Внешние устройства эвм. Принципы работы и состав эвм

28.01.2019

ВНЕШНИЕ УСТРОЙСТВА ЭВМ, аппаратные средства (часто конструктивно отделённые от основного блока ЭВМ), расширяющие функциональные возможности ЭВМ за рамки вычислительных операций процессора и работающие под её управлением. В основном предназначены для хранения информации и обмена данными между ЭВМ и объектами внешней среды (пользователями, объектами управления и др.). Как правило, внешние устройства ЭВМ делят на устройства внешней памяти (накопители), устройства ввода-вывода, устройства связи.

Накопители служат для длительного хранения данных (например, программ, результатов расчётов, текстов), по сравнению с оперативным запоминающим устройством характеризуются большим объёмом хранимой информации и низким быстродействием. Накопитель состоит из одного или нескольких (например, накопитель на жёстких магнитных дисках - НЖМД) физического носителей данных, головки записи и считывания (для накопителей воспроизводящего типа - только считывания) и одного или нескольких приводов, изменяющих положение головки относительно носителя. Нередко для работы с одним носителем используют сразу несколько головок чтения/записи (например, накопители на магнитных лентах - НМЛ).

По типу доступа к данным накопители делят на устройства с последовательным (для чтения/записи блока данных требуется просмотр всех предшествующих блоков) и произвольным (для чтения/записи нужного блока данных не требуется считывания всех предшествующих блоков) доступом. В накопителях с последовательным доступом (например, НМЛ) время доступа к блоку данных зависит от его местоположения. В современных НМЛ используют методы, позволяющие относительно быстро перемещать головку к заданному блоку данных (например, индексные метки). К современным стандартам НМЛ можно отнести LTO и VXA, первый из которых применяет линейную, а второй - винтовую (наклонную, helical scan) схему записи информации на ленте. Наиболее распространённый вид НМЛ - стримеры.

При произвольном (прямом) доступе время доступа к блоку данных не зависит от его местоположения на носителе. Наибольшее распространение получили НЖМД (или винчестеры) и накопители на оптических дисках (CD-ROM, DVD-ROM, получившие дальнейшее развитие в стандартах HD-DVD и Blue Ray). Широко распространённые в прошлом накопители на гибких магнитных дисках (НГМД, дискета) постепенно выходят из употребления. На смену им пришли оптические накопители с возможностью перезаписи (CD-RW, DVD-RW) и твердотельные накопители на основе флэш-памяти. К накопителям с произвольным доступом также относят магнитооптические диски, накопитель Бернулли, zip-дисководы, Floptical (НГМД с позиционированием головки по оптическим меткам) и др.

Устройства внешней памяти могут быть с постоянными или сменными носителями. Постоянный носитель является частью самого устройства и не может быть извлечён из него в процессе функционирования (например, жёсткие диски). Сменный носитель не является частью устройства и может устанавливаться в накопитель и извлекаться из него в процессе работы (например, стримеры, гибкие и оптические диски). Результаты расчётов могут быть сохранены на сменном носителе и перенесены на другую ЭВМ, поддерживающую тот же формат сменных носителей на физическом и логическом уровнях. Несменные накопители имеют более высокую скорость доступа к данным и предназначены для хранения той информации, которая чаще всего используется в работе (например, программ операционной системы, сервисных программ). Большинство современных накопителей энергонезависимы, что обеспечивает сохранение данных текущего сеанса работы с ЭВМ в случае отключения питания сети.

Устройства ввода-вывода осуществляют ввод данных в ЭВМ, вывод результатов вычислений, а также необходимые для этого преобразования данных. В первых ЭВМ ввод информации производился побитно посредством штекеров и переключателей, а вывод осуществлялся на цифровые индикаторы. Появившиеся позднее устройства ввода-вывода символьной информации с перфокарт и перфолент, электрические пишущие машинки, телетайпы, а также алфавитно-цифровые печатающие устройства обеспечили более высокую скорость обмена данными.

В современных ЭВМ для ввода данных чаще всего применяют клавиатуру и различные виды манипуляторов (мышь, трекбол, джойстик), а для вывода - индикаторные панели и видеодисплеи (мониторы). Системы планшетного ввода и графопостроители (плоттеры) позволяют работать с графической информацией. Используются также системы акустической связи с ЭВМ, включающие устройства распознавания и синтеза речевых сигналов. Ввод данных с печатных носителей осуществляется при помощи сканирующих устройств (планшетные, барабанные, ручные сканеры). Для вывода информации в виде твёрдой копии (например, на бумаге) применяют печатающие устройства (принтеры). Так называемые «объёмные принтеры» позволяют получать объёмные модели небольших объектов из специального пластика. В ручном или автоматическом режиме при помощи специального оборудования может осуществляться ввод трёхмерных моделей в память ЭВМ.

У современных специализированных ЭВМ (различного назначения) набор внешних устройств весьма широк (например, различные датчики, исполнительные устройства), и функции многих из них лишь условно могут быть определены как ввод-вывод. Например, бортовая ЭВМ летательного аппарата получает данные от гироскопов, радара, терминала системы глобального позиционирования и использует их для управления рулями курса и высоты, подачи топлива и пр.; ЭВМ кондиционера управляет скоростью вращения вентилятора и рабочим циклом компрессора на основании данных термометра и гигрометра. В качестве внешних устройств ЭВМ могут выступать сканеры штрих-кодов, видеопроектор, источник бесперебойного питания и др.

Устройства связи применяют для организации каналов передачи данных. На небольших расстояниях для подключения внешних устройств широко применяют специализированные последовательные шины USB и IEEE-1394 (FireWire). Для обеспечения одновременной работы большого числа последовательных или параллельных каналов ввода-вывода используют специализированные многопортовые коммуникационные платы, снабжённые специализированным процессором для эффективной организации прямого доступа к памяти (ПДП, от английский DMA - direct memory access). При ПДП передача данных по общей шине между оперативной памятью и периферийным устройством (например, жёстким диском) происходит без участия центрального процессора, что значительно ускоряет пересылку данных и снижает нагрузки на центральный процессор.

Для связи на больших расстояниях применяют разнообразные виды модемов, которые осуществляют передачу, приём и преобразование (в соответствии с выбранным стандартом - протоколом) цифрового сигнала в аналоговый (и обратно). Модемы делят на встраиваемые (реализуемые в виде платы расширения) и внешние (подключаемые к ЭВМ с помощью последовательного канала или шины USB). В качестве канала связи могут выступать телефонные линии, выделенные проводные или оптоволоконные линии, радиорелейные линии связи и др. Факс-модем, кроме текстов, может принимать и передавать факсимильные сообщения. К устройствам связи относят также шифраторы и дешифраторы, предназначенные соответственно для шифровки и расшифровки выходных и входных текстов.

Лит.: Авдеев В. А. Компьютеры: шины, контроллеры, периферийные устройства. М., 2001.

ТЕМА 5. ВНЕШНИЕ УСТРОЙСТВА ЭВМ

ЛЕКЦИЯ 5.2. УСТРОЙСТВА ВВОДА ИНФОРМАЦИИ (УВИ)

КЛАССИФИКАЦИЯ УСТРОЙСТВ ВВОДА ИНФОРМАЦИИ

Внешние (периферийные) устройства (ВУ) – важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса. Достаточно сказать, что по стоимости ВУ иногда составляют 50 - 80% всего ПК. От состава и характеристик ВУ во многом зависят возможность и эффективность применения ПК.

ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой; пользователями, объектами управления и другими ЭВМ. ВУ весьма разнообразны и могут быть классифицированы по ряду признаков. Так, по назначению можно выделить следующие виды ВУ:

· устройства ввода информации;

· устройства вывода информации;

· средства связи и телекоммуникации.

В свою очередь, устройства ввода по типу носителей информации можно разделить на 3 группы, причем в первую из них входят переносные устройства внешней памяти ЭВМ:

· средства ввода с промежуточных носителей;

· средства ввода с документов;

· специальные средства ввода.

Состав устройств каждой группы представлен на рис. 5.2.

Среди устройств ввода с документов необходимо выделить группу устройств ввода графической информации:

· графические планшеты (диджитайзеры) - для полуавтоматического ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняются считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК (см. п. 5.1);

· сканеры (читающие автоматы) - для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей; в устройстве кодирования сканера в текстовом режиме считанные символы после сравнения с эталонными контурами специальными программами преобразуются в коды ASCII, а в графическом режиме считанные графики и чертежи преобразуются в последовательности двухмерных координат (см. п. 6.5);

· манипуляторы (устройства указания): джойстик - рычаг, мышь, трекбол - шар в оправе, световое перо и др. - для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК;

Среди специальных устройств ввода информации можно выделить

· сенсорные экраны - для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд непосредственно с экрана дисплея в ПК;

Рис. 5.2. Классификация устройств ввода информации в ЭВМ

· устройства речевого ввода - это различные микрофонные акустические системы, "звуковые мыши", например, со сложным программным обеспечением, позволяющим распознавать произносимые человеком буквы и слова, идентифицировать их и закодировать;

· платы видеозахвата (videograbber), снимающие изображение с видеомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в ПК.

