АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ Общие принципы организации и работы компьютеров. Технические средства реализации информационного процесса. 1
ПРЕДШЕСТВЕННИКИ КОМПЬЮТЕРОВ Создание вычислительного устройства имеет длительную предысторию. n 1804 год. Француз Жозеф Жаккар сконструировал приспособление к ткацкому станку, работу которого можно было программировать с помощью специальных карт. n 1822 Английский математик Чарлз Бэббидж выдвинул идею создания программно-управляемой счетной машины, имеющей арифметическое устройство, устройство управления, ввода и печати. Первая спроектированная Бэббиджем машина, Разностная машина, работала на паровом двигателе. n 1822 Ада Лавлейс разработала первые программы для машины, заложила многие идеи и ввела ряд понятий и терминов, сохранившихся до настоящего времени. n 1847 Английский математик Джордж Буль опубликовал работу "Математический анализ логики". Так появился новый раздел математики Его назвали Булева алгебра. 2
n 1904 Английский физик Джон Амброз Флеминг (1849 -1945), изучая "эффект Эдисона", создает диод. n 1907 американский инженер Ли де Форест триод n 1936 Американский математик Алан Тьюринг (статья "О вычислительных числах") и независимо от него американский математик и логик Э. Пост выдвинули и разработали концепцию абстрактной вычислительной машины. n 1936 Конрадом Цузе (1910– 1995) - первый релейный компьютер. В нем уже применялось двоичное кодирование, но в первых версиях в качестве памяти использовались не реле, а механические приспособления. Программы для своих компьютеров Цузе записывал на 35 -мм кинопленке, пробивая в ней отверстия. n 1940 В 1937 году гарвардский математик Говард Эйкен (Howard Aiken) предложил проект создания большой счетной машины. Спонсировал работу президент компании IBM Томас Уотсон (Tomas Watson), который вложил в нее 500 тыс. $. Проектирование Mark-1 началось в 1939 году, строило этот компьютер нью-йоркское предприятие IBM. Компьютер содержал около 750 тыс. деталей, 3304 реле и более 800 км проводов. Марк I является одним из первых действующих компьютеров с программным управлением 3
n 1946 США состоялась демонстрация работы ENIAC— электронный цифровой интегратор и компьютер — первого успешно функционировавшего электронного цифрового компьютера. Джон фон Нейман на основе критического анализа конструкции ENIAC предложил ряд новых идей (принципы фон Неймана) организации ЭВМ, в том числе концепцию хранимой программы, т. е. хранения программы в запоминающем устройстве. В результате реализации идей фон Неймана была создана архитектура ЭВМ, во многих чертах сохранившаяся до настоящего времени. 4
Принципы фон Неймана. Общие принципы организации и работы ВС. 1. Принцип программного управления. СВТ должны работать под управлением сменяемых программ. Программа - это последовательность команд. Команда состоит из операционной и адресной частей. Операционная часть (код операции) указывает, какая инструкция применяется. Адресная часть указывает либо данные, либо инструкции, где находятся данные. Совокупность команд, выполняемых данным компьютером, называется системой команд этого компьютера; 5
2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одном устройстве (называемом памятью). Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно так же выполнять действия, как и над данными. Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции— перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины 6
3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек прямого доступа, внутри ячейки хранится некоторый двоичный код. Прямой доступ означает, что процессору в любой момент времени доступна любая ячейка Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен. 7
Структурно вычислительное устройство состоит из: - устройства обрабатывающего двоичные данные; - устройства хранящего двоичные данные - памяти; - ряда устройств ввода-вывода. 8
Обрабатывающее устройство состоит из: - устройства управления (УУ), которое управляет работой компьютера (т. е. активизирует различные устройства, пересылает им команды и данные для их выполнения); - арифметико-логического устройства (АЛУ), которое выполняет различные арифметические и логические операции. В состав обоих устройств входят регистры. Они выполняют функции кратковременного хранения двоичного кода и его обработку. 9
