Конфигурация, архитектура и элементы компьютеров

Самыми развитыми, универсальными и высокопроизводительными микропроцессорными системами являются компьютеры.

Компьютер - программируемый цифровой обработчик информации, представляющий собой совокупность различных устройств, объединенных в единую систему, реализующий все основные информационные процес сы. Компьютер - программно-управляемое устройство, для функционирования которого помимо технических (аппаратных) средств необходимо располагать программным обеспечением - совокупностью программ, обеспечивающих работу компьютера и выполнение им заданных функций. Так как компьютеры изначально создавались для выполнения вычислений (computer - вычислитель), то и в настоящее время их называют электронными вычислительными машинами (ЭВМ).

Конфигурацией компьютера называют фактический набор его компонентов, которые можно разделить на две группы устройств.

  • 1. Системные (элементы материнской платы).
  • 2. Периферийные или внешние (устройства внешней памяти, управления, ввода и вывода информации), которые подключаются к интерфейсам системных устройств.

В конструкции компьютера также имеются:

  • - блок питания, преобразующий переменный ток сети в постоянный ток, подаваемый на электронные схемы компьютера;
  • - система воздушного охлаждения греющихся элементов.

Основным функциональным блоком компьютера является материнская или системная плата, на которой размещены:

  • - центральный процессор;
  • - математический сопроцессор чисел с плавающей запятой;
  • - вспомогательные устройства: ГТИ, счетчик времени, устройства контроля и защиты, микросхемы управления компонентами компьютера;
  • - внутренняя память (ОЗУ и ПЗУ);
  • - интерфейсные средства.

Архитектура современных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе. Все компоненты компьютера соединяются между собой системной шиной, которая обслуживается контроллерами и служебными устройствами (буфера, регистры, мосты), а также программной оболочкой (драйверами и операционной системой). Используемые в настоящее время шины отличаются по разрядности, способу передачи сигнала (последовательные, параллельные), пропускной способности, количеству и типу поддерживаемых устройств, а также протоколу работы. Шины могут быть синхронными (осуществляющими передачу данных по такто вым импульсам) и асинхронными (осуществляющие передачу данных в произвольные моменты времени), а также использовать различные схемы арбитража (то есть способа совместного использования шины несколькими устройствами).

Аппаратное подключение периферийного устройства к материнской плате на физическом уровне осуществляется через специальный блок -контроллер или адаптер (плату, карту). Для установки контроллеров и адаптеров на материнской плате имеются специальные разъемы - слоты. Программное управление работой периферийного устройства производится программой - драйвером.

Видеоадаптер (графический адаптер, видеокарта) является промежуточным звеном между компьютером и видеомонитором. Основное назначение видеоадаптера - формирование изображения на экране видеомонитора под управлением программы компьютера, то есть на него возлагаются функции формирования сигналов, обеспечивающих вывод изображения. Цифровой образ текущего кадра формируется центральным процессором и в виде матрицы двоичных чисел, записывается в кадровый буфер видеопамяти. Строки матрицы отождествляются со строками растра изображения. Каждая ячейка матрицы соответствует точке (пикселу) на экране видеомонитора, а ее содержимое (двоичное число) отражает яркость засветки точки. Видеоадаптер последовательно считывает содержимое каждой ячейки и формирует видеосигнал, который управляет яркостью электронного луча. Считывание ячеек осуществляется синхронно с перемещением луча по экрану видеомонитора. В результате яркость каждого пикселя на экране оказывается пропорциональной содержимому соответствующей ячейки памяти видеоадаптера. После считывания ячеек каждой строки матрицы формируется импульс обратного хода луча по горизонтали, а по окончании считывания всех ячеек кадрового буфера - импульс обратного хода луча по вертикали. Таким образом, частоты строчной и кадровой разверток задаются видеоадаптером и должны поддерживаться блоком разверток видеомонитора.

С момента появления первых компьютеров видеоадаптеры претерпели значительные изменения. Единственное назначение первых видеоадаптеров состояло в обеспечении вывода простейших изображений. По мере развития устройств вычислительной техники на видеоадаптеры стали возлагаться многие дополнительные функции, например формирование и аппаратное ускорение обработки изображений двумерной и трехмерной графики, прием и обработка телевизионных и других динамических изображений. Их реализация потребовала использования сложных схемных решений. Поэтому современные видеоадаптеры (например, SVGA) являются многокомпонентными универсальными устройствами, обладающими широкими функциональными возможностями.

