Введение в информатику.Аппаратное обеспечение компьютеров

Введение в информатику Аппаратное обеспечение компьютеров

Определение информатики

Термин "информатика" (франц. informatique) происходит от французских слов information (информация) и automatique (автоматика) и дословно означает "информационная автоматика".

Широко распространён также англоязычный вариант этого термина — " Сomputer science", что означает буквально "компьютерная наука".

В 1978 году международный научный конгресс официально закрепил за понятием "информатика" области, связанные с разработкой, созданием, использованием и материально-техническим обслуживанием систем обработки информации, включая компьютеры и их программное обеспечение, а также организационные, коммерческие, административные и социально-политические аспекты компьютеризации — массового внедрения компьютерной техники во все области жизни людей .

Определение информатики

Инфоpматика — комплексная научная дисциплина с широчайшим диапазоном применения .

Приоритетные направления информатики:

• pазpаботка вычислительных систем и пpогpаммного обеспечения; теоpия инфоpмации, изучающая процессы, связанные с передачей, приёмом, преобразованием и хранением информации; математическое моделирование, методы вычислительной и прикладной математики и их применение к фундаментальным и прикладным исследованиям в различных областях знаний; методы искусственного интеллекта, моделирующие методы логического и аналитического мышления в интеллектуальной деятельности человека (логический вывод, обучение, понимание речи, визуальное восприятие, игры и др.); системный анализ, изучающий методологические средства, используемые для подготовки и обоснования решений по сложным проблемам различного характера; биоинформатика, изучающая информационные процессы в биологических системах; социальная информатика, изучающая процессы информатизации общества; методы машинной графики, анимации, средства мультимедиа; телекоммуникационные системы и сети, в том числе, глобальные компьютерные сети, объединяющие всё человечество в единое информационное сообщество; разнообразные приложения, охватывающие производство, науку, образование, медицину, торговлю, сельское хозяйство и все другие виды хозяйственной и общественной деятельности.
• pазpаботка вычислительных систем и пpогpаммного обеспечения;
• теоpия инфоpмации, изучающая процессы, связанные с передачей, приёмом, преобразованием и хранением информации;
• математическое моделирование, методы вычислительной и прикладной математики и их применение к фундаментальным и прикладным исследованиям в различных областях знаний;
• методы искусственного интеллекта, моделирующие методы логического и аналитического мышления в интеллектуальной деятельности человека (логический вывод, обучение, понимание речи, визуальное восприятие, игры и др.);
• системный анализ, изучающий методологические средства, используемые для подготовки и обоснования решений по сложным проблемам различного характера;
• биоинформатика, изучающая информационные процессы в биологических системах;
• социальная информатика, изучающая процессы информатизации общества;
• методы машинной графики, анимации, средства мультимедиа;
• телекоммуникационные системы и сети, в том числе, глобальные компьютерные сети, объединяющие всё человечество в единое информационное сообщество;
• разнообразные приложения, охватывающие производство, науку, образование, медицину, торговлю, сельское хозяйство и все другие виды хозяйственной и общественной деятельности.

Определение информатики

Информатику обычно представляют состоящей из двух частей:

• технические средства;
• программные средства.

Технические средства , то есть аппаратура компьютеров , в английском языке обозначаются словом Hardware , которое буквально переводится как "твёрдые изделия" .

Для программных средств выбрано слово Software (буквально — "мягкие изделия" ), которое подчёркивает равнозначность программного обеспечения и самой машины и вместе с тем подчёркивает способность программного обеспечения модифицироваться, приспосабливаться, развиваться.

З А К О Н У К Р А Ї Н И

Про Концепцію Національної програми інформатизації

( Відомості Верховної Ради (ВВР), 1998, N 27-28, ст.182 )  

7. Інформатизація соціальної сфери  

У сфері охорони здоров'я головними завданнями є створення єдиної структурованої інформаційної системи обліку стану здоров'я громадян України на основі автоматизованої реєстрації пацієнтів у лікувальних установах, збору даних профілактичних обстежень зметою подальшого використання в статистичних, аналітичних та експертних системах; створення системи дистанційного консультування та діагностики на основі комп'ютерних мереж, що об'єднують великі лікувальні та наукові заклади .  

  Асоціація спеціалістів з медичної інформатики, статистики та біомедичної техніки

• І нформатизація та структурно-функціональна оптимізація системи охорони здоров'я України.
• Розробка пріоритетних напрямків наукових досліджень в області медичної та соціальної інформатики, статистики, біомедичної техніки та суміжних з ними спеціальностей.
• Впровадження нових медичних технологій, біомедичної техніки, діагностичної та лікувальної апаратури в лікувально-профілактичних закладах України
• Уніфікація, стандартизація та сертифікація програмних продуктів які використовуються в медичних інформаційних системах, медичній статистиці та біомедичній техніці.
• Впровадження в медичній статистиці internet-технологій
• Уніфікація медичних облікових документів та розробка єдиної електронної медичної картки пацієнта

УАКМ утворена в Харкові в серпні 1992 р. під час роботи IV Конгресу Світової Федерації Українських Лікарських Товариств (СФУЛТ). УАКМ стала Національним Членом Міжнародної Асоціації Медичної Інформатики (ІМІА) в вересні 1993р. (Кіото, Японія).

