ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ, СЕТИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ
БЛОЧНО-КОНСТРУКТИВНОЕ УСТРОЙСТВО
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
Методические указания к лабораторной работе для студентов очной формы обучения специальности 080801 -«Прикладная информатика (в экономике)»
Брянск 2007
УДК 681.3.06 + 681.324.06
Вычислительные системы, сети и системы телекоммуникаций. Блочно-конструктивное устройство вычислительной системы: методические указания к лабораторной работе для студентов очной формы обучения специальности 080801 -«Прикладная информатика (в экономике)». - Брянск: БГТУ, 2007. - 27 с.
Разработали:
А.И.Демиденко
канд.техн.наук, доц.,
С.В.Андриянов
асс.
Рекомендовано кафедрой «Экономика, организация производства, управление» БГТУ (протокол №1 от 06.09.2006)
Введение
Структура вычислительной системы изучается в рамках дисциплины «Вычислительные системы, сети и системы телекоммуникаций» студентами 3‑го курса специальности «Прикладная информатика (в экономике)».
Цель работы
Целью данной лабораторной работы является изучение устройства вычислительной системы и назначения отдельных узлов и элементов.
Порядок выполнения лабораторной работы
1. Изучение теоретических вопросов.
2. Выполнение практических заданий по изучению структуры вычислительной системы.
3. Оформление отчета.
4. Ответы на контрольные вопросы.
Продолжительность выполнения работы - 4 часа.
Каждый студент выполняет работу индивидуально или в бригаде на отдельном компьютере. При этом ход работы контролируется преподавателем.
Теоретические сведения
Совокупность электронных и механических компонентов компьютера составляет аппаратное обеспечение персонального компьютера (ПК). Основные устройства ПК собраны в системном блоке. Стандартная конфигурация ПК также включает монитор, клавиатуру, принтер и манипулятор (рис. 1). Кроме того, существует множество дополнительных периферийных устройств.
Рис. 1. Пример структурной схемы внешнего устройства вычислительной системы
Системный блок
В системном блоке собраны важнейшие устройства ПК, которые обеспечивают обработку данных, электропитание, возможность подключения дополнительных устройств (рис. 2).
Рис. 2. Пример структурной схемы внутреннего устройства системного блока вычислительной системы
По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса. Корпуса персональных компьютеров выпускают в горизонтальном (desktop) и вертикальном (tower) исполнении. Корпуса, имеющие вертикальное исполнение, различают по габаритам: полноразмерный (big tower), среднеразмерный (midi tower) и малоразмерный (mini tower). Среди корпусов, имеющих горизонтальное исполнение, выделяют плоские и особо плоские (slim).
Кроме формы, для корпуса важен параметр, называемый форм-фактором. От него зависят требования к размещаемым устройствам. В настоящее время в основном используются корпуса двух форм-факторов: AT и АТХ. Форм-фактор корпуса должен быть обязательно согласован с форм-фактором главной (системной) платы компьютера, так называемой материнской платы.
Корпуса персональных компьютеров поставляются вместе с блоком питания и, таким образом, мощность блока питания также является одним из параметров корпуса. Для массовых моделей достаточной является мощность блока питания 300-350 Вт.
Материнская плата
Материнская плата (mother board) – основная плата персонального компьютера, представляющая лист стеклотекстолита, покрытый медной фольгой. Путем травления фольги получают тонкие медные проводники, соединяющие электронные компоненты.
Материнская плата - это основа компьютера. На ней собраны все основные внутренние компоненты ПК, а ее конфигурация определяет тип и вычислительные ресурсы компьютера (рис. 3).
Главным устройством всей вычислительной системы является центральный процессор. Он выполняет обработку данных, считывая команды из оперативной памяти. На материнской плате расположены слоты расширения, к которым подключаются внешние устройства ПК. Системная шина обеспечивает передачу данных и команд между процессором и остальными устройствами, а контроллер прерываний позволяет внешним устройствам обращаться к процессору. Работа всех блоков синхронизируется тактовым генератором.
Процессор
Центральный процессор (ЦПУ) - это главное вычислительное устройство компьютера, тип и характеристики которого определяют общую производительность ПК. Основная функция процессора - выполнение программ. Разные модели процессоров имеют похожую архитектуру и используют общие принципы выполнения программ.
Рис. 2. Структурная схема материнской платы
Основными блоками процессора являются устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) и несколько ячеек внутренней памяти - регистры. В регистрах хранятся команды, данные и адреса. АЛУ выполняет числовые операции с данными в соответствии с кодом команды, хранящимся в регистре команд (сложение, сравнение и т.п.). УУ с помощью набора управляющих сигналов организует согласованную работы всех блоков процессора и управляет как передачей адресов, команд и данных в процессоре по внутренней шине, так и взаимодействием процессора с внешними устройствами.