К устройствам вывода информации относятся:

· видеомониторы (дисплеи) - устройства для отображения вводимой и выводимой из ПК информации;

· принтеры - печатающие устройства для регистрации информации на бумажный носитель;

· графопостроители (плоттеры) - для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель; плоттеры бывают векторные с вычерчиванием изображения с помощью пера и растровые: термографические, электростатические, струйные и лазерные. По конструкции плоттеры подразделяются на планшетные и барабанные. Основные характеристики всех плоттеров примерно одинаковые: скорость вычерчивания - 100 - 1000 мм/с, у лучших моделей возможны цветное изображение и передача полутонов; наибольшая разрешающая способность и четкость изображения у лазерных плоттеров, но они самые дорогие.

· устройства речевого вывода - это различные синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через громкоговорители (динамики) или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру;

· высококачественные акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами

Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи и т.п.) и для подключения ПК к каналам связи, к другим ЭВМ и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы, "стыки", мультиплексоры передачи данных, модемы). В частности, показанный на рис. 4.4 сетевой адаптер является внешним интерфейсом ПК и служит для подключения его к каналу связи для обмена информацией с другими ЭВМ, для работы в составе вычислительной сети. В глобальных сетях функции сетевого адаптера выполняет модем.

Устройства ручного ввода текста

Конструкция клавиатуры

Основным устройством ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации является клавиатура (keyboard), состоящая из набора клавиш и позволяющие кодировать передаваемые в ПК символы. Число клавиш на клавиатуре всегда меньше числа символов в алфавите, поэтому используются специальные клавиши, изменяющие коды для остальных клавиш. Вначале IBM-совместимые компьютеры использовали стандартную клавиатуру AT (86 клавиш), затем так называемую улучшенную (enhanced) или расширенную клавиатуру. Основное улучшение касалось общего числа (101 (США), 102 (международный стандарт)) и расположения клавиш. Для использования с Windows-95 число клавиш увеличено до 105, добавились левая и правая клавиша вызова ОС Windows и клавиша приложений.

Наиболее распространенным стандартом расположения клавиш является QWERTY (ЙЦУКЕН) аналогичный расположению клавиш в пишущей машинке. История появления этого стандарта такова: при работе механических печатных машинок из-за быстрой работы машиниста возникал перехлест рычагов печатной машинки, и в 1975 году Р. Ди придумал данный стандарт. Он интересен тем, что в средний ряд клавиатуры, наиболее используемый при работе, были внесены наименее употребительные буквы латинского алфавита (G, F, J), а наиболее употребительные были разнесены по краям клавишной панели. Скорость работы сократилась, и от неприятного эффекта – перехлеста удалось избавиться.

В дальнейшем данный тип был переложен на компьютерную клавиатуру, но для нее он не совсем удобен по расположению клавиш, так как для ЭВМ перехлест клавиатуры не страшен. Форма и размеры клавиш определяются эргономическими факторами.

В современной клавиатуре предусмотрено около 60 клавиш с буквами, цифрами, значками пунктуации и другими символами, встречающимися в печатных текстах, и еще около 40 клавиш, предназначенных для управления компьютером и исполнением программ. Продублированы клавиши управления курсором, а также клавиши Ctrl и Alt. Функциональные клавиши F1-F10 перенесены в верхний ряд и к ним добавлены две новые (F11 и F12). Габаритные размеры стандартной клавиатуры составляют примерно 3х19х45 см, а вес – около 1 кг.

Кроме того, наряду с этими типами существует и специальный стенографический стандарт (Stenographic International Keyboard Standard (SIKS)) в англоязычных странах, и Стандарт «стенограмма» в бывшем СССР и России.

В 70-е, 80-е в Советском Союзе была распространена стенографическая клавиатура «Стен-2Про», наиболее удобная для работы стенографиста. Использовалось 34 клавиши, позволяющих вводить текст не посимвольно, а по слогам с возможностью расширения этой функции до ввода пословно и отдельных фраз целиком. Работа с такой клавиатурой позволяло квалифицированному оператору без усилий регистрировать устную речь со скоростью до 100 слов/мин.

Клавиатура включает в себя совокупность ключей, замыкаемых при нажатии соответствующих клавиш, а также схемы управления для формирования кода при замыкании ключа, исключения неоднозначности кода из-за «дребезга» контактов и выполнения других управляющих функций.

В последнее время появилась прогрессивные разновидности механической клавиатуры – клавиатура с мембранными ключами и с ключами на основе проводящей резины. В первом случае, ключ представляет собой набор мембран: активная – верхняя, пассивная – нижняя, а третья мембрана – прокладка разделяет первые две.

Ориентировочная стоимость клавиатуры: механическая – 12$, мембранная – 20$, фирмы MS – 90$ .

Нажатие на клавишу приводит к опусканию плунжера и переходу состояния ключа из состояния, соответствующего логическому «0», в состояние логической «1». Так как такой переход связан с физическим замыканием (размыканием) контактов или изменением напряжения, то он происходит не мгновенно, а в течение короткого интервала времени и сопровождается возможными обратными изменениями состояний, называемыми дребезгом контактов. Схемы управления должны устранять влияние дребезга контактов, в противном случае при однократном нажатии клавиши формируется последовательность неопределенной длины из одинаковых кодов.

Описанные выше явления отсутствуют в клавиатуре со щелчком. При нажатии клавиши на такой клавиатуре механическое сопротивление клавиши тем больше, чем глубже она нажимается. Для преодоления этого сопротивления нужно затратить определенную силу, после чего клавиша идет очень легко. Таким образом, обеспечивается однозначный контакт. Клавиатуры со щелчком предпочтительнее клавиатур без щелчка, потому что в этом случае можно быть уверенным в обеспечении относительно «чистого» нажатия на клавишу.

Клавиатуры с механическими микропереключателями имеют характеристики, аналогичные клавиатурам со щелчком. Но микропереключатели характеризуются большей прочностью и большим сроком службы.

Еще лучше функционируют клавиатуры с герконами (герметическими контактами), которые представляют собой переключатели с пружинными контактами (в виде пластин) из ферромагнитного материала, помещенными в герметизированный стеклянный баллон. Контакты приходят в соприкосновение (размыкаются) под действием магнитного поля электромагнита, установленного снаружи баллона.

Принцип действия сенсорной клавиатуры основан на усилении разности потенциалов, приложенной к чувствительному элементу. Количество этих элементов соответствует количеству клавиш. В качестве чувствительных элементов используются токопроводящие контактные площадки в виде, например одного или двух прямоугольников, разделенных небольшим зазором. В момент касания пальцем контактных площадок статический потенциал усиливается специальной схемой, на выходе которой формируется сигнал, аналогичный формируемому при нажатии клавиши обычной механической клавиатуры. Сенсорные клавиатуры самые долговечные, поскольку в них отсутствуют какие-либо механические элементы и информация о нажатии той или иной «клавиши» (касании чувствительного элемента) формируется только электроникой. Однако за счет этого электронная схема сенсорной клавиатуры сложнее.

Привлекательность той или иной клавиатуры в основном зависит от расположения клавиш, тактильных ощущениях и усилия при нажатии клавиши. Независимо от используемой технологии, сила, требуемая при нажатии клавиши, составляет 20-50г, а рабочий ход – около 4мм. Минимальное число нажатий «фирменной» клавиатуры – 30-50 млн. раз.

Подключение клавиатуры

Обычно для подключения клавиатуры используется спиралевидный кабель длиной около 1м, имеющий 5-контактный DIN разъем. Так как данные передаются последовательно от клавиатуры к PC и наоборот, то необходимы канал передачи данных и тактовый канал. Рабочее напряжение питания клавиатуры +5В.

В последнее время у современных моделей PC, а также у компьютеров типа laptop и notebook используется 6 контактный разъем. Этот разъем называется mini DIN или PS/2. Если разъем клавиатуры и гнездо на материнской плате не соответствуют друг другу, то необходим соответствующий переходник.

Таблица 5.2.

Таблица выводов

Рис.5.5. Разьемы для подключения клавиатуры

Весьма перспективным является организация беспроводного интерфейса с помощью ИК-излучения, допускающего связь на расстоянии до 6м.

Основными путями повышения производительности клавиатуры является применение в них:

· дополнительных функциональных клавиш;

· встроенной периферии: координатно-указательных устройств, сканеров и громкоговорителей;

· эргономических элементов.