• Спеціалісти УАКМ під керівництвом МОЗ України розробили Концепцію державної політики інформатизації охорони здоров'я України .
• Розроблена Концепція створення Галузевої медичної мережі прямого доступу « УкрМедНет ».
• Розроблен проект створення Системи обміну медичної інформації в рамках СНД .
• Проект створення інформаційно-аналітичної системи (її медичної частини) по надзвичайним ситуаціям при Кабінеті Міністрів України.
• УАКМ є ініціатором створення проекту "Інформаційні госпітальні системи України" .

Компьютер – средство коммуникации

• Web- сервера
• Электронная почта
• Информационные сервера (видео, музыка, документы)
• ICQ , всевозможные чаты
• Видеоконференции

ЛВС

Компьютерная сеть

Эффективность использования компьютера без подключения к компьютерной сети снижается до 30-34%

Internet

В настоящее время, можно утверждать, что компьютер является средством получения и обмена всевозможной информации.

С уверенностью можно говорить о том, что компьютер способен заменить телевизор, магнитофон, средства массовой информации и т.д.

Основные системы счисления

Под системой счисления понимается способ представления любого числа с помощью некоторого алфавита символов, называемых цифрами.

Двоичная система счисления

Используется две цифры: 0 и 1.

В двоичной системе любое число может быть представлено в виде:

N = b n b n -1 ... b 1 b 0  . b -1 b -2  ...

где b j либо 0, либо 1.

Восьмеричная система счисления

Восьмеричная система счисления. Используется восемь цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Употребляется в ЭВМ как вспомогательная для записи информации в сокращенном виде. Для представления одной цифры восьмеричной системы используется три двоичных разряда (триада) .

Шестнадцатеричная система счисления

Для изображения чисел употребляются 16 цифр. Первые десять цифр этой системы обозначаются цифрами от 0 до 9, а старшие шесть цифр - латинскими буквами: 10-A, 11-B, 12-C, 13-D, 14-E, 15-F. Шестнадцатеричная система используется для записи информации в сокращенном виде. Для представления одной цифры шестнадцатеричной системы счисления используется четыре двоичных разряда (тетрада)

Основные системы счисления

Преимущества двоичной системы счисления

• для ее реализации нужны технические устройства с двумя устойчивыми состояниями (есть ток — нет тока, намагничен — не намагничен и т.п.), а не, например, с десятью, — как в десятичной;
• представление информации посредством только двух состояний надежно и помехоустойчиво;
• возможно применение аппарата булевой алгебры для выполнения логических преобразований информации;
• двоичная арифметика намного проще десятичной .

Единицы измерения информации

• 1 бит (от слова binary digit — двоичная единица) это 0 или 1
• 1 байт = 8 битов, например, байт вида 10001110
• 1 килобайт (1К) = 1024 байтов, или 2 10 байтов, или 2 13 бит
• 1 мегабайт (1М) = 1024 К, или 2 10 К, или 2 20 байт, или 2 23 бит
• 1 гигабайт (1Г) = 1024 М = 2 10 М = 2 20 К = 2 30 байт = 2 33 бит
• 1 терабайт (1Т) = 1024 Г = 2 20 М = 2 30 К = 2 40 байт = 2 43 бит
• 1 петабайт (1П) = 210 Т = 2 20 Г = 2 20 М = 2 40 К = 2 50 байт = 2 53 бит

Основные компоненты компьютера

Центральный процессор

Основные характеристики CPU:

• фирма - изготовитель;
• тип ( CPU type ) и тактовая частота ( CPU clock );
• напряжение питания (CPU voltage);
• тип корпус а

Pentium 4 Processor 570

«Сердцем» системной платы — процессор, точнее главный процессор (Central Processing Unit, CPU) . Подобные процессоры находятся не только в РС - в принципе процессором оборудована каждая современная стиральная машина или микроволновая печь. CPU регулирует, управляет и контролирует рабочий процесс. Однако системную плату составляет, естественно, не только процессор. Он находится в постоянном взаимодействии с другими элементами системной платы до тех пор, пока PC включен.

В области PC имеется признанный лидер на рынке - фирма Intel, которая является (и была) "домашним" поставщиком CPU в IBM -совместимых PC.

Производительность CPU характеризуется следующими основными параметрами:

-     Степень интеграции (показывает количество транзисторов на единицу площади)

-     Внутренняя и внешняя разрядность обрабатываемых данных (количество одновременно обрабатываемых бит)

-     Тактовая частота (частота, с которой процессор выполняет определенные операции) (периодический сигнал, используемый для временного согласования всех синхронных операций в устройствах вычислительной машины.

Процессор Pentium 4 построен на основе микроархитектуры Intel NetBurst.

В архитектуре NetBurst используется несколько новых технологий: гиперконвейерная технология (Hyper Pipelined Technology) с глубиной конвейера, вдвое превышающей таковую в Pentium III; ядро быстрого выполнения (Rapid Execution Engine), повышающее производительность при работе с целочисленными данными за счет работы на удвоенной тактовой частоте по сравнению с частотой основного ядра; и кэш-память с отслеживанием выполнения (Execution Trace Cache), хранящая уже «декодированные» команды; таким образом устраняется задержка при анализе повторно исполняемых участков кода.