Обмен данными внутри процессора осуществляется через специальную внутреннюю шину. Разрядность внутренней шины может быть в два раза меньше, чем у внешней шины процессора.
Для синхронизации работы внутренних элементов процессора в нем имеется внутренний тактовый генератор, который действует на основе синхросигнала от основного тактового генератора системы. Для повышения производительности некоторые процессоры используют внутреннюю тактовую частоту, удвоенную по сравнению с тактовой частотой системы.
Для достижения максимальной производительности в процессоре используется метод конвейерной обработки команд. Пока АЛУ занято выполнением очередной команды, специальное устройство - устройство выборки - считывает следующую команду из памяти. Выбираемые команды ставятся в очередь к АЛУ на выполнение. Каждая команда, как по конвейеру, проходит от одного устройства процессора к другому. Благодаря совмещению по времени всех операций АЛУ непрерывно занято вычислениями и не отвлекается на выборку команд, что существенно увеличивает быстродействие процессора.
При загрузке программы в оперативную память для выполнения ей отводится три специальные области памяти, или сегмента. В программном сегменте хранится сама программа, т.е. последовательность машинных кодов команд. Сегмент данных предназначен для хранения данных, которыми манипулирует программа в процессе выполнения. Третья область - стековый сегмент - используется программой для своих собственных целей, в частности для временного хранения данных и адресов при вызове внутренних подпрограмм и т.п.
В процессоре имеются специальные регистры для хранения начальных адресов этих сегментов: CS, DS и SS. Когда процессор обращается к памяти за командой или данными, физический адрес соответствующей ячейки памяти формируется из двух частей: адреса начала соответствующего сегмента и «смещения» относительно начала сегмента.
При работе в многозадачном режиме процессор периодически переключается с одной задачи на другую. При этом процессор обслуживает только одну программу, выполняя ее команды. Состояние выполнения программы определяется содержимым регистров процессора, в которых хранятся текущая исполняемая команда, адреса данных в памяти, сами данные. Для поддержки переключения между задачами выделяется специальный сегмент TSS - сегмент состояния задачи. При переключении на другую задачу необходимо сначала сохранить для текущей задачи полную среду ее выполнения. Для этого достаточно сохранить в области TSS текущее состояние всех регистров. Только после этого в регистры загружаются параметры выполнения второй задачи.
Микросхема процессора содержит миллионы полупроводниковых элементов. В одном корпусе объединены все блоки процессора: внутренние регистры памяти, АЛУ, устройство управления, генератор импульсов внутренней синхронизации, устройство предвыборки команд, внутренняя шина и другие блоки, предназначенные для повышения производительности процессора. Микросхема процессора имеет, как правило, квадратную форму и устанавливается в специальное гнездо на материнской плате.
Основными параметрами процессоров являются рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти.
Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения. Ранние модели процессоров х86 имели рабочее напряжение 5 В. С переходом к процессорам Intel Pentium оно было понижено до 3,3 В, а в настоящее время оно составляет менее 3 В. Причем ядро процессора питается пониженным напряжением 2,2 В. Понижение рабочего напряжения позволяет уменьшить расстояния между структурными элементами в кристалле процессора до десятитысячных долей миллиметра, не опасаясь электрического пробоя. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать его производительность без угрозы перегрева.
Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Первые процессоры х86 были 16-разрядными. Начиная с процессора 80386, они имеют 32-разрядную архитектуру.
В основе работы процессора лежит тот же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. В настенных часах такты колебаний задает маятник; в ручных механических часах их задает пружинный маятник; в электронных часах для этого есть колебательный контур, задающий такты строго определенной частоты. В персональном компьютере тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность. Первые процессоры х86 могли работать с частотой не выше 4,77 МГц, а сегодня рабочие частоты некоторых процессоров уже превосходят 4 триллиона тактов в секунду (4 ГГц).
Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая, в отличие от процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводников и микросхем. По чисто физическим причинам материнская плата не может работать со столь высокими частотами, как процессор. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение частоты на коэффициент 3; 3,5; 4; 4,5; 5 и более.
Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область – так называемую кэш-память. Это как бы «сверхоперативная память». Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только, если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память.
Нередко кэш-память распределяют по нескольким уровням. Кэш первого уровня выполняется в том же кристалле, что и сам процессор, и имеет объем порядка десятков Кбайт. Кэш второго уровня находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле, что и процессор, хотя и исполняется на отдельном кристалле. Кэш-память первого и второго уровня работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора.