Применение сенсорных координатно-управляющих устройств, как в клавиатуре Glide Point, повышает эффективность работы, сокращая количество операций, требующих снятия пальцев с клавиш. Однако цена на эту клавиатуру еще довольно высока. Появились такие современные клавиатуры, как: Concert Master со встроенным громкоговорителем (ф. NMB Technologies); Maxi Sound с громкоговорителем, микрофоном и гнездом для звукового входа (ф. Maxi Switch) и даже гибрид клавиатуры и 8-разрядного черно-белого сканера (ф. NMB и Visioneer).

Для уменьшения мышечных напряжений и возможности получения хронического заболевания создаются эргономические клавиатуры, где поля для левой и правой руки разделены и развернуты, в частности Natural Keyboard (ф. Microsoft).

В русле работ, направленных на облегчение использования ПК в целом (особенно в домашних условиях), необходимо отметить такие мероприятия как:

· подключение клавиатуры через интерфейс USB (Universal Serial Bus). Использование этого стандарта упрощает подключение периферийных устройств с низким и средним быстродействием, исключая множество дополнительных плат, выходных соединений и конфликта между устройствами;

· использование беспроводной связи в инфракрасном (IR) или радиочастотном (RF) диапазоне. RF-технология дороже, требует разрешения на работу в определенном диапазоне, более энергоемка, но в то же время обеспечивает большую дальность связи. IR-технология более предпочтительна;

· Использование недорогих мембранных переключателей, обеспечивающих как и любые микропереключатели повышение срока службы клавиатуры.

КООРДИНАТНЫЕ МАНИПУЛЯТОРЫ

Мыши

Мышь представляет собой широко распространенное УВИ, облегчающее пользователю работу со многими прикладными программными системами и делающее ее более простой и эффективной. В основной своей функции мышь является устройством управления положением курсора на экране монитора: перемещение мыши по гладкой поверхности (или по поверхности специального планшета) автоматически преобразуется в пропорциональное по величине и совпадающее по направлению перемещение курсора по экрану. Встроенные в тело мыши клавиши позволяют пользователю персонального компьютера (в дальнейшем ПК) сигналы о том, что курсор достиг требуемого положения, и тем самым выбирать те или иные объекты (например, пункты меню), перемещать их по экрану, вызывать одни объекты и убирать с экрана другие, а также эмулировать действие управляющих клавиш клавиатуры.

Своей популярностью мышь обязана широкому распространению графического интерфейса пользователя, когда широко применяются мнемонические изображения объектов – пиктограммы. Возможности клавиатуры явно не согласуются с характером работы пользователя в такой "изоориентированной" среде. Поэтому и возникла потребность в другом средстве связи пользователя с компьютером. Самым популярным из различных модификаций этого средства оказалась мышь, которая делает очень удобным манипулирование такими широко распространенными в графических пакетах объектами, как окна, меню, кнопки, пиктограммы.

Первую компьютерную мышку создал Дуглас Энджельбарт в 1963 году в Стэндфордском исследовательском центре. Первый трекбол был создан значительно позже на фирме Logitech.

При конструировании мышей применяются

· механический,

· оптический или

· оптомеханический принципы действия.

В корпусе механической мыши имеется шар сравнительно большого диаметра, который вращается, когда пользователь перемещает тело мыши по поверхности стола. Шар приводит во вращение два ролика (ось вращения одного из них горизонтальна, второго – вертикальна). Те в свою очередь приводят во вращение 2 непроводящих диска с нанесенными печатным образом контактами, которые поочередно могли соприкасаться с одним неподвижным контактом. Эти механические шифраторы и формировали выходные сигналы, которые после обработки драйвером мыши обеспечивали перемещение курсора по экрану.

Оптомеханическая мышь отличается от механической только тем, что вместо механических дешифраторов используются оптические, и сигналы посылаются в компьютер в результате срабатывания не механических, а бесконтактных оптических переключателей (т.е. срабатывающих при попадании на них светового потока). Оптопара: светодиод-фотодиод (или фоторезистор) располагается по разные стороны диска с прорезями. Порядок, в котором освещаются фоточувствительные элементы, определяет направление перемещения мыши, а частота приходящих от них импульсов – скорость движения.

Оптическая мышь вообще не имеет движущихся частей. Перемещение воспринимается оптическими датчиками (встроенными в корпус устройства) в процессе их смещения относительно поверхности специального планшета. Механическая и автомеханическая мыши не требуют специального планшета – их можно перемещать по поверхности стола, по бумаге, стене и т. п. Однако они менее защищены от попадания пыли и грязи по сравнению с оптическими устройствами. В общем случае оптическая мышь более долговечна, но требует свободного места на столе для размещения планшета. Поверхность такого планшета покрыта очень мелкой сеткой перпендикулярных линий, нанесенных на отражающую свет поверхность. Линии в одном направлении черные, в другом – синие. Один из двух световодов испускает красный свет, который поглощается синими линиями планшета, а излучение другого, работающего в инфракрасном диапазоне, поглощают черные линии. Отраженный от планшета свет попадает на фотодетекторы. Если мышку перемещают, то на фотодетекторы попадает последовательность световых импульсов.

Главной характеристикой мыши является аппаратное разрешение, которое определяется числом отсчетов (импульсов), даваемых упомянутым диском на единицу хода шара – cpi (Counts Per Inch - число отсчетов на дюйм). Этот параметр определяется количеством контактов, прорезей или других элементов диска, при прохождении которых через датчик и формируется выходной импульсный сигнал. Чем больше количество таких элементов на диске, тем больше величина показателя cpi и, следовательно, выше точность позиционирования курсора.

Известны модели мышей, в которых есть возможность менять соотношение скоростей перемещения мыши и курсора – это т. н. мыши динамического действия. В некоторых случаях реализовано такое решение: первые 1-2 дюйма перемещения мыши вызывают медленное, "тонкое" смещение курсора, а дальнейшее перемещение приводит ко всё более непропорциональному ускорению движения последнего. Есть модели с постоянным, но задаваемым извне соотношением перемещений, т. е. есть возможность устанавливать величину этого параметра при настройке программного пакета, с которым предполагается работать.

В настоящее время можно выделить три основных способа подключения мыши. Самым распространенным для настольных IBM PC-совместимых компьютеров является подключение через последовательный порт (интерфейс RS-232), комбинированный порт PS/2, или беспроводной интерфейс в инфракрасном или радиочастотном диапазоне.

Мышки от Microsoft, имеющие последовательный интерфейс, и им подобные, используют для передачи процессору 3-байтовый формат, содержащий, информацию о перемещении мыши (два 8-разрядных числа) и состоянии кнопок. Подобные мышки передают данные со скоростью 1200 бит/с и используют 7 бит данных без контроля четности и один стоповый бит. После 3-байтового пакета всю дальнейшую работу берет на себя соответствующий "мышиный" драйвер.

Драйвер определят направление движения мыши: вверх или вниз, вправо или влево. Это вполне возможно сделать, поскольку 8-разрядные приращения перемещений кодируются в дополнительном коде, и соответственно максимальный диапазон перемещения составляет от -128 до +127 единиц. С учетом скорости передачи за каждые 20мс мышка может передвигаться на 0,62 дюйма.

Современные мышки от Microsoft и Logitech имеют обычно оптимальное аппаратное разрешение 400 cpi.

Не все мыши используют формат передачи, предложенный фирмой Microsoft. Например, трехклавишные мыши Mouse System и совместимые с ними передают данные в 5-байтовом формате. Это сообщение включает в себя информацию о состоянии третьей клавиши, а также о прошлом и текущем положении мышки, благодаря чему можно вычислить скорость ее передвижения. Разница в форматах приводит к тому, что драйвер от одной мыши не работает с другой.

Хотя никаких стандартов на мыши нет, производители в основном подражают мышам трех фирм: Microsoft, Logitech и Mouse System. Oни популярны, и поддерживаются многими пакетами.

Джойстики

Английское слово joystick состоит из двух слов: joy (радость) и stick (палка). Джойстик является аналоговым координатным устройством ввода информации. Первые модели джойстиков были основаны на нескольких микропереключателях. При перемещении рукоятки джойстика, в зависимости от направления, замыкался тот или иной переключатель. Практически любую современную модель джойстика технически можно представить как два реостатных датчика, для питания которых используется напряжение +5В. Рукоятка джойстика связана с двумя переменными резисторами, изменяющими свое сопротивление при ее перемещении. Один резистор определяет перемещение по координате X, а другой по Y. В задачу адаптера джойстика входит преобразование изменения параметра сопротивления в соответствующий цифровой код. На рукоятке может находиться кнопка, а в более современных моделях – небольшая специализированная клавиатура. Наибольшее применение джойстики получили в компьютерных играх и электронных тренажерах.

В портативных компьютерах вместо мыши и трекбола теперь используют крошечный пойнтер (MousePoint) – небольшой цветной штырек, торчащий среди клавиш на клавиатуре, который, словно джойстик, можно нажимать в разные стороны. А самый последний писк мышиной моды в портативных компьютерах – в место пойнтера используется клавиша с буквой J. Это клавиша – или J-пойнтер – как раз и служит таким джойстиком, воспринимающим нажатия в разные стороны, а окружающие клавишу J другие буквенные клавиши выполняют роль кнопок отсутствующей мышки или трекбола.

Еще одним экзотическим координатным манипулятором является TouchPad, представляющим собой сенсорную площадку, по которой надо водить либо специальной палочкой, либо пальцем, заменяющим в этом случае движущуюся часть манипулятора (mini-digitizer).

В последнее время появились манипуляторные устройства, позволяющие эмулировать шесть степеней свободы (перемещения) при работе с трехмерной графикой. Примером такого устройства может служить CyberMan фирмы Logitech. Внешне CyberMan выглядит как гибрид джойстика с мышью и выполняет все их функции.

Световое перо

Световое перо представляет собой шариковую ручку, в которую вместо пишущего шарика, вмонтирован фотоэлемент. Кроме того, в стержне находится электронная составная часть, которая оценивает сигналы. В зависимости от оснащения, световое перо может иметь одну или две кнопки, которые выполняют функции, схожие с функциями клавиш мыши. Световое перо функционирует только совместно с монитором. При прикосновении стержнем к поверхности экрана перо воспринимает световой поток, излучаемый экраном дисплея. Поскольку каждая точка периодически регенерируется (т. е. подвергается действию электронного луча), компьютер может установить, к какой точке экрана подведено световое перо, определив момент времени, когда перо прореагировало (сигналом на своем выходе) на возникающее при регенерации повышение яркости экрана в точке касания.

Световое перо можно использовать с дигитайзером. В этом случае световое перо выполняет "пишущую" функцию. Этот способ ввода информации поддерживается различным программным обеспечением. Специальные приложения для дигитайзера, например Wacom, работают со световым пером для импортирования "нарисованных пером" рисунков и эскизов в формат векторной графики. Профессиональные световые перья обладают возможностью определять силу нажатия пера, толщину линии и т. д.

Принципиально новые перья – Penpads изготовляются для ноутбуков с жидкокристаллическими дисплеями (LCD). Они предназначены не только для предоставления информации и благодаря чувствительности к давлению на покрытие являются устройствами ввода данных (как у сенсорных экранов фирмы Apple).

Дигитайзеры

Дигитайзер, или, как его еще называют планшет, – это устройство, главное назначение которого – оцифровка изображений. Он состоит из двух частей: планшета (основания) и указателя координат (курсора), перемещаемого по рабочей поверхности основания. При нажатии на кнопку курсора его положение на поверхности планшета фиксируется, и координаты передаются в компьютер. Часто дигитайзер используется для ввода команд при помощи "накладных" меню в AutoCAD и другие графические программы. Команды меню расположены в разных местах на поверхности дигитайзера. При выборе курсором одной из команд специальный программный драйвер интерпретирует введенные координаты, посылая соответствующую команду на выполнение. Еще одно применение дигитайзеров в качестве нового инструмента художников при создании на компьютере рисунков и набросков. Художник водит пером по планшету, что более привычно, чем использование светового пера или джойстика, но изображение появляется не на бумаге, а на экране. Наконец, дигитайзер можно использовать просто как аналог манипулятора, "мышь".

Принцип действия наиболее популярного электрического (или сеточного) дигитайзера основан на фиксации местоположения курсора с помощью встроенной в планшет сетки. Сетка состоит из проволочных или печатных проводников с довольно большим расстоянием между соседними проводниками (от 3 до 6 мм). Механизм регистрации позволяет получить шаг считывания информации, намного меньший шага сетки (не менее 100-400 dpi). Шаг считывания информации называется разрешением дигитайзера. По применяемой технологии различают электростатические (ЭС) и электромагнитные (ЭМ) дигитайзеры. В дигитайзерах первого типа регистрируется локальное изменение электрического потенциала сетки под курсором на основе пьезоэффекта, в то время как в устройствах второго типа курсор излучает электромагнитные волны, а сетка служит приемником. Фирма Wacom создала технологию на основе электромагнитного резонанса, когда сетка излучает, а курсор отражает сигнал, Но в обоих вариантах ЭМ-планшеты чувствительны к помехам, создаваемым излучающими устройствами, например мониторами. Независимо от принципа регистрации существует погрешность определения координат курсора, именуемая точностью дигитайзера. Эта величина зависит от типа дигитайзера и от конструкции его составляющих. На нее влияют неидеальность регистрирующей сетки планшета, способность воспроизводить координаты неподвижного курсора (повторяемость), устойчивость к температурным условиям (стабильность), качество изготовления курсора, помехозащищенность и пр. Точность существующих планшетов колеблется от ±0,13 мм до ±0,75 мм. Точность электромагнитных дигитайзеров в среднем выше точности электростатических. Шаг считывания регистрирующей сетки является физическим пределом разрешения дигитайзера. Следует отличать разрешение как характеристику прибора от программно-задаваемого разрешения, являющегося переменной величиной в настройке дигитайзера. В спецификации на изделие всегда указываются обе характеристики – и предел разрешения, и точность.

На результат работы также влияет точность действий оператора. В среднем хороший оператор вносит погрешность не более ±0,1 мм. Требования к природным качествам такого человека очень высокие.

Формат дигитайзера зависит от цели его применения. Размер рабочего поля планшета бывает, как правило, от 6x8 дюймов (15х20 см) до 44x6 дюйма (111х15 см). Но кроме стандартных размеров планшета могут использоваться и нестандартные. Так, изготовители новинок последних лет – гибких дигитайзеров утверждают, что могут "вырезать" дигитайзер любой формы и размеров.

Устройство указания дигитайзеров чаще всего называют "курсор", хотя существует и перо (или стило, кому как нравится). Курсоры пользуются особой популярностью среди пользователей САПР. Перья обычно применяются при работе с программами иллюстративной графики.

Курсоры бывают четырех-, восьми-, двенадцати- и шестнадцатиклавишные. Однако встречаются и исключения. Так, Осе Graphics добавляет на большом курсоре семнадцатую, "самую главную клавишу". Для многих пользователей AutoCAD для DOS "чем больше клавиш, тем лучше", потому что дополнительным клавишам можно назначить одношаговые функции в файле меню AutoCAD (MNU). В AutoCAD для Windows это не совсем так. Дело в том. что использование дополнительных, числом более трех клавиш при работе в "mole"-режиме непростая задача. Чтобы избежать проблем, лучше использовать специальные программы управления дигитайзером, поставляемые с ним в комплекте, но проще отказаться от курсора с большим количеством клавиш в пользу четырехклавишного, манипулируя только тремя клавишами. Фирмы-производители очень тщательно отрабатывают форму курсора, стараются обеспечить легкость и удобное расположение клавиш. Во всем мире одними из лучших признаны четырехклавишные курсоры CalComp. Их фотографии чаще прочих помещают в журналах. На них вторая и третья клавиши расположены рядом – в центре, а первая четвертая L-образной формы – по краям. Более традиционным считается ромбовидное расположение клавиш, которому продолжают следовать другие известные производители. Для двенадцати- и шестнадцатиклавишных курсоров стандарт – "табличное" расположение клавиш, как на телефонном аппарате.

Не стоит забывать и о качестве изготовления визира, так как с этим связана составляющая погрешности ввода координат, зависящая от оператора.

Перья производятся с одной, двумя и тремя кнопками. Кроме того, существуют простые перья и перья, воспринимающие усилие, с которым наконечник пера прижимается к поверхности дигитайзера. Последние используются художниками. Такие перья могут иметь до 256 градаций нажима. От степени нажима зависит толщина линии, цвет в палитре, оттенок цвета. В результате можно моделировать на компьютере процесс рисования масляными красками, темперой или акварелью на специально подобранной "фактуре".

Для реализации таких возможностей необходимо иметь специальное программное обеспечение. Среди подобных программ для ПК можно указать следующие: Adobe PhotoShop, Aldus PhotoStyir, Fauve Matisse, Fractal Design Painter, Autodesk Animator Pro, CorelDraw. Чувствительные к нажиму перья могут пригодиться и пользователям AutoCAD в процессе последующей трехмерной визуализации спроектированных объектов. Данный вид устройств указания можно применять только с ЭМ-дигитайзерами.

И курсоры, и перья бывают как с проводом так и без него. Беспроводной указатель удобнее, но он должен иметь батарейку, что соответственно потребует дополнительного обслуживания. Исключение составляют пассивные неизлучающие перья Wacom, которые, впрочем, имеют вдвое меньше градаций по нажиму.