Процессор Pentium 4 содержит 42 млн транзисторов на кристалле, снабжен кэш-памятью объемом 256 Кбайт и имеет 144 новые инструкции — так называемые потоковые SIMD-расширения-2 (SSE2), ускоряющие обработку блоков данных с плавающей запятой. В качестве основы платформ на базе Pentium 4 применяется чипсет Intel 850. Это пока единственный набор микросхем на рынке, разработанный для нового процессора. Чипсет поддерживает двухканальную память Rambus Direct RAM (RDRAM) с пропускной способностью 1,6 Гбайт/с по каждому каналу и системную шину с тактовой частотой 400 МГц и пропускной способностью до 3,2 Гбайт/с.

Структура центрального процессора

Микропроцессор состоит из трех основных блоков:

- арифметически-логического ;

- блока регистров ;

- устройства управления .

Микропроцессор-это полупроводниковое устройство, состоящее из одной или нескольких программно-управляемых БИС, включающих все средства, необходимые для обработки информации и управления, и рассчитанное на совместную работу с устройствами памяти и ввода-вывода информации.

Микропроцессор состоит из трех основных блоков:

- арифметически-логического

- блока регистров

- устройства управления

Арифметически-логическое устройство (АЛУ) - выполняет все арифметические и логические преобразования данных.

Устройство управления - электронный блок компьютера, включающий в работу устройства, блоки, электронные элементы и цепи в зависимости от содержания текущей команды.

Регистр - ячейка памяти в виде совокупности триггеров, предназначенных для хранения одного данного в двоичном коде.

Количество разрядов в регистре определяется разрядностью микропроцессора

Регистры общего назначения - образуют сверхоперативную и служат для хранения операндов участвующих в вычислениях, а также результатов вычислений.

Операндом называются - исходные данные, над которыми производятся различные действия в арифметическом устройстве.

Регистр команд - служит для хранения команды, выполняемой в текущий момент времени.

Счетчик команд - регистр, указывающий адрес ячейки памяти, где хранится следующая команда.

Стек (стековая память) - совокупность связанных между собой регистров для хранения упорядоченных данных. Первый выбирается из стека данное попавшее туда последним, и наоборот.

Регистры процессора:

• регистр команд;
• счетчик команд;
• стек.

Операции центрального процессора

Кэш память центрального процессора Cache memory

Кэш-память предназначена для согласования скорости работы медленных устройств с быстрым процессором.

Различают три разновидности кэш-памяти:

• кэш-память прямого отображения: одна конкретная ячейка кэш-памяти соответствует конкретным ячейкам основной памяти;
• полностью ассоциативную кэш-память: данные блоков основной памяти могут размещаться в любых свободных блоках кэш-памяти;
• множественно-ассоциативная кэш-память: блок основной памяти может отображаться на любое из множеств, на которые делится кэш-память.

Кэш-память ( Cache memory ) предназначена для согласования скорости работы медленных устройств с относительно быстрым микропроцессором.

Начиная с 486, процессоры имеют внутреннюю кэш-память первого уровня (L1). Кэш-память второго уровня ( L 2) выполнена на микросхемах (обычно DIP ) статической памяти SRAM и устанавливается на системной плате. SRAM ( Static RAM ) - обладает высоким быстродействием и в отличие от DRAM , не требует регенерации.

Основные методы организации кэш-памяти:

Write Through - метод сквозной записи: предполагает наличие двух копий данных - в основной и кэш-памяти;

Buffered Write Through - метод буферизованной сквозной записи.

Процесс записи выполняется в буферы, организованные по принципу FIFO ( First Input - First Output ), "первым вошел - первый вышел". Архитектура кэш-памяти определяет, какой метод применяется для организации и нахождения данных, поступающих в нее из оперативной памяти.

Различают три разновидности кэш-памяти:

кэш-память прямого отображения: одна конкретная ячейка кэш-памяти соответствует конкретным ячейкам основной памяти;

полностью ассоциативную кэш-память: данные блоков основной памяти могут размещаться в любых свободных блоках кэш-памяти;

множественно-ассоциативная кэш-память: блок основной памяти может отображаться на любое из множеств, на которые делится кэш-память.

Архитектура процессора AMD Athlon 64

Оперативная память RAM - Random Access Memory

Оперативная память представляет собой самую быструю запоминающую среду компьютера. Принципиально имеет значение и то, что информация может быть как записана в нее так и считана. Размер оперативной памяти существенно влияет на быстродействие ПК.

Основные характеристики RAM:

• емкость микросхемы (количество и емкость информационных разрядов;
• контроль четности (parity);
• время доступа ("выборки").

Элементы памяти составляют основу внутреннего функционирования любой вычислительной системы, так как с их помощью данные хранятся и могут быть вновь прочитаны при дальнейшей обработке.