Кэш-память третьего уровня выполняют на быстродействующих микросхемах и размещают на материнской плате вблизи процессора. Ее объемы могут достигать нескольких Мбайт, но работает она на частоте материнской платы.
Память
Внутренняя память компьютера предназначена для временного хранения данных и программ, используемых в текущий момент компьютером. Процессор может непосредственно обращаться только к той информации, которая хранится во внутренней памяти. Все байты внутренней памяти для процессора равнозначны, и только программа, которую в данный момент выполняет процессор, определяет, каким образом будет использоваться память. При отключении питания содержимое внутренней памяти теряется.
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) является основным типом внутренней памяти компьютера. Основная оперативная память размещается на материнской плате и представлена микросхемами динамической памяти. Информация может быть записана в произвольные ячейки микросхем ОЗУ в любой момент работы компьютера.
Оперативная память (RAM – Random Access Memory) – это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. Существует много различных типов оперативной памяти, но с точки зрения физического принципа действия различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM).
Ячейки динамической памяти (DRAM) можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Это наиболее распространенный и экономически доступный тип памяти. Недостатки этого типа связаны, во-первых, с тем, что как при заряде, так и при разряде конденсаторов неизбежны переходные процессы, то есть запись данных происходит сравнительно медленно. Второй важный недостаток связан с тем, что заряды ячеек имеют свойство рассеиваться в пространстве, причем весьма быстро. Если оперативную память постоянно не «подзаряжать», утрата данных происходит через несколько сотых долей секунды. Для борьбы с этим явлением в компьютере происходит постоянная регенерация (освежение, подзарядка) ячеек оперативной памяти. Регенерация осуществляется несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы.
Ячейки статической памяти (SRAM) можно представить как электронные микроэлементы – триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и соответственно дороже.
Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной памяти компьютера. Микросхемы статической памяти используют в качестве вспомогательной памяти (так называемой кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы процессора.
Конструктивно модули памяти имеют два исполнения – однорядные (SIMM-модули) и двухрядные (DIMM-модули). На компьютерах с процессорами Pentium однорядные модули можно применять только парами (количество разъемов для их установки на материнской плате всегда четное), а DIMM-модули можно устанавливать по одному.
Основными характеристиками модулей оперативной памяти являются объем памяти и время доступа.
Непосредственно после включения компьютера на адресной шине процессора выставляется стартовый адрес. Это происходит аппаратно, без участия программ (всегда одинаково). Процессор обращается по выставленному адресу за своей первой командой и далее начинает работать по программам.
Этот исходный адрес не может указывать на оперативную память, в которой пока ничего нет. Он указывает на другой тип памяти – постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), содержимое которого не изменяется на протяжении эксплуатации компьютера. Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию, даже когда компьютер выключен. Программы, находящиеся в ПЗУ, называют «зашитыми» – их записывают туда на этапе изготовления микросхемы.
Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода (BIOS – Basic Input Output System). Основное назначение программ этого пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков. Программы, входящие в BIOS, позволяют нам наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера, а также вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры.
Существует тип микросхем ПЗУ, называемых стираемыми программируемыми ПЗУ, которые допускают многократную перезапись своего содержимого с помощью специального оборудования. В обычные микросхемы ПЗУ информация записывается только один раз при изготовлении.
На материнской плате есть микросхема «энергонезависимой памяти», по технологии изготовления называемая CMOS. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не стирается во время выключения компьютера, а от ПЗУ она отличается тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы. Эта микросхема постоянно подпитывается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. Заряда этой батарейки хватает на то, чтобы микросхема не теряла данные, даже если компьютер не будут включать несколько лет.
В микросхеме CMOS хранятся данные о гибких и жестких дисках, о процессоре, о некоторых других устройствах материнской платы. Тот факт, что компьютер четко отслеживает время и календарь (даже и в выключенном состоянии), тоже связан с тем, что показания системных часов постоянно хранятся (и изменяются) в CMOS.
Системная шина
Все компоненты и подсистемы компьютера соединены между собой системой каналов, по которой они обмениваются данными, командами и другими сигналами. Эта система каналов, называемая шиной, связывает процессор с другими устройствами ПК. Шина состоит из контроллера шины и собственно каналов обмена информацией. Контроллер управляет обменом информацией по шине с помощью стандартного набора управляющих сигналов и реализует определенный протокол обмена данными и сигналами по шине.
Физически системная шина представляет собой систему проводников и разъемов. В системной шине выделяют три группы каналов передачи:
Адресная шина. У процессоров Intel Pentium адресная шина 32-разрядная, то есть состоит из 32 параллельных линий. В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комбинация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.
Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на базе процессоров Intel Pentium, шина данных 64-разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.
Шина команд. Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, но не из тех областей, где хранятся массивы данных, а оттуда, где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. Самые простые команды укладываются в один байт, однако есть и такие, для которых нужно два, три и более байтов. В большинстве современных процессоров шина команд 32-разрядная, хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже 128-разрядные.
В каждый момент времени состояние шины характеризуется набором сигналов. Изменение состояния шины называется рабочим циклом (тактом) шины. Передача информации по шине может осуществляться за один или несколько циклов.
Производительность компьютера во многом определяется характеристиками системной шины, важнейшими из которых являются:
- разрядность шины адреса, определяет объем адресуемой памяти при передаче данных;
- разрядность шины данных, определяет пропускную способность шины, т.е. число бит, которое может быть одновременно передано по шине за один цикл;
- число каналов DMA (прямого доступа к памяти);
- число линий аппаратных прерываний.
Контроллер прерываний
Когда какому-либо устройству ПК необходимо обслуживание со стороны процессора, оно генерирует запрос на прерывание и направляет его процессору. Такое прерывание называется аппаратным, поскольку оно формируется аппаратным устройством. Для координации и упорядочения обслуживания запросов на аппаратные прерывания используется специальный контроллер прерываний. Микросхема контроллера прерываний устанавливается на материнской плате и выполняет следующие операции:
- принимает запросы на прерывания;
- организует очередь запросов;
- посылает процессору запрос на прерывание программы, сообщая ему также адрес соответствующей программы обработки прерываний.
Прерывания, генерируемые программами, называются программными прерываниями. Они не требуют обращения к контроллеру прерываний, поскольку инициатор прерывания - программа - уже использует процессор.
Тактовый генератор
Для согласования во времени взаимодействия между устройствами ПК используется тактовый генератор, формирующий импульсы фиксированной частоты, служащий для синхронизации работы подсистем компьютера. Сигналы тактового генератора поступают практически ко всем устройствам ПК.
Тактовый генератор непосредственно соединяется с центральным процессором и устройством электропитания.
Основным элементом тактового генератора является генератор импульсов - кварцевый осциллятор, представляющий собой прецизионное электронное устройство, заряжающееся и разряжающееся с фиксированной частотой.
Таймер
Таймер ПК работает как программируемые часы, генерируя сигналы через определенные запрограммированные интервалы времени. В частности, эти сигналы используются операционной системой для отсчета системного времени и ведения системного календаря. Таймер получает сигналы от тактового генератора и в соответствии с заданными величинами задержки (делителями) генерирует выходные сигналы.
Слоты расширения
На материнской плате, ближе к задней стороне системного блока, расположены от 4 до 8 разъемов, называемых слотами расширения. Они предназначены для подключения разнообразных электронных устройств к системной шине ПК.
С помощью слотов расширения к системной шине подключаются платы видеоадаптера, контроллера дисководов и порта ввода-вывода, модема, звуковой карты, АЦП и др.
Динамик
Воспроизведение простейших звуковых эффектов представлено динамиком, расположенным за передней панелью системного блока и схемой управления. Схема управления обеспечивает программирование различных звуков, которые воспроизводятся динамиком в очень ограниченном частотном диапазоне и с невысокой громкостью.
Гибкие диски
Гибкие диски используются в качестве сменных носителей информации. Существует два вида гибких дисков - 3,5” и 5,25”. Дискета 5,25” представляет собой круглую пластину диаметром 5,25 дюйма из гибкой пленки с двусторонним магнитным покрытием, заключенную в пластиковый конверт. Дискеты 3,5” имеют улучшенную конструкцию по сравнению с дисками 5,25”. Дискета заключена в жесткий пластмассовый конверт, что значительно повышает ее надежность и долговечность. Для дискет 3,5” обычно используется формат 1,44 Мб. При этом каждая из 80-ти дорожек разделяется на 18 секторов по 512 байт.
Для перемещения головок чтения-записи от края дискеты к центру используется прецизионный шаговый двигатель. Число положений, в которые может быть установлена головка, зависит от типа дисковода и соответствует числу дорожек на диске.
Дисковод на гибких дисках размещается в специальном отсеке внутри системного блока ПК. Под отсеком на жесткой литой станине установлен двигатель, который с постоянной угловой скоростью вращает дискету. Двигатель включается только на время обращения к дисководу для чтения или записи информации, что позволяет уменьшить износ дискеты и головок.
Для подключения дисковода необходимо установить его в отсеке и закрепить винтами. Затем к разъемам дисковода надо подключить кабель электропитания и шину данных.