Подключение к компьютеру различных внешних устройств осуществляется через специальные разъемы - порты. Различают следующие порты:

  • - последовательные (СОМ) порты, которые передают небольшие объемы информации на большие расстояния;
  • - параллельные (LPT) порты, которые передают большие объемы информации на небольшие расстояния, используются для подключения принтера, сканера;
  • - последовательные универсальные (USB) порты, предназначенные для подключения различных внешних устройств, флеш-дисков, осуществляющие как передачу информации, так и питание внешних устройств.

Подключение компьютера к информационной сети осуществляется через сетевой адаптер (сетевую плату или карту), который интегрирован в материнскую плату.

В компьютере предусмотрено разделение памяти на внутреннюю (ОЗУ, ПЗУ) и внешнюю. Внешняя память является энергонезависимой.

Устройства внешней памяти относятся к периферийным устройствам и предназначены для хранения больших объемов информации в виде файлов, содержание которых может быть произвольным. Процессор имеет доступ к содержимому указанных файлов только в некоторой области ОЗУ, то есть после предварительной записи в ОЗУ. Любое устройство внешней памяти состоит из блока считывания, записи и удаления информации и носителя информации. В современных компьютерах используются следующие устройства внешней памяти.

  • 1. Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД, HMDD) или винчестеры предназначены для долговременного хранения различных программ и документов, они являются основными устройствами внешней памяти. НЖМД включает следующие элементы, размещенные в корпусе:
    • - несъемный носитель информации - жесткий магнитный диск;
    • - шпиндельный двигатель механически связанный с осью, на которой закреплены алюминиевые диски, он обеспечивает вращение дисков со скоростью 3 600, 5 400, 7 200 оборотов в минуту;
    • - блок магнитных головок (две на каждый диск);
    • - устройство позиционирования в виде шагового двигателя или подвижной катушки с магнитом, предназначенное для одновременного перемещения всех головок блока в радиальном направлении;
    • - фильтры для защиты от пыли, продуктов износа;
    • - механизм автопарковки, обеспечивающий установку магнитных головок на последний цилиндр (совокупность дорожек равноудаленных от оси вращения дисков) и блокировку их перемещения после выключения питания;
    • - печатная плата, на которой размещены электронные схемы управления шпиндельным двигателем и устройством позиционирования, узлы траков записи/чтения, схемы интерфейса и другие.

Все современные НЖМД снабжаются встроенным кэшем (обычно 2 Мб), который существенно повышает их производительность. Винчестерский накопитель связан с процессором через контроллер жесткого диска.

Жесткий магнитный диск - набор алюминиевых дисков с двухсторонним магнитным покрытием (платтеров), закрепленных на оси вращения. Рабочие поверхности платтеров разделены на кольцевые концентрические дорожки, а дорожки - на секторы. Поверхность платтера имеет магнитное покрытие толщиной всего лишь в 1,1 мкм, а также слой смазки для предохранения головки от повреждения при опускании и подъеме на ходу. При вращении платтера над ним образуется воздушный слой, который обеспечивает воздушную подушку для зависания магнитной головки на высоте 0,5 мкм над поверхностью диска.

Емкость памяти жесткого магнитного диска определяется количеством платтеров. Жесткие магнитные диски имеют очень большую емкость от 10 до 100 Гб. У современных моделей скорость вращения шпинделя (вращающего вала) обычно составляет 7200 оборотов в минуту, сред нее время поиска данных 9 мс, средняя скорость передачи данных до 60 Мб/с.

2. Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) предназначены для считывания, записи и удаления информации с гибких магнитных дисков (дискет). НГМД состоит из дисковода и съемного носителя информации - дискеты. Для считывания, записи, удаления информации, записанной на дискете, дисковод оснащен установленной на приводе парой магнитных головок, прижимающихся к поверхности диска. Двигатель, который осуществляет перемещения головок по диску в двух направлениях с определенным приращением, или шагом, называется шаговым двигателем. Двигатель управляется контроллером диска, который устанавливает головки в соответствии с любым относительным приращением в пределах границ перемещения привода головок. В миниатюрных дисководах на 3,5 дюйма головки монтируются на червячной передаче, приводимой в движение непосредственно валом шагового двигателя.

Для подключения дисковода имеются два разъема: один для электрического питания, а другой для передачи данных и сигналов управления. Эти разъемы стандартизованы: для подключения питания используется четырехконтактный линейный разъем большого и малого размеров, сигнальный - 34-контактный. В дисководах формата 3,5 для питания используется разъем меньшего размера. Материнская плата содержит контроллер дисководов, обеспечивающий установку пары дисководов.