В состав УУ входят два регистра счетчик команд (СК) и регистр команд (РК). В СК во время выполнения команды содержится ее адрес, после ее выполнения определяется адрес следующей команды и помещается в СК. А так команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из памяти, которая прекращается после получения и выполнения команды «стоп» . РК – хранит и анализирует (дешифрует) команду. Команда есть двоичный код, часть его разрядов содержит код операции, часть хранит операнды или адреса операндов, РК же разбивает код команды на операционную и адресную части во время дешифрации. 10
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические операции. АЛУ состоит их нескольких регистров данных (РД) и сумматора. В РД находятся обрабатываемые данные, сумматор используется в выполнении многих команд, часто в нем временно хранятся промежуточные данные. 11
Хранящее устройство или память, а в дальнейшем оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), согласно принципу однородности содержит программу и данные. Согласно принципа адресности состоит из перенумерованных ячеек, в которые можно временно записывать, сохранять, извлекать и удалять какие либо двоичные коды. Все действия связанные с вводом данных и выводом результатов производит группа устройств ввода-вывода (УВВ). 12
Работа по программе компьютера Обрабатывающее устройство УУ АЛУ Хранящее устройство (память) СК ПРОГРАММА РК РД РД СУММАТОР ДАННЫЕ Устройства ввода/вывода 13
Процесс выполнения программы компьютером. 1. по команде УУ в ОЗУ из УВВ вводятся программы и данные; 2. в СК из УВВ пересылается адрес первой команды; 3. УУ из ячейки памяти, адрес которой хранится в СК, выбирает первую команду и передает в РК, где она расшифровы вается, т. е. разбивается на операционную и адресную части; 4. по кодам, полученным из адресной части команды, в РД из ОЗУ передаются данные; 5. по коду из операционной части активизируется электронная схема из АЛУ, выполняющая нужную операцию, таким образом команда выполняется; 14
6. результат операции остается в сумматоре, либо отправляется в память, либо выводится на УВВ в зависимости от команды; 7. вычисляется адрес следующей команды и передается в СК; 8. все предыдущие этапы повторяются до достижения команды «стоп» . Такая работа по программе в автоматическом режиме называется процессом, а устройство выполняющее процесс – процессором. 15
Основные параметры, характеризующие компьютеры. Основными параметрами являются производительность (быстродествие) и объем оперативной памяти. Быстродейтвие процессора характеризует тактовая частота, сейчас на ПК она достигает 3. 8 ггц, но быстродействие в целом зависит и от организации компьютерной системы - количества ядер, разрядности шины, объема ОЗУ, наличия кэш памяти и др. 16
По прежнему операции с вещественными числами остаются самыми медленными, поэтому усредненное быстродействие измеряется в FLOPS (или flop/s Floating point Operations Per Second, произносится как флопс) — количество операций с плавающей запятой в секунду. Более распространены производные единицы: мегафлопс - 106, гигафлопс - 109 для ПК; терафлопс 1012 , петафлопс 1015 для суперкоипьютеров. Например, суперкомпьютер Jaguar Cray XT 5 -HE (на май 2010), 2 331 терафлопс. 17
Объем ОЗУ первых машин измерялся количеством и разрядностью ячеек. Например, ОЗУ БЭСМ-4 имела 4096 ячеек по 45 двоичных разрядов. В настоящее время единицей адресуемой информации является байт (8 бит) и объем ОЗУ измеряется в MB (мегабайтах 220 байт = 1 048 576 байт), GB (гигабайтах 230= 1 073 741 824 байт), TB (террабайтах 240=1 099 511 627 776). Важное значение имеют и другие характеристики вычислительной техники, например, система команд, стоимость, надежность, универсальность, программная совместимость, вес, габариты, энергопотребление и др. 18
Классификация компьютеров по поколениям. Первое поколение – электронные лампы (1945 -1955 г. г. ) В основе базовой системы элементов этого поколения компьютеров лежали электронные лампы. Они расходовали много электроэнергии, были громоздки и ненадежны. Скорость обработки информации колебалась от нескольких сотен до нескольких тысяч операций в секунду. В целом недостатков было очень много, но вычислительная техника стала электронной, были сформулированы и опробованы на практике основные принципы организации компьютерных систем. В качестве основных показателей ЭВМ, которые следует повышать, утвердились быстродействие и объем памяти. Машины первого поколения помогли в решении многих вычислительных задач, что значительно продвинуло математическое моделирование и подвело к решению многих задач техники экономики и др. Но тогда же обнаружилась закономерность – увеличение возможностей компьютеров расширяет круг решаемых ими задач, которые в свою очередь требуют расширения аппаратных возможностей. 19
Второе поколение – транзисторы(1955 -1965 г. г. ) Полупроводниковые приборы – транзисторы были изобретены в 1948 году. Они отличаются от электронных ламп малыми размерами, низким напряжением питания и малой потребляемой мощностью. Все эти достоинства полупроводниковых приборов произвели революцию в радиоэлектронной промышленности. Значительно уменьшились габариты, потребляемая мощность и стоимость, что позволило создавать архитектуры компьютеров с большими функциональными возможностями, резко повысить быстродействие до сотен тысяч и даже миллионов операций в секунду. Снижение стоимости увеличило число потенциальных пользователей компьютеров. Появились крупные фирмы по производству компьютеров широкого назначения: International Business Machines (IBM), Control Data Corporation (CDC), Digital Equipment Corporation (DEC) и другие. Итог второго поколения – снижение цены и габаритов компьютеров привело к расширению круга пользователей, а также были опробованы важные архитектурные решения - модульность, системная шина. 20
Третье поколение – интегральные схемы(1965 -1980 г. г. ) Требование уменьшения габаритов электронных устройств привело к тому, что сначала полупроводниковые приборы стали производиться в бескорпусном исполнении, а затем в 1958 году была предпринята попытка разместить в одном полупроводниковом кристалле все компоненты одного функционального узла. Так появились интегральные схемы (ИС), которые позволили резко уменьшить размеры полупроводниковых схем и снизить потребляемую мощность. На основе ИС строились мини-ЭВМ, которые выполнялись в виде одной стойки и периферийных устройств. Мощность, потребляемая компьютером на ИС, уменьшилась до сотен ватт. Увеличение быстродействия узлов, построенных на ИС, позволило довести быстродействие компьютеров до десятков миллионов операций в секунду. Электронная промышленность приступила к массовому производству электронных компонентов на ИС, что позволило снизить их стоимость и резко уменьшить стоимость аппаратной составляющей компьютеров. В итоге уменьшение стоимости привело к разработке и практической реализации мощных вычислительных систем, использующих параллельную обработку: многопроцессорные и 21 конвейерные вычислители.
Четвёртое поколение – сверхбольшие интегральные схемы(1980 - … г. г. ) Микроминиатюризация электронных устройств привела к появлению новой отрасли промышленности – микроэлектроники, которая относится к области высоких технологий. На одном кристалле размером несколько десятков квадратных миллиметров сначала сотен, затем тысяч и, наконец, миллионов транзисторов. Теперь полупроводниковая схема содержала уже не набор нескольких логических элементов, из которых строились затем функциональные узлы компьютера, а целиком функциональные узлы и в первую очередь процессор, который, учитывая его размеры, получил название микропроцессор, устройства управления внешними устройствами – контроллеры внешних устройств. Такие интегральные схемы получили название сначала больших интегральных схем (БИС), а затем и сверхбольших интегральных схем (СБИС). Появились одноплатные ЭВМ, где на одной небольшой плате, размещались несколько СБИС, содержащих все функциональные блоки компьютера. Итог – появление персональных компьютеров (ПК), широчайшее распространение сетевых компьютерных технологий, появление мирового информационного пространства Internet. 22
Классификация по производительности. Компьютеры подразделяются на суперкомпьютеры; мэйнфреймы (универсальные компьютеры); миникомпьютеры; микрокомпьютеры, персональные компьютеры. Суперкомпьютеры. На сегодняшний день можно сформулировать признаки суперкомпьютеров так: - многопроцессорная архитектура; - быстродействие порядка 2 000 терафлопс (Jaguar, производитель Cray, 2010 год, пиковая производительность Rpeak= 2 331 терафлопс, максимальная— Rmax= 1 759 терафлопс, собрана на базе 224 162 процессоров Opteron); - коллективное обслуживание в рамках больших вычислительных центров; - назначение – обычно это решение задач, требующих выполнения огромного количества вычислений (прогноз погоды, расчет подземных ядерных взрывов, расчет аэродинамики корпуса самолета и т. д. ); - распространение не большое ( Россия на 7 месте по применению суперкомпьютеров). 23
Мэйнфреймы - это большие компьютеры, с высоким быстродействием и гигантскими объемами внешней памяти, которые могут выполнять обработку запросов одновременно нескольких тысяч пользователей. Мэйнфреймы отличаются высокой надежностью, используются для хранения и обработки больших баз данных, а также крупных web-узлов с большим количеством одновременных обращений, т. е. опять же коллективное использование. 24
Миникомпьютеры –используются для управления производственными процессами, но может сочетать управление производством с другими задачами, например, экономическими, конструкторскими, бухгалтерскими. Для организации работы с мини. ЭВМ тоже требуется специальный вычислительный центр, хотя и не такой многочисленный, как для больших ЭВМ. В настоящее время применяемость миникомпьютеров падает. 25
Микрокомпьютеры. Доступны многим учреждениям, представляют собой инструменты для решения разнообразных сложных задач. Для обслуживания достаточно вычислительной лаборатории в составе нескольких человек, с наличием прикладных программистов. Необходимые системные программы покупаются вместе с микро ЭВМ, разработку прикладных программ заказывают в больших вычислительных центрах или специализированных организациях. Персональные компьютеры (ПК) — это микрокомпьютеры универсального назначения, рассчитанные на одного пользователя. Их отличает: невысокая стоимость, гибкость архитектуры, широкое применение (управление, наука, образование, быт), операционные системы, максимально упрощающие работу с компьютером, большой недорогой набор внешних устройств, наличие программ, позволяющих решать множество задач, высокая надежность. Эта категория компьютеров получила особо бурное развитие в течение последних двадцати лет. 26
Архитектуры вычислительных систем сосредоточенной обработки информации. При описывать компьютерные системы можно с разных масштабных уровней. Цифровой логический уровень – уровень логических схем базовой системы элементов. Микроархитектурный уровень – уровень организации обработки информации внутри функционального узла. Сюда относятся регистры различного назначения, устройство обработки поступающих команд, устройство преобразования данных, устройство управление. Командный уровень – набор функциональных узлов и связи между ними, система команд и данных, передаваемых между устройствами. Набор блоков, связей между ними, типов данных и операций каждого уровня называется архитектурой уровня. Компьютерной архитектурой (компьютерной организацией) обычно называется описание вычислительной системы на командном уровне ее и будем рассматривать далее. 27
Архитектуры с фиксированным набором устройств Компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имеет возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком. Устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы. АЛУ обеспечивает не только числовую обработку, но и участвует в процессе ввода-вывода информации. Оперативная память хранит команды и данные исполняемых программ. Канал ввода/вывода представляет собой специализированное устройство, работающее по командам, подаваемым устройством управления. Канал допускает подключение определённого числа внешних устройств. Эта архитектура применялась в первом, втором поколении. 28
Вычислительные системы с открытой архитектурой В начале 70 -х годов фирмой DEC был предложен компьютер с модульной архитектурой, позволяющей свободно подключать любые (удовлетворяющие определенным требованиям) периферийные устройства. Все устройства подключаются к общей шине передачи данных называемой системной. Само подключение называемое интерфейсом стандартизуется, а именно - разъемы, сигналы и их параметры, протокол обмена данными. Больше никаких ограничений не накладывается. В модульной компоновке стали широко применяться контроллеры – процессоры с небольшим числом команд, управляющие определенными устройствами. Сама системная шина управляется контролером и все внешние устройства подключаются посредством контроллера. 29