Контроллер гибких дисков представляет собой микросхему, предназначенную для управления работой дисководов 5,25” и 3,5” и передачи данных между компьютером и дисководами. Контроллер и его разъем размещаются на материнской плате. Функционирование контроллера основано на специальном интерфейсе, который задает механические и электрические параметры работы дисководов.
Контроллер к дисководам гибких дисков подключается с помощью кабеля. Провода кабеля имеют цветовую маркировку, а их разъемы - ключи. Цветовая маркировка указывает на контакт разъема номер 1, который отмечен и на контроллере, и на плате управления дисковода.
Основными параметрами гибких дисков являются технологический размер (измеряется в дюймах), плотность записи (измеряется в кратных единицах) и полная емкость.
Жесткий диск
Жесткий диск является основным типом стационарных носителей для долговременного хранения информации. Жесткие диски обладают значительно большей емкостью по сравнению с гибкими дисками и значительно более высоким быстродействием. Диск состоит из 1-5 круглых пластин с двусторонним магнитным покрытием. Каждая пластина имеет две рабочие магнитные поверхности. Пластины закреплены на общей оси и постоянно вращаются, пока компьютер включен. Для защиты пластин диска от механических повреждений и пыли диск помещен в герметичный металлический корпус, который устанавливается внутри системного блока ПК.
Основной функцией контроллера жестких дисков является обеспечение обмена данными по шине между оперативной памятью и дисководом жесткого диска. При считывании данных с диска контроллер преобразует их в форму, приемлемую для процессора, а при записи данных на носитель - в форму, приемлемую для дисковода.
Работа контроллера основана на специальном интерфейсе, который определяет электрические и механические параметры взаимодействия между шиной данных и дисководом жесткого диска. Одним из наиболее распространенных интерфейсов является стандарт IDE (Intelligent Drive Electronics), контроллер которого реализован на материнской плате ПК.
К основным параметрам жестких дисков относятся емкость и производительность. Емкость дисков зависит от технологии их изготовления. В настоящее время большинство производителей жестких дисков используют изобретенную компанией IBM технологию с использованием гигантского магниторезистивного эффекта (GMR – Giant Magnetic Resistance).
С другой стороны, производительность жестких дисков меньше зависит от технологии их изготовления. Сегодня все жесткие диски имеют очень высокий показатель скорости внутренней передачи данных (до 30-250 Мбайт/с), и потому их производительность в первую очередь зависит от характеристик интерфейса, с помощью которого они связаны с материнской платой. В зависимости от типа интерфейса разброс значений может быть очень большим: от нескольких Мбайт/с до 13-16 Мбайт/с для интерфейсов типа EIDE; до 80 Мбайт/с для интерфейсов типа SCSI, от 50 Мбайт/с и более для интерфейсов типа IEEE 1394.
Кроме скорости передачи данных, с производительностью диска напрямую связан параметр среднего времени доступа. Он определяет интервал времени, необходимый для поиска нужных данных, и зависит от скорости вращения диска. Для дисков, вращающихся с частотой 5400 об/мин, среднее время доступа составляет 9-10 мкс, для дисков с частотой 7200 об/мин – 7-8 мкс. Изделия более высокого уровня обеспечивают среднее время доступа к данным 5-6 мкс.
Жесткий диск устанавливается в специальные монтажные отсеки внутри системного блока. Жесткий диск подключается прямо к материнской плате плоским 40 контактным кабелем.
Оптические диски
Аббревиатура CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) переводится на русский язык как постоянное запоминающее устройство на основе компакт-диска. Принцип действия этого устройства состоит в считывании числовых данных с помощью лазерного луча, отражающегося от поверхности диска. Цифровая запись на компакт-диске отличается от записи на магнитных дисках очень высокой плотностью, и стандартный компакт-диск может хранить примерно 650 Мбайт данных.
Существует три основных типа оптических дисков: только считывающие информацию (CD-ROM); позволяющие дописывать информацию на диск; перезаписываемые. Общим для всех типов оптических дисков является то, что для доступа к информации на диске используется лазерный луч. Существуют как внешние, так и внутренние дисководы CD-ROM. Внутренние устанавливаются в системном блоке ПК в отсеке для гибких дисков и для подключения обычно используют дисковый контроллер со стандартом IDE.
Основным параметром дисководов CD-ROM является скорость чтения данных. Она измеряется в кратных долях. За единицу измерения принята скорость чтения в первых серийных образцах, составлявшая 150 Кбайт/с. Таким образом, дисковод с удвоенной скоростью чтения обеспечивает производительность 300 Кбайт/с, с учетверенной скоростью – 600 Кбайт/с и т. д. В настоящее время наибольшее распространение имеют устройства чтения CD-ROM с производительностью 50х.