3. Флеш-память - разновидность полупроводниковой технологии электрически перепрограммируемой памяти (EEPROM). Благодаря компактности, дешевизне, механической прочности, большому объему, скорости работы и низкому энергопотреблению, флеш-память широко используется. Подключение съемного носителя информации - флеш-диска производиться к USB-порту. Принцип работы полупроводниковой технологии флеш-памяти основан на изменении и регистрации электрического заряда в изолированной области («кармане») полупроводниковой структуры. Изменение заряда («запись» и «стирание») производится приложением между затвором и истоком большого потенциала, чтобы напряженность электрического поля в тонком диэлектрике между каналом транзистора и карманом оказалась достаточна для возникновения туннельного эффекта. Для усиления эффекта туннелирования электронов в карман при записи применяется небольшое ускорение электронов путем пропускания тока через канал полевого транзистора (явление инжекции горячих носителей).

Чтение выполняется полевым транзистором, для которого карман выполняет функцию затвора. Потенциал плавающего затвора изменяет пороговые характеристики транзистора, что и регистрируется цепями чтения.

Во время выполнения операций чтения и записи флеш-память обычно потребляет не более 200 мВт электроэнергии и не шумит. Скорость считывания информации составляет несколько мегобайт в секунду, скорость записи несколько ниже (эти значения зависят от типа флеш-памяти и ее интерфейса). Флеш-память на базе логических схем NOR (ИЛИ-HE -стрелка Пирса) позволяет организовать произвольный доступ к данным, и на ее основе могут создаваться ОЗУ.

Твердотельный накопитель SSD - компьютерное немеханическое запоминающее устройство на основе микросхем памяти, кроме них SSD включает управляющий контроллер, использует для хранения информации флеш-память типа NAND.

4. Оптические накопители осуществляют считывание, запись и удаление данных с оптических дисков (CD, DVD) при помощи лазера, генерирующего монохроматические электромагнитные колебания в оптическом диапазоне в виде узконаправленного пучка света. Оптические диски являются съемными носителями информации. Существуют оптические приводы: для работы с CD-дисками и DVD-дисками (универсальные); только для считывания данных и пишущие.

Скорость чтения у оптического DVD-привода лежит в пределах

1,4... 14 Мб/с. Наличие более сложной оптической системы замедляет время доступа к нужной информации на диске от 100 мс у современных CD до 170 мс - у DVD. Ситуацию выправляет увеличенный до 512 Кб кэш, сохраняющий теперь больше считанной в процессе работы информации.

Оптический накопитель состоит из блока оптико-механического привода и съемного носителя информации - оптического диска. В состав оптико-механического привода входят:

  • - полупроводниковый лазер, генерирующий световой поток с определенной длиной волны и интенсивностью для считывания, записи, удаления данных;
  • - фотоприемник, предназначенный для преобразования светового потока в электрический сигнал и передачи его в системную шину;
  • - подвижная каретка, перемещаемая с помощью серводвигателя к нужной дорожке на оптическом диске;
  • - разделительная призма и фокусирующая линза, направляющие отраженный луч на фотоприемник в режиме считывания.

При записи информации лазерный луч повышенной интенсивности, достигая поверхности оптического диска, оставляет на его поверхности впадину глубиной - четверть длины волны, при выключенном лазере на поверхности диска формируется площадка. При считывании на поверхность диска воздействуют лазерным лучом пониженной интенсивности. Используются два способа считывания данных с оптических дисков:

  • - отраженный от впадины световой поток проходит путь на половину длины волны больший, чем отраженный от площадки, разность прямого и отраженного световых потоков фиксируется в фотоприемнике как 0 или 1 в зависимости от чего отразился поток (от площадки или впадины);
  • - при использовании в качестве впадины выжженного красителя (диски CD-R) впадина не отражают световой поток, а площадка отражает.

Устройства управления предназначены для воздействия пользователем на компьютер, к ним относятся: манипуляторы «мышь», сенсорные экраны (мультитачи), трекболы, джойстики, сенсорные панели (тачпады).

Манипулятор «мышь» состоит из корпуса в виде небольшой коробочки обтекаемой формы, который с помощью кабеля и разъема подключается к системному блоку компьютера. Для ввода управляющих сигналов используются находящиеся на корпусе мыши кнопки (клавиши), у большинства их две. Специальные модели содержат более трех кнопок и другие органы управления. Функциональное назначение кнопок мыши различно и зависит от выполняемого приложения. При работе в Windows одна из кнопок (обычно левая) является основной или рабочей, с ее помощью выполняется большинство операций. Другая кнопка служит для вызова динамического меню, чтобы управлять объектом. Таким образом, основными компонентами «мыши» являются:

  • - корпус, который находится в руке пользователя и передвигается по столу;
  • - механизм отслеживания перемещения мыши: шарик или оптический датчик;
  • - несколько кнопок для подачи команд;
  • - интерфейс соединения мыши с системным блоком, в традиционных конструкциях для этого используются кабель и разъем, в беспроводных конструкциях - радиочастотные или инфракрасные приемопередатчики.