Чтобы CPU мог выполнять программы, они должны быть загружены в оперативную рабочую память (здесь под рабочей памятью понимается память доступная для программ пользователя). CPU имеет непосредственный доступ к данным, находящимся в оперативной памяти ( RAM - Random Access Memory - память с произвольным доступом), с другой же - "периферийной", или внешней, памятью (гибкими, жесткими и оптическими дисками) процессор работает через буфер, являющийся разновидностью оперативной памяти, недоступной пользователю. Только после того как программной обеспечение будет считано в RAM с внешнего носителя данных, возможна дальнейшая работа в целом.

Оперативная память (ОЗУ или RAM ) представляет собой самую быструю запоминающую среду компьютера. Принципиально имеет значение и то, что информация может быть как записана в нее так и считана. Размер оперативной памяти существенно влияет на быстродействие ПК. Для современных ПК с емкость ОЗУ желательно иметь от 512 Мбайт и выше, однако не следует забывать, что ОЗУ является дорогостоящим устройством.

Достоинства ОЗУ: благодаря малому времени доступа к памяти скорость обработки данных существенно возрастает. Если бы информация считывалась и записывалась только с внешних носителей, то пользователь проводил бы в ожидании завершения любой операции много времени.

Недостатком ОЗУ является то, что она является временной памятью. При отключении питания ОЗУ полностью "очищается", и все данные, не записанные на внешний носитель, будут навсегда потеряны.

Основные характеристики RAM:

емкость микросхемы (количество и емкость информационных разрядов;

контроль четности (parity);

время доступа ("выборки").

Оперативная память обычно реализована микросхемами динамического типа с произвольной выборкой DRAM ( Dynamic RAM ) в различных конструктивных исполнениях, но сегодня наибольшее распространение получили модули памяти SIMM ( Single In Line Memory Module ), устанавливаемые в специальные разъемы ( SIMM socket ).

Время доступа ( Access time ) к оперативной памяти - характеристика, указывающая, сколько времени нужно потратить для того, чтобы получить доступ к той или иной ячейке памяти. Некоторые системные платы ограничивают и этот параметр.

EDO ( Extended Data Output ) - динамическая память нового типа. В отличие от DRAM данные доступны для чтения в течение более длительного времени

Оперативная память имеет свои достоинства и недостатки:

- Благодаря малому времени доступа к памяти скорость обработки данных существенно возрастает. Если бы информация считывалась только с внешних носителей, то пользователь проводил бы в ожидании завершения выполнения той или иной операции много времени

- Недостатком оперативной памяти является то, что она является временной памятью. При отключении питания оперативная память полностью "очищается", и все данные, не записанные на внешний носитель, будут навсегда потеряны

Оперативная память принадлежит к категории динамической памяти, т. е. ее содержимое во время эксплуатации должно "освежаться" через определенные интервалы времени.

Запоминающим элементом динамической памяти является конденсатор, который может находиться в заряженном или разряженном состоянии. Если конденсатор заряжен, то в ячейку записана логическая 1. Если конденсатор разряжен, то в ячейку записан логический 0. В идеальном конденсаторе заряд может сохраняться неопределенно долго. В реальном конденсаторе существует ток утечки, поэтому записанная в динамическую память информация со временем будет утрачена, так как конденсаторы запоминающих элементов через несколько миллисекунд полностью разрядятся. Во избежание потери информации существует процесс регенерации памяти (Refresh).

Оперативная память представляет собой плату (за исключением старых моделей PC, где микросхемы устанавливались прямо в материнскую плату), длинной около 8-и см., на которой размещены микросхемы DRAM (Dynamic RAM). Такая плата называется модулем и устанавливается в соответствующие слоты материнской платы. Наибольшее распространение в последнее время получили DIMM-модули. Также имели место SIP и SIMM-модули. Модули вставляются в специально предназначенные для них слоты на материнской плате, называемые банками (Banks).  

Системная шина

Центральный процессор и вспомогательные микросхемы невозможно было использовать, если информация не циркулировала бы между отдельными элементами и устройствами. Проще говоря, в распоряжении системы имеется некоторое количество линий, которые связывают элементы между собой. Эти линии обмена называют шиной.

CPU и Chipset едва ли можно было использовать, если бы информация не циркулировала между отдельными элементами и устройствами. Проще сказать, что в распоряжении системы есть несколько линий, которые связывают элементы между собой. Эти линии обмена данными называют шиной ( Bus ) .

Важнейшей характеристикой шины является так называемая разрядность шины (иногда говорят ширина шины), которая определяет количество данных, параллельно "проходящих" через нее (8, 16, 32 и 64 бит).

Шины по функциональному назначению делятся на три категории:

-          Шина данных. По этой шине происходит обмен данными между CPU , картами расширения, установленными в слоты, и памятью.

-          Адресная шина. Служит для передачи адресов памяти.

-         Шина управления (системная шина). Управляет обменом данными, определяет какие данные куда необходимо доставить.

  По шине данных происходит обмен данными между CPU , платами расширения, установленными в слоты, и ОЗУ. Данные, транспортируемые по шине через системную плату, должны сделать где-нибудь остановку. Этой остановкой для информации являются ячейки памяти ОЗУ. Каждая ячейка памяти должна иметь свой адрес. Следовательно, объем памяти, к которой может адресоваться, CPU , зависит от разрядности шины адреса. Недостаточно просто транспортировать данные через линии шины или временно их где-то располагать, если не ясно, кто может принимать данные и куда их необходимо переслать. Эту задачу управления берет на себя шина контроллера, называемая собственно шиной управления или системной шиной. В качестве конечной станции системной шины можно рассматривать слоты, расширения, которых в системе может быть от 5 до 8. Они служат для установки карт расширения.

