывающим

соответствующий цифровой код. Этот код обрабатывается кон-

троллером клавиатуры, данные с которого поступают на шину

ввода-вывода. Как правило, клавиатура поддерживает двухязы-

ковую раскладку клавиш, причем эти раскладки обычно совпа-

дают с аналогичными национальными раскладками пишущих

машинок. Подключение клавиатуры осуществляется через специ-

альный разъем «PS/2

для клавиатуры» либо через разъем USB-

шины.

Мышь.

Наряду с клавиатурой мышь является важнейшим

средством ввода. С началом триумфального шествия графических

оболочек (например, WINDOWS) мышь стала необходима для эф-

фективной работы с соответствующим программным обеспече-

нием. Графические оболочки предоставляют широкие возможно-

109

сти инициализации многих команд без длинного ввода их с кла-

виатуры. Мышь обеспечивает перемещение курсора на экране

монитора синхронно с движением манипулятора по рабочей по-

верхности. Выбор, щелчок (или двойной щелчок) мыши на объ-

екте в виде пиктограммы, символа или пункта меню во многих

случаях избавляют от пользования клавиатурой. Однако следует

помнить, что использование только мыши также зачастую не яв-

ляется самым быстрым путем к достижению желаемого результа-

та, поскольку с помощью стандартных комбинаций клавиш («го-

рячие клавиши») многие операции можно выполнить быстрее. По

принципу работы современные мыши можно разделить на опти-

ко-механические и оптические. Подключение манипулятора

«мышь» осуществляется через

разъем «PS/2 для мыши» либо че-

рез разъем USB-шины. Существуют варианты исполнения мыши

с беспроводным интерфейсом, но встречаются они относительно

редко.

Сканеры. Сканер – это устройства ввода текстовой или гра-

фической информации в ПК путем преобразования ее в цифровой

формат для последующей обработки, хранения или вывода. В со-

став сканера входят

следующие основные узлы: источник света

со спектром, близким к дневному; светорасщепляющая призма;

прецизионный механизм взаимного перемещения источника света

и сканируемого изображения; линейка (линейки) светочувстви-

тельных датчиков; аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

Сканирование изображения осуществляется не целиком, а после-

довательно по строкам. Источник света вместе с призмой и ли-

нейкой светочувствительных датчиков

перемещаются относи-

тельно сканируемого изображения (или наоборот – в зависимости

от конструкции сканера) и «считывают» его строка за строкой.

При этом строки изображения сканируются не целиком, а по от-

дельным точкам, количество которых в строке определяется чис-

лом светочувствительных датчиков в линейке. Таким образом,

результирующее изображение получается растровым. Светорас-

щепляющая призма

нужна для сканирования цветных изображе-

ний. Отраженный от сканируемого изображения (или прошедший

через изображение – при сканировании прозрачных пленок) све-

110

товой поток источника, проходя через призму, разлагается на три

базовые составляющие цветовой палитры – красную, зеленую и

синюю. Каждая из них попадает на «свою» отдельную линейку

светочувствительных датчиков. В качестве таких датчиков в

большинстве современных сканеров используют так называемые

приборы с зарядовой связью (ПЗС). Отдельный элемент ПЗС

представляет собой твердотельную полупроводниковую

структу-

ру, величина накопленного заряда которой пропорциональна ин-

тенсивности падающего на нее света. АЦП преобразует заряд ка-

ждого элемента ПЗС в цифровой код графического формата. Ко-

личество разрядов АЦП определяет цветовую палитру (число от-

тенков) результирующего растрового изображения.

Устройства вывода информации современного ПК. На

протяжении всей истории развития ПК возникала

и возникает не-

обходимость вывода обрабатываемой на нем текстовой или гра-

фической информации на бумажный носитель, или, говоря про-

ще, печать текста и изображений. Эта задача решается с помо-

щью устройств, имеющих разные конструкции и принцип дейст-

вия, объединенные в общее понятие – принтер (печатающее

устройство). На начальном этапе наиболее распространенными в

составе ПК были так называемые игольчатые принтеры ударного

действия, механизм работы которых схож с принципом работы

пишущей машинки. В последние годы из-за низкого качества пе-

чати, высокого уровня шума и низкой скорости игольчатые прин-

теры почти полностью исчезли с рынка. На смену им пришли

широко ныне распространенные лазерные и

струйные принтеры.

Лазерные принтеры. Одним из центральных узлов конст-

рукции лазерного принтера является вращающийся цилиндр (ба-

рабан), на поверхности которого размещен тонкий слой полупро-

водникового материала. Этот материал обладает свойством изме-

нения своего электрического потенциала под воздействием ин-

тенсивного светового потока. Световой луч полупроводникового

лазера посредством системы подвижных зеркал «пробегает»

вдоль

образующей барабана и на участках воздействия светового

потока электрический потенциал поверхности барабана снижает-

ся почти в десять раз. Таким образом, лазерный луч «рисует» по-