По принципу действия «мыши» подразделяются на механические, оптические, индукционные, гироскопические, с сенсорным управлением. По способу подключения к системному блоку различают:

  • - serial mouse (последовательная мышь), подключаемая к СОМ-порту;
  • - PS/2 mouse, подключаемая к порту PS/2, расположенном на системной плате;
  • - USB mouse, подключаемая к порту USB;
  • - bus mouse, подключаемая к системной шипе.

По способу взаимодействия с портом «мыши» бывают:

  • - проводные или «хвостатые», которые взаимодействуют с портом посредством кабеля;
  • - беспроводные или «бесхвостые» мыши, использующие для взаимодействия с портом радиосигналы или инфракрасные сигналы.

Сенсорный экран (мультитач) реагирует на прикосновения к нему специальными инструментами или пальцами рук. В основе работы сенсорных экранов положены разные физические явления, в связи с чем, различают следующие типы сенсорных экранов: резистивные, матричные, емкостные, проекционно-емкостные, инфракрасные, оптические, индукционные, тензометрические, DST, на поверхностно-акустических волнах.

Трекбол функционально представляет собой перевернутую механическую (шариковую) мышь. Шар находится сверху или сбоку, и пользователь может вращать его ладонью или пальцами, не перемещая корпус устройства. Несмотря на внешние различия, трекбол и мышь конструктивно похожи - при движении шар приводит во вращение пару валиков или, в более современном варианте, его сканируют оптические датчики перемещения (как в оптической мыши).

Джойстик представляет собой качающуюся в двух плоскостях вертикальную ручку, посредством которой моно осуществлять различные манипуляции.

Сенсорная панель (тачпад) - контактная площадка, реагирующая на прикосновения пальцев или специальных устройств. Перемещения пальца по поверхности тачпада преобразуются в движения курсора-указателя на экране. Прикосновения к поверхности имитируют нажатия кнопок мыши или клавиш клавиатуры.

Устройства ввода информации позволяют компьютеру или другой микропроцессорной системе получать информацию от пользователей или из окружающей среды. Основными устройствами ввода информации являются: клавиатуры, кнопочные панели, сенсорные экраны, дигитайзеры, микрофоны, веб-камеры, кардридеры. Клавиатуры и кнопочные панели также выполняют функции управления.

Клавиатура (keyboard) является одним из основных средств ввода информации (данных, команд, управляющих воздействий и др.) в компьютер и представляет собой унифицированное устройство, содержащее:

  • - набор клавиш, кнопок и индикаторов, расположенных на лицевой панели; с клавишами и кнопками совмещены механические или бесконтактные переключатели, предназначенные для фиксации их нажатия и отпускания; контакты переключателей выполняют функции датчиков нажатия и отпускания, они объединены в матрицу;
  • - кабель со стандартным разъемом, обеспечивающий последовательный интерфейс с системной платой по линиям данных (KB-Data) и синхронизация (КВ-Clock);
  • - контроллер, осуществляющий сканирование матрицы датчиков, управление индикаторами, внутреннюю диагностику и связь с системной платой.

В двуязычных вариантах расширенной клавиатуры устанавливается более ста клавиш. На клавишах клавиатуры нанесены буквы латинского и русского алфавитов, десятичные цифры, знаки препинания, графические и специальные служебные знаки, наименования некоторых команд и другое Нанесенные обозначения на клавишах определяют их значение. Можно выделить четыре группы клавиш: основная клавиатура; функциональные и специальные клавиши; клавиши управления курсором; цифровая клавиатура.

Дигитайзер или графический планшет устройство ввода рисунков от руки непосредственно в компьютер, состоит из пера и плоского планшета, чувствительного к нажатию или близости пера. В современных графических планшетах основной рабочей частью является сетка из проводов, она имеет достаточно большой шаг (3...6 мм), но механизм регистрации положения пера позволяет получить шаг считывания информации намного меньше шага сетки (до 200 линий на 1 мм). По принципу работы различают:

  • - электростатические графические планшеты, в которых регистрируется локальное изменение электрического потенциала сетки под пером;
  • - электромагнитные графические планшеты, у которых перо излучает электромагнитные волны, а сетка служит приемником;
  • - графические планшеты, использующие электромагнитный резонанс, в которых сетка излучает и принимает сигнал.