Порты
Есть два способа подключения периферийного устройства к компьютеру. Первый требует установки платы контроллера устройства в слот расширения на материнской плате. Другой способ - использовать один из коммуникационных портов. Обычно на компьютере имеется один параллельный и два последовательных порта. На системном уровне порт представляет собой непосредственно доступный процессору буфер данных, имеющий собственный адрес. Для управления обменом данными служит контроллер порта.
Последовательный порт был разработан в качестве устройства, обеспечивающего обмен данными между ПК и внешними устройствами с помощью минимального числа проводов. ПК обычно имеет два таких порта: COM1 и COM2. Последовательная связь не является простой процедурой. Помимо преобразования байта в последовательность битов, она требует выполнения большого числа служебных операций: проверки состояния линии, готовности устройств и т.д. Для выполнения этих действий используется специальный контроллер последовательного порта, реализующий различные протоколы обмена данными. Контроллер обычно установлен на материнской плате вместе с контроллером параллельного порта и соответствующими разъемами для подключения внешних устройств.
Параллельный порт чаще всего используется для подключения принтера. В отличие от последовательного порта, при передаче байта все его биты передаются через параллельный порт одновременно. Для каждого бита применяется отдельный провод. Контроллер параллельного порта обменивается данными в соответствии со стандартным 8-битным интерфейсом Centronics. Устройство к контроллеру параллельного порта подключается стандартным разъемом с 25-ю отверстиями, в отличие от 25-штырькового разъема последовательного порта.
Устройство питания
Системный блок питания ПК предназначен для подачи напряжений питания на все модули компьютера, находящиеся внутри системного блока, а также на мышь, клавиатуру, а иногда и на монитор. Блок питания вырабатывает из первичного сетевого напряжения ряд вторичных напряжений различных номиналов. Он располагается у задней стенки внутри системного блока в металлическом корпусе. На задней стенке блока питания имеются два гнезда: вилка и розетка. Вилка предназначена для подключения сетевого кабеля, а розетка - питание дисплея. Сетевая вилка - трехполюсная. Два полюса служат для подачи первичного напряжения питания, а третий - для защитного заземления.
Блок питания состоит из металлического корпуса, охлаждающего вентилятора и платы питания с предохранителем. Имеет двойную схему защиты. Предохранитель защищает компьютер от коротких замыканий, а встроенная схема защищает от выбросов напряжения в сети.
Видеосистема
Существует несколько типов мониторов с различными физическими принципами работы. Мониторы на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ) используются в настольных ПК. В портативных компьютерах применяются жидкокристаллические дисплеи (ЖК) и газоразрядные или плазменные дисплеи. Мониторы отличаются поддерживаемым видеостандартом, графическим разрешением и цветовыми характеристиками изображения. Помимо монитора, видеосистема компьютера включает плату видеоадаптера, а также может использовать разнообразные ускорители.
Со стороны задней панели ЭЛТ монитора отходят два кабеля. Правый кабель предназначен для передачи сигналов, формирующих изображение на дисплее. Этот кабель соединяется с платой графического адаптера, установленной в системном блоке ПК. Второй кабель подключается к электрической сети и обеспечивает электропитание системы. Если на задней панели системного блока ПК имеется специальный встроенный трехконтактный разъем питания, то кабель можно подключать именно к нему. Сетевое напряжение подается на монитор через блок питания компьютера и монитор будет включаться и выключаться одновременно с системным блоком. Через разъем адаптера к монитору поступают синхронизирующие импульсы и видеосигналы, формируемые видеоадаптером.
Видеоадаптер предназначен в основном для формирования изображения в цифровом виде. Основными элементами адаптера являются ЭЛТ контроллер и видеопамять. Контроллер ЭЛТ представляет собой микросхему, которая генерирует сигналы строчной и кадровой развертки и видеосигналы. Цветоустановка осуществляется атрибутным контроллером, который задает текущую палитру. Графический контроллер предназначен для манипулирования данными, считываемыми или записываемыми процессором в видеопамять, а также обеспечивает независимость вывода информации на экран от работы с процессором.
Клавиатура
Клавиатура - основное устройство ручного ввода информации (команд и данных) в компьютер. Стандартная клавиатура обычно имеет 101 клавишу, с помощью которых могут быть сгенерированы 256 различных символов и знаков. Клавиатура подключается к ПК с помощью кабеля с разъемом PS/2, который вставляется в гнездо специального порта клавиатуры на задней стенке системного блока.