Наборы микросхем Chipset

Для работы компьютера необходим целый ряд вспомогательных микросхем :

• контроллер шины и памяти (Bus controller, DRAM controller);
• системный контроллер и контроллер периферии (System controller, peripheral interface logic);
• контроллер кэш-памяти ( C ache controller);
• контроллер клавиатуры (Keyboard controller);
• тактовый генератор (Clock generator);
• контроллер прерываний (Interrupt controller);
• контроллер прямого доступа к памяти ( DMA controller );
• часы реального времени ( Real Time Clock );
• таймер (Timer);
• буферы для данных и адресов ( Data buffer , Address buffer ).

Эти устройства могут быть выполнены в виде отдельных микросхем ( MSI , Medium - Scale Integration , средней степени интеграции), но чаще они объедены в несколько сверхбольших интегральных схем ( VLSI , Very Large - Scale Integration ), которые называют наборами микросхем ( chipset ).

Системная плата

Mainboard ( Motherboard ) – системная (материнская) плата: печатная плата, на которой установлены основные электронные компоненты (ядро) ПК .

Основные характеристики системной платы:

• типы поддерживаемых микропроцессоров ( CPU - Central Processing Unit , центральный процессор);
• тип системной шины ( bus ) и количество разъемов расширения ( slot );
• тип и объем оперативной памяти (ОЗУ);
• кэш-память ( cache ) второго уровня: ее размер и тип;
• версия BIOS ( Basic Input Output System ) - базовой системы ввода - вывода;
• набор вспомогательных микросхем (chipset);
• функции энергосбережения (Green function).

Системная плата

Стандарт системной шины - протокол, определяющий электрические, временные и логические характеристики сигналов передачи данных и адресов, а также управляющих сигналов между системной платой и периферийными устройствами. Стандарт определяет также тип используемых соединителей (тип контактов, их количество). Внешний вид и строение слотов зависит от типа системной шины.

Основные стандарты системных шин:

ISA ( Industry Standard Architecture ) - наиболее распространенный в ПК "Промышленный стандарт архитектуры". 16- битовая шина данных, 24 адресные линии, 15 аппаратных прерываний, 7 каналов DMA ( Direct Memory Acess , Прямой доступ к памяти), асинхронная работа с процессором на частоте 8 МГц. Максимальная скорость передачи - 16 Мбайт/с.

EISA ( Extented Industry Standard Architecture ) - расширенный промышленный стандарт архитектуры: 16-битовая шина данных, 24 адресные линии, тактовая частота 10 МГц. Максимальная скорость передачи в пакетном режиме (burst mode) - 33 Мбайт/с.

MCA ( Micro Channel Architecture ) - микроканальная архитектура, используемая только в компьютерах серии PS /2. Локальные ( local ) шины непосредственно связывают процессор с контроллерами периферийных устройств. Тактовая частота 10 МГц, скорость передачи данных 20 Мбайт/с.

Основные локальные шины:

VL-bus (VLB) - предложена ассоциацией VESA (Video Electronics Standards Assotiation). Использует разъем типа MCA , 32 разрядную шину данных. К ней можно подключить до трех устройств, так как шина не буферизована (то есть периферийный адаптер подключается практически, напрямую к процессору). Максимальная скорость передачи - около 130 Мбайт/ c . В VL - bus версии 2 используются 64-разрядная шина данных и число подключаемых периферийных устройств увеличено до 5.

PCI ( Peripheral Component Interconnect ) - разработана Intel для нового процессора Pentium )-. Работает синхронно с тактом CPU , но при этом не может работать с частотой выше 33 МГц. Для ПК, процессоры которых функционируют с более высокой частотой, шина прибегает к разделению такта, например, при частоте тактирования CPU 66 МГц - шина работает на 33 МГц. При максимальной теоретически возможной скорости передачи данных 132 Мбайт/с реальная скорость для устаревших микросхем Mercury и Neptune не превышает 30-40 Мбайт/с. Новейший комплект Triton обеспечивает это значение на уровне 100 Мбайт/с  

К шинам через специальные разъемы (слоты расширения) подключаются карты расширения, такие как графический адаптер, звуковые карты и т.д. В системе может насчитываться 5 – 8 таких слотов. Все они внешне отличаются друг от друга в соответствие с типом шины. Наиболее распространены в PC шины PCI (для высокоскоростных устройств) и шины ISA (для клавиатуры, мыши, звуковой карты и т.д.).

Системная плата

Mainboard ( Motherboard ) – системная (материнская) плата: печатная плата, на которой установлены основные электронные компоненты (ядро) ПК .

Основные характеристики системной платы:

• типы поддерживаемых микропроцессоров ( CPU - Central Processing Unit , центральный процессор);
• тип системной шины ( bus ) и количество разъемов расширения ( slot );
• тип и объем оперативной памяти (ОЗУ);
• кэш-память ( cache ) второго уровня: ее размер и тип;
• версия BIOS ( Basic Input Output System ) - базовой системы ввода - вывода;
• набор вспомогательных микросхем (chipset);
• функции энергосбережения (Green function).

BIOS Basic Input/Output System

Микросхема BIOS содержит набор программ, управляющих ресурсами ПК на аппаратном уровне. Микросхемы BIOS, как правило, выполнены в виде микросхем флэш-памяти (flash). Флэш-память - разновидность EPROM ( Erasable Programmable Read Only Memory, постоянная память, многократно программируемая пользователем ) ,

которая характеризи - руется высокой скоростью доступа и стирания записанной информации.

CMOS Complementary Metal - Oxide - Semiconductor

CMOS RAM — это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы.

Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup , находящейся в BIOS

Внешняя память

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения программ и данных, и целостность её содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер. В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором. Информация от ВЗУ к процессору и наоборот циркулирует примерно по следующей цепочке:

Внешняя память в компьютерах может быть организована на следующих устройствах :

• HDD - жёсткие магнитные диски; FDD - гибких магнитных дисках; CD - компакт-диски; DVD – видео - диски; Flash – память; накопители на магнитной ленте (стримеры) и др.
• HDD - жёсткие магнитные диски;
• FDD - гибких магнитных дисках;
• CD - компакт-диски;
• DVD – видео - диски;
• Flash – память;
• накопители на магнитной ленте (стримеры) и др.

Структура жесткого диска

Параллельная шина ATA ( IDE)

Самый массовый интерфейс применяемый для жестких дисков и других ПЗУ.

Достигнутый потолок скорости ATA / ATAPI - 133 Мбайт/с ( Ultra DMA Mode 6). Первоначально интерфейс АТА обладал ограничением адресуемого объема данных в 137 Гбайт, в послед­них версиях ( ATA / ATAPI -6) это ограничение преодолено, нынешний «пото­лок» — 144 Пбайт (петабайт).

Физически интерфейс АТА — это ленточный кабель-шлейф» предназначенный для подключения устройств внутри системного блока компьютера.

Последовательный интерфейс Serial ATA ( SATA )

Преемник своего параллельного предшественника – ATA. Интерфейс SATA повышает скорость обмена с устройством и решается проблема одновременной работы с несколькими устройствами, сразу используется расширенная адресация. Кабели и разъемы последовательного интерфейса SATA компактны, «горячее» подключение реализуется естественным образом: в SATA каждое устройство подключается к собственному порту хост-контроллера, а не к общей шине.

Дисковод CD-ROM

Скорость воспроизведения Audio CD - 150 Kb/c

CDx2 - 300 Kb/c

CDx 5 2 - 78 00 Kb/c

650 Mb

CD-R (Record) – диск для однократной записи (золотой) – высокая надежность

CD-RW – диск для перезаписи (до 1000 раз) могут считываться только на новых (как правило, не хуже 16-скоростных) устройствах CD-ROM.

Дисковод DVD-ROM

DVD ( Digital Versatile Disk ) цифровой многофункциональный диск ( видео фильмы, игры, энциклопедии… )

Стандарты

4,7 Gb = 133 мин. видео в формате MPEG-4 со

звуком Dolby Digital на

8 языках и субтитрами на 32 языках .

• DVD-5 – 1 сторона , 1 слой ; . 4,7 Gb
• DVD-9 – 1 сторона , 2 слоя ; 8,5 Gb
• DVD-10 – 2 стороны , 1 слой ; 9,4 Gb
• DVD-18 - 2 стороны , 2 слоя ; 17,0 Gb

VHS – 320 линий на кадр

MPEG4 – 500 линий на кадр

Дисковод DVD-ROM

Параметр

CD-ROM

диаметр

DVD-ROM

120 мм

толщина

1,2 мм

120 мм

шаг дорожки

длина волны

1,6 мкм

1,2 мм (по 0,6 мм на слой)

780 нм инфракрасный

0,74 мкм

вместимость

640 нм красный

0,65 Gb

кол-во слоев

1

4,7 Gb

1, 2, 4

35

Flash- память

• Флэш-память - особый вид энергонезависимой перезаписываемой полупроводниковой памяти .

• Энергонезависимая - не требующая дополнительной энергии для хранения данных (только для записи). Перезаписываемая - допускающая изменение (перезапись) данных. Полупроводниковая - не содержащая механически движущихся частей (как обычные жёсткие диски или CD), построенная на основе интегральных микросхем.
• Энергонезависимая - не требующая дополнительной энергии для хранения данных (только для записи).
• Перезаписываемая - допускающая изменение (перезапись) данных.
• Полупроводниковая - не содержащая механически движущихся частей (как обычные жёсткие диски или CD), построенная на основе интегральных микросхем.

• Флэш-память исторически происходит от ROM памяти, и функционирует подобно RAM. В отличие от RAM, при отключении питания данные из флэш-памяти не пропадают.
• Ячейка флэш-памяти не содержит конденсаторов, а состоит из одного транзистора особой архитектуры, который может хранить несколько бит информации.

Flash- память

Преимущества flash- памяти :

• Способна выдерживать механические нагрузки в 5-10 раз превышающие предельно допустимые для обычных жёстких дисков. Потребляет примерно в 10-20 раз меньше энергии во время работы , чем жёсткие дискам и носители CD-ROM. Компактнее большинства других механических носителей. Информация, записанная на флэш-память, может храниться от 20 до 100 лет .
• Способна выдерживать механические нагрузки в 5-10 раз превышающие предельно допустимые для обычных жёстких дисков.
• Потребляет примерно в 10-20 раз меньше энергии во время работы , чем жёсткие дискам и носители CD-ROM.
• Компактнее большинства других механических носителей.
• Информация, записанная на флэш-память, может храниться от 20 до 100 лет .

Замены памяти RAM флэш-памятью не происходит потому что флэш-память :

• работает существенно медленнее ; имеет ограничение по количеству циклов перезаписи (от 10000 до 1000000 для разных типов).
• работает существенно медленнее ;
• имеет ограничение по количеству циклов перезаписи (от 10000 до 1000000 для разных типов).

Flash- память

Flash - короткий кадр, вспышка, мелькание

Впервые Flash- память была разработана компанией Toshiba в 1984 году. В 1988 году Intel разработала собственный вариант флэш-памяти.

Название было дано компанией Toshiba во время разработки первых микросхем флэш-памяти как характеристика скорости стирания микросхемы флэш-памяти "in a flash" - в мгновение ока.

Контроллер

• Для каждого внешнего устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером, или адаптером. Некоторые контроллеры (контроллер дисков) могут управлять сразу несколькими устройствами.
• Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с CPU и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, которую обычно называют шиной

  Чтобы PC мог работать, необходимо, чтобы в его оперативной памяти находились программа и данные. А попадают они туда из различных устройств компьютера - клавиатуры, дисководов для магнитных дисков и т. д. Обычно эти устройства называют внешними, хотя некоторые из них могут находится не снаружи компьютера, а встраиваются внутрь системного блока.

Результаты выполнения программ также выводятся на внешние устройства - монитор, диски, принтер и т. д.

Таким образом, для работы компьютера необходим обмен информацией между оперативной памяти и внешними устройствами. Такой обмен называется вводом- выводом. Но этот обмен не происходит непосредственно между любым внешним устройством и оперативной памятью в компьютере имеются целых два промежуточных звена

1.    Для каждого внешнего устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером, или адаптером. Некоторые контроллеры (контроллер дисков) могут управлять сразу несколькими устройствами.

2.    Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с CPU и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, которую обычно называют шиной.

Шина представляет собой совокупность линий (проводов) по которым передается информация. Подробнее шины описаны ниже.

Одним из контроллеров, которые присутствуют почти в каждом компьютере, является контроллер ввода-вывода. Он управляет работой портов. Эти порты бывают следующих типов

-           Параллельные LPT 1- LPT 3

-           Асинхронные последовательные COM 1- COM 4

Разъемы параллельных и последовательных портов расположены на обратной стороне корпуса PC .

Параллельные порты выполняют ввод и вывод с большой скоростью, чем последовательные (за счет использования большего числа проводов в кабеле). Принцип параллельной передачи данных подразумевает передачу восьми бит данных одновременно (параллельно) К параллельному порту обычно подключается принтер. (25-и контактный разъем)

При последовательной передаче данных биты передаются (или принимаются) один за другим. К последовательным портам подключаются модемы, мыши и др. (9-и, реже 25-и контактный разъем)

Видеоадаптер и графический акселератор

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

Устройства компьютерной обработки видеосигналов :

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

Фрейм-грабберы , которые позволяют отображать на экране компьютера видеосигнал от видеомагнитофона, камеры, лазерного проигрывателя и т. п., с тем, чтобы захватить нужный кадр в память и впоследствии сохранить его в виде файла. TV-тюнеры — видеоплаты, превращающие компьютер в телевизор. TV-тюнер позволяет выбрать любую нужную телевизионную программу и отображать ее на экране в масштабируемом окне. Таким образом можно следить за ходом передачи, не прекращая работу

Графические режимы

А

Режим

Разрешение (гор. x вер.)

VGA

640x480

SVGA

800x600

XGA

1024x768

SXGA

UXGA

1280x1024

1600x1200

600

SVGA

800

А

768

XGA

1024

Звуковой адаптер ( звуковая карта / плата / sound card )

• Слоты ISA (8 MHz/ 16bit/ устаревшие )
• Слоты РСI (33 MHz/ 32bit/ современные )

Разрядность записи звука и динамический диапазон – разница между самым тихим и самым громким звуком

8 bit – 256 уровней – диапазон 48 дБ

16 bit – 65536 уровней – диапазон 96 дБ

20-22 bit - профессиональные

Частота дискретизации  

Частота оцифровки сигнала должна быть минимум в 2 раза больше максимальной частоты входного сигнала . Речь занимает полосу частот до 3-4 кГц, для ее оцифровки нужна частота 8 кГц.

8,0 11,025 22,05 44,1 48 кГц - выше 24 кГц человеческий слух не воспринимает.