Микрофон - прибор, преобразующий аудиоинформацию (звук, голос, музыку) в электрические колебания. Наиболее распространенный вид микрофона в настоящее время - динамический микрофон, к достоинствам которого можно отнести его хорошие качественные показатели: прочность, небольшие размеры и массу, малую восприимчивость к вибрациям и тряске, широкий интервал воспринимаемых частот.

Веб-камера - малоразмерная цифровая видео- или фотокамера, способная в реальном времени фиксировать изображения и передавать их в компьютер или по информационной сети. Модели веб-камер, используемые в охранных целях, могут снабжаться дополнительными устройствами и функциями (такими, как детекторы движения, подключение внешних датчиков и т.п.)

Веб-камера содержит объектив, оптический фильтр, ПЗС или КМОП-матрицу, схему цифровой обработки изображения, схему компрессии изображения и опционально веб-сервер для подключения к сети.

Современная ІР-камера представляет собой цифровое устройство, производящее видеосъемку, оцифровку, сжатие и передачу по информационной сети видеоинформации. В отличие от обычной веб-камеры ІР-камера функционирует как веб-сервер и имеет свой собственный 1Р-адрес. Таким образом, возможно непосредственное подключение камеры к Internet и управление камерой через браузер.

Кардридер (card reader) - устройство для чтения карт памяти, а также других электронных карт, в частности, смарт-карт и флеш-карт. Наибольшее распространение получили:

  • - универсальные кардридеры для накопителей информации на базе флеш-памяти, содержащие часто по несколько различных разъемов и подключаемые по интерфейсу USB к компьютеру; бывают внешние в виде отдельного устройства и внутренние в виде встроенного модуля;
  • - специализированные устройства чтения смарт-карт, сопряженные с аппаратурой, использующей соответствующий тип карт, например, кардридер банкомата, устройства чтения карт в пропускных пунктах.

По принципу действия устройства чтения карт бывают:

  • - традиционные, с электрическим присоединением контактов, обеспечивают наибольшую скорость обмена данными, в настоящее время применяются как устройства компьютерной памяти наравне с жесткими дисками;
  • - магнитные, имеющие магнитную головку для чтения полосы на магнитных картах, карты для данного типа устройств долгое время отличались наименьшей себестоимостью производства, а потому такие устройства получили широкое распространение;
  • - электронные бесконтактные, реализующие технологию беспроводной связи малого радиуса действия.

Устройства вывода информации воспроизводят визуальную и аудиальную информацию, позволяют пользователю воспринимать информацию из компьютера. К этим устройствам относятся: видеомониторы (дисплеи), динамики, аудиоколонки.

Видеомонитор или дисплей - устройство, предназначенное для воспроизведения визуальной информации по сигналу компьютера. Современный монитор состоит из экрана, блока питания, плат управления и корпу са. Экран современного видеомонитора можно представить как совокупность элементов изображения (пикселов), нанесенных на его поверхность вдоль строк и столбцов (в виде матрицы).

Классификация видеомониторов.

  • 1. По типу экрана:
    • - на электронно-лучевых трубках;
    • - плоскопанельные на жидких кристаллах;
    • - плазменный - на основе плазменной панели;
    • - LED-монитор - на основе технологии LED (светоизлучающий диод);
    • - OLED-монитор - на основе технологии OLED (органический светоизлучающий диод);
    • - виртуальный ретинальный монитор - технология устройств вывода, формирующая изображение непосредственно на сетчатке глаза;
    • - лазерный - на основе лазерной панели.
  • 2. По виду выводимой информации:
    • - алфавитно-цифровые дисплеи, отображающие только текстовую (буквенно-цифровую) информацию;
    • - графические, для вывода текстовой, графической и видеоинформации.
  • 3. По размерности изображения: двухмерные и трехмерные - стереодисплеи.

Видеомониторы также классифицируются по типу видеоадаптера и интерфейсного кабеля.

Стереодисплей - устройство визуального отображения информации (дисплея), позволяющего создавать у зрителя иллюзию наличия реального объема у демонстрируемых объектов и иллюзию частичного либо полного погружения в сцену, за счет стереоскопического эффекта. Стереоскопические ЗИ-дисплеи формируют отдельные изображения для каждого глаза. Такой принцип используется в стереоскопах, известных еще с начала XIX века. Объемные дисплеи используют различные физические механизмы для показа светящихся точек в пределах некоторого объема.

Динамик - устройство, преобразующее электрический сигнал в звук (аудиоинформацию), встраивается в различные приборы.

Аудиоколонка - динамик с вспомогательными устройствами, заключенные в корпус; представляет собой самостоятельный прибор, подключаемый кабелем к компьютеру, магнитофону и другим.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >