Стандарты магнитных дисков

IDE-диски. Диски современных персональных компьютеров развились из диска машины IBM PC XT. Это был диск Seagate на 10 Мбайт, управляемый контроллером Xebec на встроенной карте. У этого диска было 4 головки, 306 цилиндров и по 17 секторов на дорожке. Контроллер мог управлять двумя дисками. Операцион­ная система считывала с диска и записывала на диск информацию. Для этого она передавала параметры в регистры процессора и вызывала систему BIOS (Basic Input Output System – базовая система ввода-вывода), расположенную во встроенном ПЗУ. Система BIOS запрашивала машинные команды для загрузки регистров контроллера, которые начинали передачу данных.

Сначала контроллер помещался на отдельной плате, а с выходом в середине 80-х годов устройств IDE (Integrated Drive Electronics – устройство со встроен­ным контроллером) стал встраиваться в материнскую плату. Однако соглаше­ния о вызовах системы BIOS не изменились, поскольку необходимо было обес­печить совместимость с более старыми версиями. Обращение к секторам производилось по номерам головки, цилиндра и сектора, причем головки и ци­линдры нумеровались с 0, а секторы – с 1.

Вскоре появились диски объемом более 504 Мбайт, но у них была другая гео­метрия (4 головки, 32 сектора, 2000 цилиндров). Операционная система не мог­ла обращаться к ним из-за того, что соглашения о вызовах системы BIOS не ме­нялись (требование совместимости). В результате контроллеры начали выдавать информацию из предположения, что геометрия диска соответствует указанной в BIOS. Но на самом деле виртуальная геометрия просто накладывалась на реаль­ную. Хотя этот метод действовал, он затруднял работу операционных систем, ко­торые размещали данные на диске определенным образом, чтобы сократить вре­мя поиска.

В конце концов на смену IDE-дискам пришли устройства EIDE (Extended IDE – усовершенствованные устройства со встроенным контроллером), под­держивающие дополнительную схему адресации LBA (Logical Block Addressing – линейная адресация блоков). При линейной адресации секторы просто нумеру­ются от 0 до 2²⁸-1. Хотя контроллеру приходится преобразовывать LBA-адреса в адреса головки, сектора и цилиндра, зато объем диска может превышать 504 Мбайт.

Стандарт EIDE совершенствовался вместе с развитием технологического про­гресса, но тем не менее его преемника назвали АТА-3. Следующая версия стандарта, названная ATAPI-4 (ATA Packet Interface – пакетный интерфейс АТА), отличалась скоростью 33 Мбит/с. В версии ATAPI-5 она достигла 66 Мбит/с.

Поскольку ограничение в 128 Гбайт, установленное 28-разрядными линейны­ми адресами, становилось все более болезненным, в стандарте ATAPI-6 размер LBA-адреса был увеличендо 48 бит. Лимит этого стандарта – 2⁴⁸ х 2⁹ (128 Пбайт). Если емкость дисков будет ежегодно возрастать на 50 %, 48-разрядные LBA-адреса останутся актуальными приблизительно до 2035 года.

Настоящий прорыв был совершен в стандарте ATAPI-7. Вместо расширения разъема диска (и, соответственно, скорости передачи данных) появилась специ­фикация последовательного интерфейса ATA (Serial ATA, SATA), позволившего передавать через 7-контактный разъем информацию на скоростях от 150 Мбит/с (со временем скорость увеличится до 1,5 Гбит/с). Благодаря замене 80-провод-ного плоского кабеля круглым кабелем диаметром в несколько миллиметров улучшилась вентиляция системного блока. Кроме того, при отправке сигналов через интерфейс SATA потребляется всего 0,5 В (в сравнении с 5 В по стандарту ATAPI-6), вследствие чего уменьшается общий уровень энергопотребления. Скорее всего, в течение нескольких лет на стандарт SATA будут переведены все компьютеры.

SCSI-диски. SCSI-диски с точки зрения расположения цилиндров, дорожек и секторов не отличаются от IDE-дисков, но они имеют другой интерфейс и более высокую скорость передачи данных.

Дискеты

С изобретением персонального компьютера появилась необходимость каким-то образом распространять программное обеспечение. Решением проблемы стала дискета, или гибкий диск (floppy disk), – небольшой сменный носитель инфор­мации. Дискеты были придуманы фирмой IBM. Изначально на дискетах запи­сывалась информация по обслуживанию мэйнфреймов (для сотрудников фир­мы-покупателя). Но производители компьютеров вскоре переняли эту идею и стали использовать дискеты в качестве удобного средства записи программного обеспечения и его продажи.

Дискеты обладают теми же общими характеристиками, что и магнитные диски, с тем лишь различием, что головки жестких дис­ков перемещаются над поверхностью диска на воздушной подушке, а у дискет головки касаются поверхности. В результате и сами дискеты, и головки очень быстро изнашиваются. Поэтому, когда не происходит считывания и записи ин­формации, головки убираются с поверхности, а компьютер останавливает вра­щение диска. Это позволяет продлить срок службы дискет. Но при этом, если поступает команда считывания или записи, происходит небольшая задержка (примерно полсекунды) перед тем, как начнет работать мотор. Дискеты остава­лись в употреблении около 20 лет, однако в большинство конфигураций совре­менных компьютеров дисководы для гибких дисков не входят.

 

Диски CD-ROM

Оптические диски, которые изначально использовались для записи телевизион­ных программ, позже стали одними из основных средств хранения информации в компьютерной индустрии. Благодаря большой емкости и низкой цене оптиче­ские диски повсеместно применяются для распространения ПО, книг, фильмов и данных других типов, а также для создания архивных копий жестких дисков.

Первые оптические диски были изобретены голландской корпорацией Philips для хранения кинофильмов. Они имели 30 см в диаметре, выпускались под мар­кой Laser Vision, но нигде, кроме Японии, популярностью не пользовались.

В 1980 году корпорация Philips вместе с Sony разработала компакт-диски (Compact Disc, CD), которые быстро вытеснили виниловые диски, использовав­шиеся для записи музыки. Все компакт-диски в соответствии со стандартом должны быть 120 мм в диаметре и 1,2 мм в толщину, а диаметр отверстия в середине должен составлять 15 мм. Аудио компакт-диски были первым средст­вом хранения цифровой информации, вышедшим на массовый рынок. Предпо­лагается, что они будут использоваться на протяжении ста лет.

Компакт-диск изготавливается с использованием очень мощного инфракрас­ного лазера, который выжигает отверстия диаметром 0,8 микрон в специальном стеклянном мастер-диске. По этому мастер-диску делается шаблон с выступами в тех местах, где лазер прожег отверстия. В шаблон вводится жидкая смола (по­ликарбонат), и, таким образом, получается компакт-диск с тем же набором отверстий, что и в стеклянном диске. На смолу наносится очень тонкий слой алюминия, который, в свою очередь, покрывается защитным лаком. После этого наклеивается этикетка. Углубления в нижнем слое смолы называются лунками (pits), а ровные пространства между лунками – площадками (lands).

Во время воспроизведения лазерный диод небольшой мощности светит ин­фракрасным светом с длиной волны 0,78 микрон на сменяющие друг друга лун­ки и площадки. Лазер находится на той стороне диска, на которую нанесен слой смолы, поэтому лунки для лазера превращаются в выступы на ровной поверхно­сти. Так как лунки имеют высоту в четверть длины световой волны лазера, длина световой волны, отраженной от выступа, составляет половину длины световой волны, отраженной от окружающей выступ ровной поверхности. В результате, если свет отражается от выступа, фотодетектор проигрывателя получает меньше света, чем при отражении от площадки. Именно таким образом проигрыватель отличает лунку от площадки. Хотя, казалось бы, проще всего использовать лун­ку для записи нуля, а площадку для записи единицы, для единицы надежнее ока­залось использовать переход лунка-площадка или площадка-лунка, а отсутствие перехода – для нуля.

Лунки и площадки записываются по спирали. Запись начинается на некото­ром расстоянии от отверстия в центре диска и продвигается к краю, занимая 32 мм диска. Спираль проходит 22 188 оборотов вокруг диска (примерно 600 на 1 мм). Если спираль распрямить, ее длина составит 5,6 км.

Чтобы музыка звучала нормально, лунки и площадки должны сменяться с постоянной линейной скоростью. Следовательно, скорость вращения ком­пакт-диска должна постепенно снижаться по мере продвижения считывающей головки от центра диска к внешнему краю. Когда головка находится на внутрен­ней стороне диска, то, чтобы достичь желаемой скорости 120 см/с, частота вра­щения должна составлять 530 оборотов в минуту. Когда головка находится на внешней стороне диска, частота вращения падает до 200 оборотов в минуту, что позволяет обеспечить такую же линейную скорость. Этим компакт-диск, вра­щающийся с постоянной линейной скоростью, отличается от магнитного диска, вращающегося с постоянной угловой скоростью независимо от того, где в этот момент находится головка. Кроме того, частота вращения компакт-диска (530 оборотов в минуту) совершенно не соответствует частоте вращения магнитных дисков, которая составляет от 3600 до 7200 оборотов в минуту.

В 1984 году Philips и Sony начали использовать компакт-диски для хранения компьютерных данных. Чтобы выйти на развитый к тому времени рынок аудио компакт-дисков, компьютерные компакт-диски должны были быть такого же размера, как аудиодиски, механически и оптически совместимыми с ними и производиться по той же технологии. Вследствие такого решения потребовались двигатели, работающие с низкой скоростью и способные менять скорость. Стоимость производства одного компакт-диска составляла в сред­нем около 1 доллара.

Рисунок – схема записи компакт-диска

 

42 последовательных символа формируют фрейм из 588 бит. Каждый фрейм содержит 192 бита данных (24 байта). Оставшиеся 396 бит используются для исправления ошибок и контроля. У аудио и компьютер­ных компакт-дисков эта система одинакова.

У компьютерных компакт-дисков каждые 98 фреймов группируются в сектор, как показано на рисунке. Каждый сектор начинается с преамбулы из 16 байт, первые 12 из которых образуют значение OOFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFOO (в шестнадцатеричной системе счисления), что дает возможность проигрывателю определять начало сектора. Следующие 3 байта содержат номер сектора. Номер необходим, поскольку поиск на компакт-диске, на котором данные записаны по спирали, го­раздо сложнее, чем на магнитном диске, где данные записаны на концентрических дорожках. Чтобы найти определенный сектор, программное обеспечение подсчитывает, куда приблизительно нужно направляться; туда помещается считываю­щая головка, а затем начинается поиск преамбулы, чтобы установить, насколько верен был подсчет. Последний байт преамбулы определяет тип диска.

Односкоростные устройства для чтения компакт-дисков считывают 75 секто­ров в секунду, что обеспечивает скорость передачи данных 153 600 байт/с. Двухскоростные устройства работают в два раза быстрее и т. д., до самой высокой скорости. Стандартный аудио компакт-диск «вмещает» 74 минуты музыки, что соответствует значению 681 984 000 байт, или 650 Мбайт, так как 1 Мбайт = 2²⁰ байт (1 048 576 байт), а не 1 000 000 байт.

Диски CD-R. Вначале оборудование, необходимое для изготовления мастер-дисков (как аудио, так и компьютерных), было очень дорогим. Но, как это обычно происходит в компьютерной промышленности, ничего не остается дорогим слишком долго. К середине 90-х годов записывающие устройства для компакт-дисков размером не больше проигрывателя стали обычными и общедоступными, их можно было приобрести в любом магазине компьютерной техники. Эти устройства все еще отличались от магнитных дисков, поскольку информацию, записанную однажды на компакт-диск, уже нельзя было стереть. Тем не менее они быстро нашли сферу применения в качестве дополнительных носителей информации, а основными носителями продолжали служить жесткие диски. Кроме того, отдельные лица и маленькие компании получили возможность выпускать собственные компакт-диски небольшими партиями или производить мастер-диски и отправлять их на крупные коммерческие предприятия, занимающиеся изготовлением копий. Та­кие диски называются CD-R (CD-Recordable – записываемый компакт-диск). Основой диска CD-R является 120-миллиметровая поликарбонатная заготов­ка. Такие же заготовки используются при производстве дисков CD-ROM. Одна­ко диски CD-R отличаются от дисков CD-ROM тем, что содержат канавку шириной 0,6 мм, призванную направлять лазер при записи. Для поддержания постоянной обратной связи канавка имеет синусоидальную форму с отклонени­ем 0,3 мм и частотой ровно 22,05 кГц, чтобы можно было точно определить ско­рость вращения и в случае необходимости отрегулировать ее. CD-R выглядит как обычный диск, только он не серебристого, а золотистого цвета, так как для изготовления отражающего слоя вместо алюминия используется золото. В отли­чие от обычных компакт-дисков, лунки и площадки на дисках CD-R имитируют­ся путем изменения отражающей способности поверхности. Для этого между слоем поликарбоната и отражающим слоем золота помещается слой красителя. Используются два вида красителя: цианин зеленого цвета и птало-цианин желтовато-оранжевого цвета.

Рисунок – Поперечное сечение диска CD-R и лазера (масштаб не соблюден). Обычный компакт-диск имеет близкую структуру, но у него отсутствует слой красителя, а вместо слоя золота используется слой алюминия с лунками

 

На начальной стадии слой красителя прозрачен, что дает возможность свету лазера проходить сквозь него и отражаться от слоя золота. При записи информа­ции мощность лазера увеличивается до 8-16 мВт. Когда луч достигает красите­ля, краситель нагревается, и в результате разрушается химическая связь. Такое изменение молекулярной структуры создает темное пятно. При чтении (когда мощность лазера составляет 0,5 мВт) фотодетектор улавливает разницу между темными пятнами, где краситель был поврежден, и прозрачными областями, где краситель остался нетронутым. При воспроизведении диска даже на обычном устройстве для считывания компакт-дисков или на аудиопроигрывателе это раз­личие воспринимается как разница между лунками и площадками традиционно­го диска CD-ROM.

Изначально в начале всех компакт-дисков находилась единая таб­лица VTOC (Volume Table of Contents – таблица оглавления диска), из-за кото­рой дописывать информацию на диск было невозможно. Решением проблемы стало предложение назначать каждой дорожке диска свою таблицу VTOC. В число файлов, перечисленных в таблице VTOC, могут включаться все файлы с преды­дущих дорожек или некоторые из них. После того как диск CD-R вставляется в считывающее устройство, операционная система начинает искать среди дорожек самую последнюю таблицу VTOC, которая и отражает текущее состояние диска. Если в таблице VTOC перечислить только некоторые, а не все файлы с имею­щихся дорожек, может создаться впечатление, что файлы удалены. Дорожки можно группировать в сессии. В этом случае мы говорим о многосессионных компакт-дисках. Стандартные аудиопроигрыватели не могут работать с много­секционными компакт-дисками, поскольку пытаются искать единую таблицу VTOC в начале диска.

Каждая дорожка должна записываться непрерывно без остановок. Поэтому жесткий диск, с которого поступают данные, должен работать достаточно быстро, чтобы вовремя их доставлять. Если копируемые файлы расположены в разных частях жесткого диска, длительное время поиска может послужить причиной ос­тановки потока данных, поступающих на CD-R, и, следовательно, причиной не­добора данных в буфере. В результате у вас появится замечательная блестящая подставка для стаканов и бутылок. Программное обеспе­чение CD-R обычно предлагает задать специальный параметр, предназначенный для предварительного сбора всех необходимых файлов в единый блок. То есть до передачи файлов на CD-R создается копия компакт-диска объемом 650 Мбайт. Однако этот процесс обычно удваивает время записи, требует 650 Мбайт свобод­ного дискового пространства и не защищает диск от перекалибровки в случае пе­регрева.

Диски CD-RW. Хотя люди привыкли иметь дело с такими носителями информации, перезапи­сать которые невозможно (как, например, бумага, фотопленка или виниловая пластинка), спрос на перезаписываемые компакт-диски все равно остается. Технология CD-RW (CD-ReWritable – перезаписы­ваемый компакт-диск), в которой используется носитель такого же размера, как и для дисков CD-R, однако вместо красителя (цианина или пталоцианина) при производстве CD-RW в качестве слоя записи применяется сплав серебра, индия, сурьмы и теллура. Этот сплав имеет два состояния: кристаллическое и аморф­ное, которые обладают разной отражательной способностью.

Устройства для записи компакт-дисков снабжены лазером с тремя уровнями мощности. При самой высокой мощности лазер расплавляет сплав, меняя его со­стояние из кристаллического с высокой отражательной способностью в аморф­ное с низкой отражательной способностью, так получается лунка. При средней мощности сплав расплавляется и возвращается обратно в естественное кристал­лическое состояние, при этом лунка снова превращается в площадку. При низ­кой мощности лазер определяет состояние материала (обеспечивая считывание информации), никакой смены состояний при этом не происходит.

Диски CD-RW не заменили собой диски CD-R, поскольку заготовки для дис­ков CD-RW гораздо дороже заготовок CD-R. Кроме того, для приложений, ори­ентированных на создание резервных копий жестких дисков, большим плюсом является тот факт, что с CD-R нельзя случайно стереть информацию.

DVD-диски. Компакт-диски основных форматов (CD и CD-ROM) использовались с 1980 го­да. С тех пор технологии продвинулись вперед, оптические диски большой емко­сти сейчас вполне доступны по цене и пользуются большим спросом.

Развитие технологий стали причиной рождения DVD-дисков. Изначально аббревиатура DVD расшифровывалась как Digital Video Disk (цифровой видеодиск), сейчас она официально превратилась в Digi­tal Versatile Disk (цифровой многоцелевой диск). DVD-диски в целом похожи на компакт-диски. Как и обычные компакт-диски, они имеют 120 мм в диаметре, создаются на основе поликарбоната и содержат лунки и площадки, которые ос­вещаются лазерным диодом и считываются фотодетектором. Однако существует несколько различий:

· меньший размер лунок (0,4 микрона вместо 0,8 микрона, как у обычного компакт-диска);

· более плотная спираль (0,74 микрона между дорожками вместо 1,6 микрона);

· красный лазер (с длиной волны 0,65 микрона вместо 0,78 микрона).

В совокупности эти усовершенствования дали семикратное увеличение емко­сти (до 4,7 Гбайт). Считывающее устройство для DVD 1х работает со скоростью 1,4 Мбайт/с (скорость работы считывающего устройства для компакт-дисков со­ставляет 150 Кбайт/с). К несчастью, из-за перехода к красному лазеру потребо­вались DVD-проигрыватели с двумя лазерами или сложной оптической системой, позволяющей читать существующие музыкальные и компьютерные компакт-диски.

Если использовать формат сжатия MPEG-2 (стандарт IS 13346), DVD-диск объемом 4,7 Гбайт может вместить пол­ноэкранную видеозапись длительностью 133 минуты с высокой разрешающей способностью (720 х 480) вместе со звуком на 8 языках и субтитрами на 32 дру­гих языках.

4 формата DVD-дисков:

1. Односторонние однослойные диски (4,7 Гбайт).

2. Односторонние двухслойные диски (8,5 Гбайт).

3. Двухсторонние однослойные диски (9,4 Гбайт).

4. Двухсторонние двухслойные диски (17 Гбайт).

При двухслойной технологии на нижний отражающий слой помещается по­луотражающий слой. В зависимости от того, где фокусируется лазер, он отража­ется либо от одного слоя, либо от другого. Чтобы обеспечить надежное считыва­ние информации, лунки и площадки нижнего слоя делаются чуть большими по размеру, поэтому его емкость немного меньше, чем верхнего.

Двухсторонние диски создаются путем склеивания двух односторонних дис­ков толщиной 0,6 мм каждый. Чтобы толщина всех версий была одинаковой, од­носторонний диск толщиной 0,6 мм приклеивается к пустой подложке (возможно, в будущем эта подложка будет содержать 133 минуты рекламы, в надежде, что покупатели заинтересуются, что на ней). Структура двухстороннего диска с двой­ным слоем показана на рисунке.

Рисунок – Двухсторонний DVD-диск с двойным слоем

 

Диски Blu-Ray. Преемником DVD можно считать технологию Blu-Ray, предусмат­ривающую применение синего лазера вместо красного. Синий лазер отличается более короткой длиной волны, а значит, повышенной точностью; за счет этого обстоятельства он позволяет уменьшать размеры лунок и площадок. На односто­ронних дисках Blu-Ray умещается около 25 Гбайт данных; на двухсторонних – 50 Гбайт. Скорость передачи данных составляет 4,5 Мбит/с.

Шины

Большинство персональных компьютеров и рабочих станций имеют физическую структуру, сходную с показанной на рисунке. Обычно устройство представляет собой металлический корпус с большой интегральной схемой на дне, которая на­зывается материнской платой. Материнская плата содержит микросхему процессора, несколько разъемов для модулей DIMM и различные вспомогательные микросхемы. Еще на материнской плате располагаются шина (она тянется вдоль платы) и несколь­ко разъемов для подсоединения устройств ввода-вывода. Иногда шин бывает две: одна (шина PCI), с высокой скоростью передачи данных, предназначается для современных устройств ввода-вывода, а другая (шина ISA), с низкой скоростью передачи данных, – для устаревших устройств. В современных компьюте­рах шина ISA, как правило, отсутствует.

Рисунок – Физическая структура персонального компьютера

 

Логическую структуру обычного персонального компьютера иллюстрирует рисунок. У данного компьютера имеется одна шина для соединения центрально­го процессора, памяти и устройств ввода-вывода; однако большинство систем имеют две и более шины.

Рисунок – Логическая структура обычного персонального компьютера

 

Каждое устройство ввода-вывода состоит из двух частей: одна объединяет большую часть электроники и называется контроллером, а другая представляет собой само устройство ввода-вывода, например дисковод. Контроллер обычно располагается на плате, которая вставляется в свободный разъем. Исключение представляют собой контроллеры устройств, являющихся неотъемлемыми со­ставными частями компьютера (например, клавиатуры), которые иногда распо­лагаются на материнской плате. Хотя дисплей (монитор) и нельзя назвать до­полнительным устройством, соответствующий контроллер иногда располагается на встроенной плате, чтобы пользователь мог по желанию выбирать платы с графическими ускорителями или без них, устанавливать дополнительную память и т. д. Контроллер связывается с самим устройством кабелем, который соединя­ется с разъемом на задней стороне корпуса.

Контроллер управляет своим устройством ввода-вывода и для этого регули­рует доступ к шине. Например, если программа запрашивает данные с диска, она посылает команду контроллеру диска, который затем отправляет диску команду поиска и другие команды. После нахождения соответствующей дорожки и секто­ра диск начинает передавать контроллеру данные в виде потока битов. Задача контроллера состоит в том, чтобы разбить поток битов на фрагменты и записы­вать каждый такой фрагмент по мере накопления битов для него в память. От­дельный фрагмент обычно представляет собой одно или несколько слов. Если контроллер считывает данные из памяти или записывает их в память без уча­стия центрального процессора, то говорят, что осуществляется прямой доступ к памяти (Direct Memory Access, DMA). Когда передача данных заканчивается, контроллер вызывает прерывание, вынуждая центральный процессор приоста­навливать работу текущей программы и начинать выполнение особой процеду­ры. Эта процедура называется программой обработки прерываний, и нужна она для того, чтобы проверить, нет ли ошибок, в случае их обнаружения произвести необходимые действия и сообщить операционной системе, что процесс ввода-вывода завершен. Когда программа обработки прерывания завершается, процес­сор возобновляет работу программы, которая была приостановлена в момент прерывания.

Шина используется не только контроллерами ввода-вывода, но и процессо­ром для передачи команд и данных. А что происходит, если процессор и кон­троллер ввода-вывода хотят получить доступ к шине одновременно? В этом слу­чае особая микросхема, которая называется арбитром шины, решает, чья очередь первая. Обычно предпочтение отдается устройствам ввода-вывода, поскольку работу дисков и других движущихся устройств нельзя прерывать, так как это может привести к потере данных. Когда ни одно устройство ввода-вывода не функционирует, центральный процессор может полностью распоряжаться ши­ной для взаимодействия с памятью. Однако если работает какое-нибудь устрой­ство ввода-вывода, оно будет запрашивать доступ к шине и получать его каждый раз, когда ему это необходимо. Этот процесс, который притормаживает работу компьютера, называется захватом цикла памяти (cycle stealing).

Описанная структура успешно использовалась в первых персональных ком­пьютерах, поскольку все их компоненты работали с примерно одинаковой скоро­стью. Однако как только центральные процессоры, память и устройства ввода-вывода стали работать быстрее, возникла проблема: шина перестала справляться с нагрузкой. В случае закрытых систем, таких как инженерные рабочие станции, решением проблемы стала разработка для следующей модели машины новой шины с более высокой скоростью передачи данных. Поскольку никто никогда не переносил устройства ввода-вывода со старой модели на новую, такой подход работал успешно.

Однако в мире персональных компьютеров большая часть пользователей, заменяя свой компьютер новой моделью, никак не рассчитывает одновременно отказываться от своих старых и привычных принтера, сканера и модема. Кроме того, существовала целая отрасль промышленности, выпускавшая широкий спектр устройств ввода-вывода для компьютеров IBM PC, и производители этих устройств совершенно не были заинтересованы в том, чтобы начинать все свои разработки заново. Компания IBM прошла этот тяжелый путь, выпустив после линейки IBM PC линейку PS/2. У компьютеров PS/2 была новая шина с более высокой скоростью передачи данных, но большинство производителей клонов продолжали использовать старую шину PC, которая сейчас называется шиной ISA (Industry Standard Architecture – стандартная промышленная архитек­тура). Большинство производителей дисков и устройств ввода-вывода также продолжали выпускать контроллеры для старой модели, поэтому компания IBM оказалась в весьма неприятной ситуации, поскольку в тот момент она была единственным производителем персональных компьютеров, несовместимых с линейкой IBM. В конце концов компания была вынуждена вернуться к произ­водству компьютеров на основе шины ISA.

Хотя влияние рынка привело к тому, что никаких изменений в старой шине сделано не было, быстрее она работать не стала, и нужно было что-то предпри­нять. В результате другие компании начали производить компьютеры с несколь­кими шинами, одной из которых была либо прежняя шина ISA, либо шина EISA (Extended ISA – расширенная стандартная промышленная архитектура), как и ISA, совместимая со старыми устройствами ввода-вывода. Что касается другой шины, то в настоящее время самой популярной моделью является шина PCI (Peripheral Component Interconnect – взаимодействие периферийных компо­нентов), разработанная компанией Intel.

Существует много различных конфигураций шины PCI. Наиболее типичная из них показана на рисунке. В такой конфигурации центральный процессор взаимодействует с контроллером памяти по выделенному высокоскоростному соединению. Таким образом, контроллер соединяется с памятью непосредствен­но, то есть передача данных между центральным процессором и памятью проис­ходит не через шину PCI. Однако высокоскоростные периферийные устройства, например SCSI-диски, могут подсоединяться прямо к шине PCI. Кроме того, шина PCI имеет параллельное соединение с шиной ISA, чтобы можно было ис­пользовать контроллеры ISA и соответствующие устройства. Машина такого ти­па обычно содержит 3 или 4 пустых разъема PCI и еще 3 или 4 пустых разъема ISA, чтобы покупатели имели возможность вставлять как старые платы вво­да-вывода ISA (для низкоскоростных устройств), так и новые карты PCI (для высокоскоростных устройств).

Рисунок – Современный персональный компьютер с шинами PCI и ISA. Модем и звуковая карта относятся к ISA-устройствам, контроллер SCSI является PCI-устройством

Клавиатуры

Существует несколько видов клавиатур. У первых компьютеров IBM PC под ка­ждой клавишей находился переключатель, который давал ощутимую отдачу и щелкал при нажатии клавиши. Сегодня у самых дешевых клавиатур при нажа­тии клавиш происходит лишь механический контакт с печатной платой. У кла­виатур получше между клавишами и печатной платой располагается слой эла­стичного материала (особого типа резины). Под каждой клавишей находится небольшой купол, который прогибается в случае нажатия клавиши. Проводя­щий материал, находящийся внутри купола, замыкает схему. У некоторых кла­виатур под каждой клавишей находится магнит, который при нажатии клавиши проходит через катушку и таким образом вызывает электрический ток. Исполь­зуются и другие методы, как механические, так и электромагнитные.

В персональных компьютерах при нажатии клавиши происходит процедура прерывания и запускается программа обработки прерывания (эта программа яв­ляется частью программного обеспечения операционной системы). Программа обработки прерывания считывает содержимое аппаратного регистра в контроллер клавиатуры, чтобы получить номер нажатой клавиши (от 1 до 102). Когда клави­ша отпускается, происходит второе прерывание. Так, если пользователь нажима­ет клавишу Shift, затем нажимает и отпускает клавишу М, а после этого отпускает клавишу Shift, операционная система понимает, что ему нужна прописная, а не строчная буква М. Обработка нажатий клавиш Shift, Ctrl и Alt в сочетании с други­ми клавишами выполняется только программно (сюда же относится известное сочетание клавиш Ctrl+Alt+Del, которое используется для перезагрузки всех ком­пьютеров IBM PC и их клонов).

Клавиатуры также разделяются по типам разъемов – COM (самые древние), PS/2, USB (самые новые).