Недавно на рынке дигитайзеров появились модифицируемые курсоры, которые могут работать и с проводом, и с батарейкой. Насколько удачно данное изобретение, покажет время.

Электрическое питание для дигитайзера подается при помощи встроенного или выносного трансформатора, а для отдельных моделей – по последовательному порту.

Конструктивно различают жесткие и гибкие планшеты. Гибкие появились на нашем рынке весной 1994 года. От традиционных жестких их отличают меньший вес, компактность при транспортировке.

Драйверы и другое программное обеспечение, используемое совместно с дигитайзером, имеет решающее значение в его успехе или провале на рынке. Неудобный, неэргономичный курсор существенно влияет только на производительность работы с дигитайзером, отсутствие же необходимого драйвера делает дигитайзер совершенно бесполезным.

Известно, что в стандартную поставку Windows входят драйверы для различных мышей, но не для дигитайзеров. Поэтому минимально требуется, чтобы в комплект дигитайзера входили драйвер для Windows и утилита настройки. Если, кроме того, вы периодически работаете с AutoCAD для DOS или с другими DOS-программами, которым требуется мышь, то в список необходимого обеспечения стоит включить драйвер ADI 4.2 и эмулятор мыши для DOS. Предел мечтаний – объединенный драйвер, который автоматически переключается с режима на режим, когда вы переходите из одной в другую.

В AutoCAD для Windows драйверы дигитайзеров могут работать тремя способами:

· во-первых, эмулируя мышь, то есть в режиме относительного задания координат;

· во-вторых, как стандартный драйвер планшета ADI, независимо от того, какое устройство является системным;

· в-третьих, как драйвер WinTab.

Первый метод хорош всем, кроме работы с AutoCAD – вы не сможете использовать планшетное меню и трассировать чертеж, более того, вам будет трудно (или невозможно) задействовать дополнительные кнопки на вашем курсоре для ввода команд.

Использование ADI несколько усложняет работу: вам придется столкнуться с "раздвоением личности" дигитайзера, так называемым "mole"-режимом, когда дигитайзер будет переключаться из одного состояния в другое – то он являет собой стандартное устройство указания Windows, то становится типичным дигитайзером AutoCAD. Путем такого усложнения вы обретаете вновь все основные качества дигитайзера, включая работу с накладными меню.

WinTab – это спецификация устройств указания в Windows, аналогичная спецификации ADI-драйверов для AutoCAD. Последний вариант WinTab (хотя и он не лишен недостатков) на сегодняшний день считается наиболее удачным, так как дигитайзер может работать в режиме абсолютного ввода координат, что требуется для САПР, и в режиме относительного ввода координат, что требуется для графических операционных сред (Windows и др.). Сейчас драйверы WinTab стали стандартом де-факто для пакетов иллюстративной и художественной графики, потому что они поддерживают ввод информации о силе нажатия на перо в чувствительных к нажиму дигитайзерах.

WinTab был создан фирмой LCS/Telegraphics, разработчиком драйверов для дигитайзеров.

Альтернативой драйверам WinTab является расширение для Microsoft Windows, которое называется Pen Windows. Как правило, указанное расширение применяется для систем рукописного ввода и для приложений, использующих чувствительные к нажиму перья (обычно Adobe PhotoShop).

Элементом, обеспечивающим чувствительность дигитайзера к нажиму , является перо. Чувствительные к нажиму дигитайзеры используют художники, когда хотят получить изображение, которое выглядело бы точно так же, как если бы его нарисовали маслом, темперой или акварелью на холсте или бумаге, а не в электронной форме с помощью программных средств. Можно даже применять эффекты, например "мокрую кисть", чтобы смазать, сделать расплывчатым изображение или отдельные цвета. Такие дигитайзеры сочетают точность ввода координат при работе в AutoCAD с возможностью передачи данных о надавливании на "кисть", когда вы ретушируете картинку.

Внешние устройства ЭВМ

Внешние, или периферийные, устройства ЭВМ делятся на устройства для ввода и вывода информации и внешние запоминающие устройства (рис. 4.3).

Рис. 4.3.

Внешние запоминающие устройства

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) бывают магнитного, оптического, магнитооптического и электронного принципа действия. Накопитель – это устройство для записи и (или) считывания информации с носителя определенного типа.

В накопителях на магнитных носителях используется магнитный принцип записи, при котором па поверхности, покрытой слоем магнитного материала, может фиксироваться два разных состояния намагниченности, соответствующие записи нуля и единицы. Появившись в 1960-х гг., накопители на магнитных дисках до сих пор остаются самыми необходимыми для работы компьютерной системы. Это объясняется наличием таких свойств, как высокая скорость записи и считывания информации, высокая плотность записи информации (число бит на единицу площади носителя), возможность многократного использования. К недостаткам относится невысокая надежность: записанная информация подвержена влиянию электромагнитных полей, а также механическим воздействиям.

Различаются магнитные ВЗУ с последовательным и прямым доступом к информации. К ВЗУ с последовательным доступом относятся накопители на магнитной ленте, называемые стримерами. Основным недостатком их является низкая скорость записи/считывания информации, характерная для устройств с последовательным доступом (для обращения к нужному блоку информации необходимо последовательно просмотреть все предыдущие участки носителя). К достоинствам относятся большая емкость (сотни и тысячи гигабайт), низкая стоимость (это самый дешевый в пересчете на мегабайт способ хранения данных), стабильность работы. Используются стримеры для храпения архивных данных и резервного копирования.

В магнитных ВЗУ с прямым доступом к информации обращение к данным осуществляется непосредственно по адресу информации, поэтому может быть обеспечена высокая скорость записи/считывания данных. Носителем информации являются жесткие или гибкие магнитные диски (накопители на гибких магнитных дисках являются устаревшими и мало используются).

Накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД) – основное устройство хранения больших объемов информации, которое представляет собой один или несколько дисков, защищенных жестким корпусом. В настольных ПК НЖМД форм-фактора 3,5" размещаются внутри системного блока (в ноутбуках форм-фактор 2,5").

Нередко приходится слышать, как вместо термина "жесткий диск" используют понятие "винчестер", хотя устройство компьютерной памяти совсем не похоже на ружье. Объясняется происхождение вошедшего в обиход термина аналогией краткого обозначения первого жесткого диска "30/30", созданного в 1973 г., содержавшего 30 дорожек по 30 секторов в каждой, и винтовки калибра 30/30. Емкость первого диска составляла 16 Кбайт (представляете, как мало?).

Сейчас емкость жестких дисков достигает сотен и тысяч гигабайт. Скорость НЖМД характеризуется скоростью чтения/записи и средним временем доступа. В целом же быстродействие диска в наибольшей степени определяется скоростью вращения пластин, которая достигает 10 000–15 000 об/мин и более.

Внутренние НЖМД подключаются через интерфейсы SATA (заменивший IDE и EIDE) и SAS (заменивший SCSI).

Кроме внутренних НЖМД могут использоваться внешние накопители информации на жестких магнитных дисках, которые подключаются через интерфейсы USB или FireWire.

RAID-массив – это несколько сопряженных в единой стойке сменных магнитных дисков. Запись разных блоков одного файла может идти параллельно на несколько дисков. Кроме того, одни и те же данные могут одновременно записываться на несколько дисков (зеркалирование) для повышения надежности сохранения данных. Существуют различные варианты сочетания параллельной записи и зеркалирования. RAID-массивы используются в серверах в случаях, когда необходимо выполнять параллельные запись/ считывание больших потоков данных для множества пользователей и обеспечить высокую надежность их хранения.

В накопителях на оптических носителях при записи информации под воздействием оптического излучения меняется состояние отдельных участков носителя, в результате при считывании на этих участках лазерный луч будет отражаться или поглощаться, что интерпретируется как двоичные нули или единицы. Появившись в конце XX в., накопители на оптических дисках прочно заняли свое положение среди внешних ЗУ, и теперь ни один компьютер не выпускается без них. Это можно объяснить такими достоинствами оптических носителей, как большая емкость, низкая удельная стоимость хранения информации, независимость от электромагнитных полей.

Накопители на компакт-дисках (CD – Compact Disc) используют сменные носители, которые разделяются на компакт-диски только для считывания информации CD-R OM (Read Only Memory), диски с возможностью однократной записи информации CD-R (Recordable) и диски с многократной записью информации CD-RW (Rewritable). Обычный компакт-диск вмещает информацию объемом 700 Мбайт.

В 1996 г. появились DVD-диски (Digital Versatile Disc), внешне похожие на CD, но за счет изменения физических характеристик и применения новых технологий позволяющие хранить значительно больший объем информации (4,7 Гбайт в первых моделях). Сейчас производится несколько видов DVD-дисков, отличающихся количеством слоев на носителе, причем диски бывают односторонними и двухсторонними. Например, DVD-9 – односторонний двухслойный диск емкостью 8,5 Гбайт; DVD-18 – двухслойный двухсторонний диск емкостью до 17 Гбайт.

Как и компакт-диски, DVD могут быть только для считывания информации, с однократной и многократной записью информации. Но в отличие от CD было разработано несколько разных стандартов: DVD-R, DVD-RW, DVD+RW, DVD-RW, DL-RW, DVD-RAM. Сейчас, когда цены на оптические дисководы значительно снизились, многие компьютеры укомплектованы накопителем на оптическом диске, который способен поддерживать работу с несколькими форматами. Например, запись: CD: R24x/RW16x, DVD: R16x, RW8x, RAM 12x означает, что накопитель может записывать и считывать информацию с дисков CD-R, CD-RW, DVD-R, DVD-RW DVD-RAM. Скорость считывания/записи оптических дисков измеряется в условных единицах, множитель "1х" равен 150 Кбайт/с. Поэтому выражения "24х", "16х" и т.д. означают, что скорость накопителя равна соответственно 24 150 Кбайт/с, 16 150 Кбайт/с и т.д. При этом надо иметь в виду, что скорости записи и считывания с одного и того же типа носителя обычно отличаются, но скорость воспроизведения аудио- и видеоинформации остается однократной, а характеристики накопителя отражаются только на качестве воспроизведения информации.

В 2006 г. появился еще один стандарт оптических носителей: BD (Blu-ray Disc – от англ. blue ray – синий луч). За счет использования лазера с более короткой длиной волны (сине-фиолетового цвета, в то время как в DVD используется красный, в CD – инфракрасный лазеры) достигается более высокая плотность записи, в результате чего носители BD имеют большую емкость (до 50 Гбайт). Накопители на BD-дисках выпускаются только для считывания (BD-ROM), для однократной записи (BD-R) и для многократной записи (BD-RE), а также позволяют выполнять запись и считывание всех форматов CD и DVD.

Накопители па оптических носителях могут быть внутренними и внешними. Внутренние подключаются через интерфейсы SATA (или IDE) и SCSI, внешние – через USB, FireWire или eSATA (external SATA). Внешние накопители являются более медленными, но позволяют производить подключение и отключение без выключения компьютера и перезагрузки операционной системы.

В накопителях на магнитооптических носителях сочетаются технологии магнитного и оптического принципов записи: поверхность носителя может быть перемагничена только при нагревании ее до высокой температуры, которое достигается с помощью лазерного луча. Магнитооптические носители за счет более высокой плотности записи информации позволяют хранить па той же площади бо́льшие объемы информации, чем магнитные, стойки к внешним воздействиям, допускают практически неограниченное число циклов перезаписи.

В ПК накопители на магнитооптических носителях не нашли широкого применения из-за высокой стоимости. Применяются в основном для резервного копирования данных и хранения редко используемой информации.

Накопители на флэш-памяти – SSD (Solid State Drive) представляют собой твердотельный накопитель информации на основе флеш-микросхем для долговременного хранения данных. В отличие от магнитных накопителей флеш-накопители нс имеют механических элементов. Выполненные на основе электронных микросхем флеш-накопители обладают рядом достоинств: быстрое время доступа, высокая надежность, компактность (по форме и размерам напоминают обычный брелок длиной 5–7 см), низкое электропотребление, легкость использования.

Современные флеш-накопители способны вмещать до 500 Гбайт информации и становятся конкурентами НЖМД, однако пока большие по емкости модели имеют очень высокую цену, а также ограниченное количество циклов чтения-записи (порядка 100 000), что может быть существенным, если использовать SSD для хранения операционной системы.

Понятие архитектуры ЭВМ . Эволюция универсальных ЭВМ. Поколения ЭВМ. Элементная база ЭВМ.

Архитектура компьютера определяется совокупностью ее свойств, существенных для пользователя. При этом основное внимание уделяется структуре и функциональным возможностям ЭВМ. Основные функции определяют назначения ЭВМ (обработка, хранение информации; обмен информации с внешними источниками). Дополнительные функции - это функции повышающие эффективность работы ЭВМ (удобный интерфейс пользователя, ввод/вывод данных, надежность/безопасность работы и др.)

^ Структура компьютера - это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия компонентов ЭВМ.

Поколения ЭВМ

1. Основной признак – элементарная база, состоящая из электровакуумных ламп. Недостатки: большие габариты, большие затраты электроэнергии, большое время переключения состояний, высокая стоимость, быстрый износ.

2. Середина 50-х. Элементная база – транзистор. Это позволило уменьшить габариты, увеличить скорость и уменьшить стоимость. ЭВМ 2-го поколения производились уже серийно. Принципиальное отличие: работа с алгоритмическими языками программирования высокого уровня. Появились телетайпы для ввода и печатающие устройства для вывода информации, накопители на магнитных дисках.

3. Элементная база – интегральные микросхемы, появившиеся в 1960-х гг. В их состав были включены дисплеи, накопители на магнитных дисках, и некоторые другие элементы. ЭВМ 3-го поколения уже производились промышленно, и решались на них достаточно серьезные задачи.

4. В 1970-х гг. появились большие интегральные схемы (БИС), где на одной полупроводниковой пластине находилось несколько тысяч транзисторов. Такая высокая степень интеграции позволила создать микропроцессор (1972г). На их основе появился ПК. Кроме того, ЭВМ 4-го поколения имели цветные графические дисплеи, магнитные диски, электронные печатающие устройства.

5. ЭВМ 5-го поколения имеют элементной базой так называемые большие интегральные схемы, которые на одной пластине имеют миллионы транзисторов. Это позволило увеличить вычислительную мощность компьютера и все остальные элементы ПК должны соответствовать.

^ Классы современных ЭВМ:

1. Супер ЭВМ – многопроцессорный вычислительный комплекс, имеющий 64- или 128-разрядный процессор, десятки, а то и сотни гигабайт оперативной памяти; десятки, сотни терабайт ПЗУ. Единственный недостаток – высокая стоимость. Супер ЭВМ фирмы Cray стоит около 70 млн. долларов

2. Рабочая станция (Power Station ) – ЭВМ, основанная на RISK-процессорах (имеют меньшую производительность, чем супер ЭВМ, но большую, чем ПК). Выпускаются серийно и предназначены для определенных задач: САПР, геоинформационных систем, систем аудио- и видеомонтажа, банковских систем. В настоящее время большинство рабочих станций работает на UNIX-подобных ОС, которые называются AIX. Стоимость рабочей станции – от 20 до 100 тыс. долларов.

3. ^ Персональные компьютеры – предназначены для решения очень широкого класса задач. Первый персональный компьютер был выпущен фирмой Apple в 1972 году. В 1981 году появился первый ПК IBM.

В ПК IBM используется принцип «открытой архитектуры»: регламентируется и стандартизируется только принцип действия компьютера и его конфигурации. Таким образом, компьютер можно собирать из отдельных узлов, выпущенных независимыми производителями. Кроме того, в компьютер можно вставлять различные устройства, удовлетворяющие стандартам.

^ Основы классификации ЭВМ. Классификационные признаки. Принципы устройства последовательной ЭВМ (архитектура фон Неймана). Технические показатели ЭВМ.

Принципы фон-Неймана:

1. ^ Принцип произвольного доступа к основной памяти означает, что основная память состоит из одинаковых ячеек, и процессору в любой момент времени доступна любая из ячеек для чтения и записи данных. Все ячейки пронумерованы, и номер ячейки определяет ее адрес. Общее количество ячеек называется объемом памяти .

2. ^ Принцип хранимой программы: программа хранится в основной памяти наряду с обрабатываемыми данными. Достаточно сменить программу и данные, и ЭВМ будет решать другую задачу.

3. Принцип универсальности: информация, находящаяся в основной памяти не имеет признаков принадлежности к определенному типу, то есть команды могут рассматриваться как данные.

^ Классификация ЭВМ

Назначению . Обычно выделяют ЭВМ общего применения и ЭВМ ориентированные на вполне определенный класс задач. Традиционную электронную вычислительную технику (ЭВТ) подразделяют на аналоговую и цифровую. В аналоговых вычислительных машинах (АВM) обрабатываемая информация представляется соответствующими значениями аналоговых величин: тока, напряжения, угла поворота какого-то механизма и т.п. Эти машины обеспечивают приемлемое быстродействие, но не очень высокую точность вычислений (0.001:0.01). АВМ используются в основном в проектных и научно-исследовательских учреждениях в составе различных стендов по отработке сложных образцов техники. По своему назначению их можно рассматривать как специализированные вычислительные машины. В цифровых вычислительные машинах (ЭВМ) информация кодируется двоичными кодами чисел. ЭВМ обладают универсальными свойствами и являются самой массовой ЭВТ.
Производительности : ЭВМ подразделяются по величине производительности. Классификация средств вычислительной техники. Можно предложить следующую классификацию средств вычислительной техники, в основу которой положено их разделение по быстродействию:
- Супер ЭВМ для решения крупномасштабных вычислительных задач, для обслуживания крупнейших информационных банков данных.
- Большие ЭВМ (mainframe), которые представляют собой многопользовательские машины с центральной обработкой, с большими возможностями для работы с базами данных, с различными формами удаленного доступа. Для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров.
- Средние ЭВМ широкого назначения для управления сложными технологическими производственными процессами. ЭВМ этого типа могут использоваться и для управления распределенной обработкой информации в качестве сетевых серверов. В этих машинах особое внимание уделяется сохранению и безопасности данных, программной совместимости и т.д.
- Персональные и профессиональные ЭВМ, позволяющие удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого класса ЭВМ строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня.
- Встраиваемые микропроцессоры, осуществляющие автоматизацию управления отдельными устройствами и механизмами.
Режимам работы :
- однопрограммные ЭВМ
- мультипрограммные ЭВМ (Эти ЭВМ должны иметь большую оперативную память, средства управления временем, ввода-вывода, средства позволяющие исключить влияния программ друг на друга);
- ЭВМ для построения многомашинных и многопроцессорных вычислительных систем (дополнительно к мультипрограммным ЭВМ должны реализовывать функции взаимного обмена между ЭВМ);
- ЭВМ для работы в системах реального времени (Говоря о машинах реального времени наиболее очевиден пример, когда ЭВМ управляет техническим объектом (автопилот). К ним предъявляют требования быстродействия и способность получать массу сигналов от внешних источников).
Способ структурной организации . Для увеличения скорости ЭВМ в ее состав включают несколько процессоров. Различают:
- Однопроцессорные ЭВМ;
- Мультипроцессорные ЭВМ (можно также выделить квазипроцессорные ЭВМ), состоят как из однотипных, так и из разнотипных процессоров (неоднородные ЭВМ).

Производительность - пиковая, номинальная, системная, эксплуатационная.

Номинальная - с обращениями к ОЗУ. Системная - с учётом взаимодействия всех у-в.

Эксплуатационная - исходя из реальных задач.

Ед. измерения - MIPS (для целых чисел), MFlOps, GFlOps, TFlOps. Тактовая частота - длительность такта - в наносекундах.

Стандарт, по которому определяется интегральная производительность ПК, а также оценка его отдельных частей, создан фирмой Ziff-Davis. Время доступа - для ОЗУ и кэша - в нс, для ЖД и CD-ROM - в мс, для НГМД - в 0.1 с. Скорость передачи

^ Архитектура универсальной ЭВМ с последовательным выполнением команд. Функциональное назначение, физические принципы действия и организация основных блоков.

Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман.

Использование двоичной системы для представления чисел имеет преимущества для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации – текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.

Еще одной поистине революционной идеей, значение которой трудно переоценить, является предложенный Нейманом принцип "хранимой программы”. Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Следует отметить, что внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком. Так, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти, а клавиатура – устройство ввода, дисплей и печать – устройства вывода.

Устройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах объединены в один блок – процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств (сюда относятся выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение различных, в том числе и арифметических, операций, согласование работы узлов компьютера). Более детально функции процессора будут обсуждаться ниже.

Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее устройство у современных компьютеров "многоярусно” и включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть необходимых для нее данных, некоторые управляющие программы), и внешние запоминающие устройства (ВЗУ) гораздо большей емкости, чем ОЗУ. но с существенно более медленным доступом (и значительно меньшей стоимостью в расчете на 1 байт хранимой информации). На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не заканчивается – определенные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоминающее устройство), и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), и другие подвиды компьютерной памяти.

В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти. из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.

Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название "фон-неймановской архитектуры”. Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день – фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины).

По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.

Конструктивное устройство современной ПЭВМ: - основные узлы и их функциональное назначение. Схемотехнические элементы компьютера: - генплата, микропроцессор (МП), комплект интегральных микросхем окружения (Chipset). Микросхемы памяти (ОЗУ) и их типы. Контроллеры и адаптеры. Органы управления и внешние интерфейсы.

Основные узлы ЭВМ.

Основными узлами ЭВМ являются:

Центральный процессор (ЦП)

(ЦП) = (УУ) + (АЛУ)

Оперативная память (ОЗУ)

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)

Внешняя память (ВЗУ)

Устройства Ввода (УВв)

Устройства Вывода (УВыв)

Все устройства ЭВМ подсоединены к единой ИНФОРМАЦИОННОЙ

Материнская плата является основой системного блока, определяющей архитектуру и производительность компьютера. На ней устанавливаются следующие обязательные компоненты:

Процессоры
Память постоянная(BIOS), оперативная

Микропроцессорный комплект(чипсет – набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы.).

Системные шины
Разъемы для подключения дополнительных устройств(слоты)

Существуют и системные платы с интегрированными видео- и аудиоустройствами, адаптером локальной сети и прочими, обеспечивающими полную функциональность компьютера без всяких карт расширения.

^ Системная шина :

Микропроцессор(Central Processing Unit) – функционально законченное программно-управляемое устройство, обработка информации в котором управляется в виде БИС или СБИС.

Микропроцессор выполняет:

Чтение и дешифрацию команд из основной памяти
Чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств
Прием и обработка запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств
Обработка данных и их запись основную память и регистр адаптеров внешних устройств
Выработка управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков PC

Группы микропроцессоров:

CISC(Complex Instruction Set Computing) – полный набор команд
RISC(Reduced Instruction Set Computing) – сокращенный набор команд – рабочие станции, сервера

ОЗУ – служит для оперативной записи и хранения, считывания данных, непосредственно участвующих в информационно-вычислительном процессе. Является энергозависимой, после выключения питания никакие данные в ней не сохраняются.

Семейство ОЗУ содержит два важных типа запоминающих устройств: статическое ОЗУ (SRAM) и динамическое ОЗУ (DRAM). Главное различие между ними – это долговечность хранимых ими данных. SRAM сохраняет свое содержимое до тех пор, пока к микросхеме подается энергия. Если же энергия отключена, или временно отсутствует, содержимое чипа будет потеряно навсегда. DRAM, с другой стороны, имеет чрезвычайно короткий период продолжительности работы данных – обычно около четырех миллисекунд, даже если энергия подается непрерывно.

Словом, SRAM имеет все свойства памяти, с которыми ассоциируется слово RAM. В сравнении с ней, DRAM кажется, как будто бы, бесполезной. Сама по себе, она таковой и является. Однако можно использовать простой элемент конструкции, именуемый контроллером DRAM, для того, чтобы DRAM вела себя скорее как SRAM. Работа контроллера DRAM заключается в периодическом обновлении данных, хранящихся в DRAM. Обновляя данные до того, как они исчезнут, содержимое памяти может сохраняться так долго, как это необходимо. Таким образом, DRAM так же эффективна, как и SRAM.

Контроллер - устройство управления в электронике и вычислительной технике.

Контроллер прерываний (КП).

Таймер и ЧРВ, контроллеры шины и памяти, системный и периферийный контроллеры,

кэш-контроллеры.

^ Устройство управления (УУ) -- формирует и подает во все блоки машины управляющие импульсы; выдает адреса требуемых ячеек памяти, и передает их в другие блоки ЭВМ.

^ Серия IBM-совместимых ПЭВМ (IBM PC). Основные современные конфигурации. Технические показатели и характеристики. Другие типы аппаратных платформ ПЭВМ.

IBM-совместимыми компьютерами называют ПК тех производителей, которые при создании своих ПК ориентируются на IBM PC. IBM-совместимый ПК может использовать большинство внешних устройств и программ, предназначенных для IBM PC. Все IBM-совместимые компьютеры используют операционную систему Microsoft DOS (PS-DOS у IBM, MS-DOS у ПК других производителей) и процессоры Intel (или совместимые с ними). Вообще говоря, все ПК, работающие в DOS, являются совместимыми. Принцип совместимости дает значительную экономию средств и времени при модернизации старых и создании новых систем.

В настоящее время MS-DOS фирмы Microsoft остается самой популярной в мире операционной системой для IBMPC-совместимых персональных компьютеров. Ее поставки начались в 1981 году вместе с компьютерами IBM PC (под названием PC-DOS). Многие черты MS-DOS были унаследованы от операционной системы CP/M-80 фирмы Digital Research, применявшейся в 8-разрядных персональных компьютерах.

Операционная система MS-DOS позволяет использовать программное обеспечение, созданное для MS-DOS, и предоставляет пользователю ряд возможностей по работе с файлами данных, их организации в каталоги и использованию устройств ввода-вывода. MS-DOS является однозадачной однопользовательской операционной системой, работающей в реальном режиме микропроцессоров x86 , использующей 640 Кбайт памяти компьютера и поддерживающей сравнительно простую файловую систему (File Allocation Table, FAT). Изначально MS-DOS ориентирована на работу с микропроцессорами 8086 и 8088, имевшими только один режим работы - так называемый реальный. Защищенный режим работы микропроцессоров Intel 80286 и выше (с адресацией до 16 Мбайт памяти) могут использовать только некоторые драйверы MS-DOS, с виртуальной памятью система не работает.

Альтернативой IBM-совместимым персональным компьютерам являются компьютеры AppleMacintosh .

^ Блочно-функциональное устройство персонального компьютера с магистральной организацией (общей системной шиной). Понятие открытой архитектуры.

Основным устройством ПК является материнская плата, которая определяет его конфигурацию. Все устройства ПК подключаются к этой плате с помощью разъемов расположенных на этой плате. Соединение всех устройств в единую систему обеспечивается с помощью системной магистрали (шины), представляющей собой линии передачи данных, адресов и управления.
Ядро ПК образуют процессор (центральный микропроцессор) и основная память, состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) или перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства ППЗУ. ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения данных.
Подключение всех внешних устройств: клавиатуры, монитора, внешних ЗУ, мыши, принтера и т.д. обеспечивается через контроллеры, адаптеры, карты.
Контроллеры, адаптеры или карты имеют свой процессор и свою память, т.е. представляют собой специализированный процессор.

Микропроцессор

Центральный микропроцессор (небольшая микросхема, выполняющая все вычисления и обработку информации) – это ядро ПК. В компьютерах типа IBM PC используются микропроцессоры фирмы Intel и совместимые с ними микропроцессоры других фирм.

Компоненты микропроцессора:

 АЛУ выполняет логические и арифметические операции

 Устройство управления управляет всеми устройствами ПК

 Регистры используются для хранения данных и адресов

 Схема управления шиной и портами – осуществляет подготовку устройств к обмену данными между микропроцессором и портом ввода – вывода, а также управляет шиной адреса и управления.
^ Оперативная память

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM) - область памяти, предназначенная для хранения информации в течение одного сеанса работы с компьютером. Конструктивно ОЗУ выполнено в виде интегральных микросхем.Из нее процессор считывает программы и исходные данные для обработки в свои регистры, в нее записывает полученные результаты. Название “оперативная” эта память получила потому, что она работает очень быстро, в результате процессору не приходится ждать при чтении или записи данных в память.
Кэш-память

Компьютеру необходимо обеспечить быстрый доступ к оперативной памяти, иначе микропроцессор будет простаивать, и быстродействие компьютера уменьшится. Поэтому современные компьютеры оснащаются Кэш-памятью или сверхоперативной памятью.
Контроллеры

Только та информация, которая хранится в ОЗУ, доступна процессору для обработки. Поэтому необходимо, чтобы в его оперативной памяти находились программа и данные.

В ПК информация с внешних устройств (клавиатуры, жесткого диска и т.д.) пересылается в ОЗУ, а информация (результаты выполнения программ) с ОЗУ также выводится на внешние устройства (монитор, жесткий диск, принтер и т.д.).Таким образом, в компьютере должен осуществляться обмен информацией (ввод-вывод) между оперативной памятью и внешними устройствами. Устройства, которые осуществляют обмен информацией между оперативной памятью и внешними устройствами называются контроллерами или адаптерами, иногда картами. Контроллеры, адаптеры или карты имеют свой процессор и свою память, т.е. представляют собой специализированный процессор.

Контроллеры или адаптеры (схемы, управляющие внешними устройствами компьютера) находятся на отдельных платах, которые вставляются в унифицированные разъемы (слоты) на материнской плате

^ Системная магистраль

Системная магистраль (шина) - это совокупность проводов и разъемов, обеспечивающих объединение всех устройств ПК в единую систему и их взаимодействие.Для подключения контроллеров или адаптеров современные ПК снабжены такими слотами как PCI. Слоты PCI – E Express для подключения новых устройств к более скоростной шине данных. Слоты AGP предназначены для подключения видеоадаптера
Для подключения накопителей (жестких дисков и компакт-дисков) используются интерфейсы IDE и SCSI. Интерфейс – это совокупность средств соединения и связи устройств компьютера.
Подключение периферийных устройств (принтеры, мышь, сканеры и т.д.) осуществляется через специальные интерфейсы, которые называются портами.

^ Внешняя память. Классификация накопителей

Для хранения программ и данных в ПК используются накопители различных типов. Накопители - это устройства для записи и считывания информации с различных носителей информации. Различают накопители со сменным и встроенным носителем.

По типу носителя информации накопители разделяются на накопители на магнитных лентах и дисковые накопители. К накопителям на магнитных лентах относятся стримеры и др. Более широкий класс накопителей составляют дисковые накопители.

По способу записи и чтения информации на носитель дисковые накопители разделяются на магнитные, оптические и магнитооптические.

К дисковым накопителям относятся:
накопители на флоппи-дисках;
накопители на несменных жестких дисках (винчестеры);
накопители на сменных жестких дисках;
накопители на магнитооптических дисках;
накопители на оптических дисках (CD-R CD-RW CD-ROM) с однократной записью и
накопители на оптических DVD – дисках (DVD-R DVD-RW DVD-ROM и др.)

^ Дополнительные устройства

Периферийные устройства - это устройства, которые подключаются к контроллерам ПК и расширяют его функциональные возможности
По назначению дополнительные устройства разделяются на:
устройства ввода (трэкболлы, джойстики, световые перья, сканеры, цифровые камеры, диджитайзеры)
устройства вывода (плоттеры или графопостроители)
устройства хранения (стримеры, zip - накопители, магнитооптические накопители, накопители HiFD и др.)
устройства обмена (модемы)

^ Открытая архитектура - архитектура компьютера , периферийного устройства или же программного обеспечения , на которую опубликованы спецификации , что позволяет другим производителям разрабатывать дополнительные устройства к системам с такой архитектурой.

^ Внутренние интерфейсы ЭВМ. Системные и локальные шины. Контроллер шины. Иерархическая организация шин.

Системная шина :

Это интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Включает:

Кодовую шину данных (параллельная передача всех разрядов числового кода)
Кодовая шина адреса (параллельная передача всех разрядов кода адреса, ячейки памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства)
Кодовая шины инструкции (передача управляющих сигналов во все блоки РС)
Шина Эл.Питания(подключение некоторых элементов РС к системе Эл.питания)

Обеспечивает 3 направления передачи данных:

1. Между микропроцессором и основной памятью

2. Между микропроцессором и портами ввода-вывода устройств

3. Между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств(режим прямого доступа к памяти)

Локальной шиной называется шина, электрически выходящая непосредственно на контакты микропроцессора. Она обычно объединяет процессор, память, схемы буферизации для системной шины и ее контроллер, а также некоторые вспомогательные схемы. Типичными примерами локальных шин являются VL-Bus и PCI.

арифметико-логическое устройство

центральный процессор

оперативная память

28. Характеристикой монитора является:

цветовое разрешение

тактовая частота

дискретность

время доступа к информации

Для чего служит кнопка Reset на системном блоке?

для включения компьютера

для переключения режима работы компьютера

для выключения компьютера

для перегрузки компьютера

30. Производительность работы компьютера (быстрота выполнения операций) зависит от:

размера экрана монитора

быстроты нажатия клавиш

объема обрабатываемой информации

тактовой частоты процессора

скорости перемещения мыши

31. Компьютер называют выделенным сервером локальной сети, если это компьютер:
магнитный диск которого доступен пользователям других компьютеров;
самый быстродействующий в сети;

к которому подключен модем;
с самым большим монитором;

к которому подключен принтер.

32. Даны утверждения:
1) Сервером называется компьютер, предоставляющий свои ресурсы другим компьютерам.
2) Для работы в сети через телефонный канал связи к компьютеру подключают модем.
3) Контроллер - это программа, обеспечивающая взаимодействие операционной системы с периферийным устройством.
Среди них верными являются только

33. Тактовая частота процессора - это:

число двоичных операций, совершаемых процессором в единицу времени;

количество тактов, выполняемых процессором в единицу времени;

число возможных обращений процессора к оперативной памяти в единицу времени;

скорость обмена информацией между процессором и устройством ввода/вывода;

скорость обмена информацией между процессором и ПЗУ.

34. Постоянное запоминающее устройство служит для:

хранения программы пользователя во время работы;

записи особо ценных прикладных программ;

хранения постоянно используемых программ;

хранение программ начальной загрузки компьютера и тестирование его узлов;

постоянно хранения особо ценных документов.