Клавиатура относится к стандартным средствам. Физически клавиатура и процессор связаны только двумя проводами, контролер процессора сканирует переключатели клавиш и при нажатии на любую клавишу по этим двум проводам передается уникальный скан-код размером один байт. Когда скан-код попадает в процессор, инициализируется аппаратное прерывание IRQ 9(Interrupt 9, Int9). Скан-код анализируется процессором и преобразуется в код символа. Далее полученный код символа помещается в небольшую область памяти, известную как буфер клавиатуры. Введенный символ хранится в буфере клавиатуры до тех пор, пока его не заберет оттуда та программа, для которой он и предназначался, например текстовый редактор или текстовый процессор. Если символы поступают в буфер чаще, чем забираются оттуда, наступает эффект переполнения буфера. В этом случае ввод новых символов на некоторое время прекращается. На практике в этот момент при нажатии на клавишу мы слышим предупреждающий звуковой сигнал и не наблюдаем ввода данных.
Из данного объяснения ясно, что каждой клавише присвоен уникальный цифровой код и существуют специальные таблицы кодировки клавиатуры. Так, кодовая таблица США имеет номер 437 (как правило, она записана в специальную микросхему – знакогенератор процессора), а кодовая страница России имеет номер 866. Для смены кодировки клавиатуры применяются специальные программы – клавиатурные драйверы. Современные клавиатуры способны не только передавать данные в процессор, но и воспринимать команды от него.
Для разных языков существуют различные схемы закрепления символов национальных алфавитов за конкретными алфавитно-цифровыми клавишами. Такие схемы называются раскладками клавиатуры. Переключения между различными раскладками выполняются программным образом – это одна из функций операционной системы.
Манипуляторы
Самым популярным манипулятором является мышь, но есть множество других манипуляторов, ориентированных на конкретные приложения, например джойстик, трекбол, световое перо и т.д.
Мышь подключается к системному блоку компьютера через разъем одного из последовательных портов (СОМ1 или СОМ2) обычно с помощью 9-штырькового разъема или разъема PS/2.
Компьютером управляют перемещением мыши по плоскости и кратковременными нажатиями правой и левой кнопок (Эти нажатия называются щелчками.) В отличие от клавиатуры мышь не может напрямую использоваться для ввода знаковой информации – ее принцип управления является событийным. Перемещения мыши и щелчки ее кнопок - события с точки зрения ее программы-драйвера. Анализируя эти события, драйвер устанавливает, когда произошло событие и в каком месте экрана в этот момент находился указатель. Эти данные передаются в прикладную программу, с которой работает пользователь в данный момент. По ним программа может определить команду, которую имел в виду пользователь, и приступить к ее исполнению.
К числу регулируемых параметров мыши относятся: чувствительность (выражает величину перемещения указателя на экране при заданном линейном перемещении мыши), функции левой и правой кнопок, а также чувствительность к двойному нажатию (максимальный интервал времени, при котором два щелчка кнопкой мыши расцениваются как один двойной щелчок).
Принтер
Простейшими по конструкции и качеству печати являются матричные принтеры. При печати изображение в этих принтерах формируется из отдельных точек на основе специальной матрицы изображения символа. Точки наносятся на бумагу иголками печатающей головки, движущейся вдоль бумаги, путем ударов по красящей ленте. Для подключения принтера необходимо подсоединить его к компьютеру с помощью интерфейсного кабеля, а к электрической сети - с помощью кабеля питания. Обычно принтер подключается через параллельный порт, однако некоторые модели принтеров могут подключаться и через последовательный. Это зависит от установленной в принтере интерфейсной платы. С одной стороны, интерфейсный кабель имеет стандартный 25-контактный разъем для подключения к компьютеру, а с другой, - специальный 36-контактный разъем Centronics, который со стороны принтера фиксируется защелками. Для настройки редко изменяемых параметров принтеров обычно используются микропереключатели. В их число входят:
- выбор длины страницы;
- установка режима печати по умолчанию;
- вывод символа нуля;
- датчик наличия бумаги;
- установка режима работы интерфейса;
- управление использованием внутренней памяти принтера;
- выбор таблицы международных символов.
На панели управления принтером размещаются несколько кнопок управления режимами работы и светодиодные индикаторы. Принтер может находиться в двух различных состояниях ON-LINE и OFF-LINE. Печать текста возможна только в режиме ON-LINE.
Струйные принтеры отличаются от матричных только устройством печатающей головки. Головка струйного принтера «выстреливает» капли чернил на бумагу, и матрица каждого символа формируется на бумаге из отдельных точек колонка за колонкой.