Звуковой адаптер ( звуковая карта / плата / sound card )

Принтер, плоттер, сканер

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

Существуют:

• Матричные принтеры Лазерные принтеры Струйные принтеры
• Матричные принтеры
• Лазерные принтеры
• Струйные принтеры

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

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

Матричные (игольчатые) принтеры

Преимущества

• Нетребовательность к качеству бумаги, печать на нестандартной бумаге
• Наличие оттисков (важно для официальных документов), возможность печати под копирку
• Простота и надежность
• Дешевизна расходных материалов

Недостатки

• Не печатают графику
• Относительно высокий уровень шума
• Относительно низкая скорость печати
• Относительно низкое качество печати (150 dpi)
• Только монохромная печать

Последовательные, ударные.

Головка принтера оснащена 9, 18 или 24 иголками

Струйные принтеры ( Ink Jet)

Принцип действия

Изображение формируется из микрокапель ( ~ 50 мкм) чернил, которые выдуваются из сопел картриджа. Каждая строка цветного изображения проходится как минимум 4 раза ( CMYK ). Количество сопел обычно от 16 до 64, но есть печатающие головки с сотнями сопел.

Преимущества

• Высокое качество графики даже для самых дешевых моделей.
• Низкая стоимость принтера (продается ниже себестоимости).
• Наличие принтеров больших форматов (от А4 до А0 (плоттер)).

Последовательные, безударные

Струйные принтеры ( Ink Jet)

Недостатки

• Низкая экономичность. Затраты на чернила уже в первый год как минимум в 5 раз превысят стоимость устройства, при объемах печати в 10–15 страниц в день. Непроизводительный расход чернил на прочистку головок. Низкая емкость картриджей.
• Требователен к бумаге.
• Низкая стойкость отпечатков (быстро выцветают и смываются).
• Относительно низкая надежность.
• Относительно низкая скорость печати.

Последовательные, безударные

Плоттеры (графопостроители)

П рименяются для вывода длинных непрерывных графиков, диаграмм и больших чертежей .

Форматы : A2, A3, A1, A0

Различные модели плоттеров могут иметь как одно, так и несколько перьев различного цвета (обычно 4-8).

Лазерные принтеры

• Каждая частица полупроводниковой пленки [2], нанесенной на металлический цилиндр фотонаборного барабана [1] заряжается отрицательно с помощью коронатора [3].
• Луч лазера [4] с помощью отклоняющего зеркала [5] сканирует вдоль одной строки заряженного барабана, разряжая его в точках своего попадания. После сканирования лазерным лучом одной строки шаговый двигатель поворачивает барабан на небольшое расстояние для сканирования следующей. Т. О. на барабане получается "зарядовая фотография".
• На фотонаборный барабан наносится тонер - мельчайшие частицы красящего вещества, которые вытягиваются из картриджа [6] под действием кулоновских сил притяжения.
• Сформированное на барабане изображение переносится на бумагу [7], которая протягивается вплотную к барабану с помощью системы валиков [8]. Перед контактом с барабаном бумаге сообщается положительный электростатический заряд, благодаря которому заряженные отрицательно частицы тонера легко переносятся на бумагу.
• Для фиксации тонера бумага пропускается между двумя роликами [9], нагретыми до температуры ~ 180оС, что приводит к вплавлению тонера в бумагу.
• Барабан разряжается и очищается специальным роликом очистки [10] от оставшегося тонера, после чего готов к печати новой страницы.

Лазерные принтеры

Преимущества

• Высокая надежность
• Относительно невысокая цена копии
• Высокая скорость печати (до 12 страниц / мин.)
• Высокое качество печати 300, 600 и более dpi.

Недостатки

• Монохромная печать (высокая цена принтера и копии для качественной цветной печати)

Страничные, безударные

Лазерные принтеры (цветные)

Лазерные цветные принтеры низшего ценового диапазона используют четырехпроходную технологию. Поэтому их быстродействие при выводе цветных документов не превышает 8 стр./мин.

Схема взаимодействия устройств ПК

Интерфейсы ввода-вывода компьютера

Интерфейс USB

USB – универсальная шина для подключения периферийных устройств (клавиатура, мышь, принтер и т.д.) Скорость передачи данных 12 Мб/с

USB – универсальная шина для подключения периферийных устройств. Скорость передачи данных 12 Мб/с.

Интерфейс USB

Интерфейс FireWire

Стандарт IEEE 802.11 - беспроводного подключения Интерфейс Bluetooth

Bluetooth – используется для организации беспроводной передачи данных на основе радиосетей и включает в себя поддержку многих функций - передача голоса, синхронизации данных, передача файлов, дистанционное взаимодействие с факсом и модемом и т.п .

IEEE 802.11a

интерфейс: CardBus

скорость передачи данных: до 54 Mbit/sec

• рабочая частота: 5 GHz

IEEE 802.11 b

интерфейс: PCcard, USB, PCI

скорость передачи данных: до 11 Mbit/sec

рабочая частота: ISM 2.4GHz

Устройства ввода-вывода компьютера

Литература

• Гук М. Ю. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия. – М.: Изд-во «Питер», 2006.- 1072 с.
• Upgrading and Repairing Pcs, 17th Edition. – QUE,2006.–1608 p.