Лазерные принтеры позволяют получать печатное изображение высокого качества, сравнимое с типографским, и обеспечивают более высокую скорость печати по сравнению с матричным и струйным принтерами. Подключение обычно производится через параллельный порт (LPT1 и LPR2) с помощью интерфейсного кабеля типа Centronics. Существуют лазерные принтеры с возможностью подключения и через последовательный порт. Основными блоками лазерного принтера являются барабан, устройство подачи красящего порошка (тонера) и чистящий блок.
Сканер
Сканер - это устройство, позволяющее вводить в компьютер изображения с бумаги, пленки или слайдов. Ручные сканеры удобно использовать для сканирования небольших изображений, так как ширина ручного сканера не превышает 10 см. Для ввода изображения ручной сканер перемещают рукой по сканируемой поверхности. Настольные сканеры позволяют вводить в компьютер изображения большого формата. Различают несколько типов настольных сканеров:
- планшетные сканеры, позволяют сканировать не только отдельные листы, но и страницы книг и журналов;
- сканеры с устройством подачи страницы, не позволяют сканировать изображения из книг и журналов;
- проекционные сканеры, внешне напоминают фотоувеличитель; вводимый документ кладется на поверхность сканирования изображением вверх, а блок сканирования находится внизу.
Сканеры, как правило, подключаются к специальному контроллеру, который вставляется в слот расширения материнской платы. Некоторые сканеры могут быть подключены к компьютеру через последовательный порт.
Сетевое оборудование
Для физического соединения компьютеров в локальную вычислительную сеть используется целый набор специального оборудования. Компьютеры соединяются специальными кабелями, которые должны быть надлежащим образом проложены в помещении и подключены к компьютерам с помощью коннекторов и соединителей, а сами компьютеры должны быть оборудованы сетевыми интерфейсными платами. Различные сетевые архитектуры требуют использования разных типов сетевого оборудования. В рамках единой архитектуры можно организовать различные сетевые топологии соединения компьютеров. При этом сетевое взаимодействие требует использования специального сетевого программного обеспечения.
Термин «сетевые аппаратные средства» относится к сетевым платам, кабелям, коннекторам (соединительным разъемам кабелей), коммутаторам (hub и switch), трансиверам (соединительным приемопередатчикам), терминаторам (замыкателям сетевых линий), повторителям (усилителям сигналов на линии) и любым другим видам аппаратных средств, используемых для физического соединения сетевых станций.
В зависимости от типа соединительного кабеля бывают сети на витой паре, коаксиальном и оптоволоконном кабеле. Трансиверы и повторители используются для понижения влияния шумов в сети и усиления сигналов, передаваемых по кабелю. Специальные коммутаторы - хабы - служат для соединения отдельных сегментов кабеля, причем активные коммутаторы, в отличие от пассивных, способны усиливать передаваемый сигнал, обеспечивая большую длину соединений. Замыкатели сетевых линий подключают к неиспользуемым портам активных и пассивных коммутаторов.
Для передачи информации по телефонной линии применяются специальное устройство - модем, который обеспечивает прямую связь между двумя ПК. Название «модем» является аббревиатурой от «МОдулятор-ДЕМодулятор». Модем преобразует цифровые данные, поступающие от компьютера, в аналоговые сигналы для передачи по телефонной линии.
Внутренний модем представляет собой плату, которая вставляется в слот расширения материнской платы компьютера. На стороне платы, выходящей на заднюю стенку системного блока, имеются гнезда для подключения телефонного аппарата и телефонной линии. Туда же выведен и блок микропереключателей для настройки модема.
Внешний модем представляет собой отдельное устройство, которое подключается к последовательному порту компьютера. На передней стенке внешнего модема располагаются индикаторы, по которым можно судить о текущем состоянии модема. На задней стороне внешнего модема располагаются следующие разъемы для подключения:
- кабеля питания;
- телефонного аппарата и телефонной линии;
- модема к последовательному порту компьютера.
Там же располагаются и микропереключатели для настройки внешнего модема.
Состав параметров настройки модема и число микропереключателей зависит от типа модема и от фирмы-изготовителя. На внешних модемах обычно настраиваются параметры протокола работы во время вызова удаленного модема и передачи информации. Настройка внутреннего модема связана прежде всего с тем, что внутренний модем работает в качестве «мнимого» последовательного порта. Внешний модем может и не «знать», к какому из последовательных портов он подключен, а для внутреннего модема необходимо задавать номер эмулируемого порта.
Практические задания
Задание 1
Изучение внешнего устройства вычислительной системы.
1. Отметить составные части внешнего устройства вычислительной системы путем составления структурной схемы.
2. Отключить соответствующие внешние устройства от электросети и от системного блока.
Задание 2