Системная шина конструктивно является набором параллельных проводников и схем управляющих обменом данных, она состоит из трех шин: - Шина Данных по ней передаются данные; - Шина Адреса по ней передаются адреса данных; - Шина Управления по ней передаются сигналы, управляющие процессом обмена данными и выполнением операций. 30
Схема компьютера с общей шиной. Центральный ЦМП Запоминаю процессор (АЛУ, УУ, щее КЭШ память, устройство схемы упр) ОЗУ Устройство отображения Клавиатура Контроллер Шина управления Шина адресов Другие устройства Контроллер Общая Шина Системная Шина данных 31
ЦМП дает контроллерам задания, а не отдельные команды, контроллеры их выполняют. ЦМП в это время продолжает работать дальше по прежней программе или работает по другой. Таким образом, каждое устройство работает относительно самостоятельно, повышая эффективность всей системы в целом. 32
Принцип открытой архитектуры. Открытая архитектура - это архитектура, на которую открыто (без лицензирования) опубликованы спецификации, что позволяет другим производителям разрабатывать дополнительные устройства. Открытая архитектура -это способ построения, регламентирующий и стандартизирующий только описание принципа действия компьютера, и интерфейсы устройств его конфигурации, что позволяет собирать компьютер из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами производителями. ПК легко расширяется и модернизируется подключением разнообразных устройств, удовлетворяющих заданному стандарту, и тем самым пользователь конфигурирует свою машину в соответствии с собственной необходимостью. 33
Достоинства открытой архитектуры: - возможность строить и модернизировать системы наиболее экономичным способом, т. к. нет необходимости разработки дополнительных интерфейсов к аппаратным средствам; - простота внедрения новых компонентов; - возможность повторного использования компьютерных программ при переходе с одной платформы на другую; - возможность заменять морально устаревшие блоки (upgrade) новыми; - возможность конкуренции, приводящей к падению цен и росту качества. 34
Недостаток открытой архитектуры. При повышении производительности внешних устройств и возрастании потоков обмена данными, "медленные" устройства задерживали работу "быстрых", т. к. все подключены к общей шине, в связи с чем вся система работала как самое медленное звено. Дальнейшее повышение производительности компьютера было найдено во введении дополнительной локальной шины, к которой подключались "быстрые" устройства. 35
Совершенствование архитектуры привело к увеличению числа шин. На современных ПК их может быть до пяти. 36
Архитектуры многопроцессорных вычислительных систем Для получения высокого быстродействия на существующей элементной базе используются архитектуры, в которых процесс обработки распараллеливается и выполняется одновременно на нескольких обрабатывающих устройствах (процессорах). Существует три основных подхода к построению архитектур таких компьютеров: многопроцессорные, магистральные и матричные архитектуры. 37
Многопроцессорные архитектуры. Архитектура простых многопроцессорных систем выполняется по схеме с общей шиной. Два или более процессоров каждый со своей локальной памятью и один или несколько модулей общей памяти размещены на общей шине. 38
Каждый процессор, для обмена с памятью, проверяет, свободна ли шина, и, если она свободна, он занимает её. Если шина занята, процессор ждёт, пока она освободится. При увеличении числа процессоров производительность системы будет ограничена пропускной способностью шины. Чтобы решить эту проблему каждый процессор снабжается собственной локальной памятью, куда помещаются тексты исполняемых программ и локальные переменные. Один из процессоров выделяется для управления всей системой. Он распределяет задания на исполнение программ между процессорами и управляет работой общей шины. Периферийный процессор осуществляет обслуживание внешних устройств при вводе и выводе информации из общей памяти. 39
Магистральные архитектуры. Несколько функциональных обрабатывающих устройств, выполняют арифметические и логические операции, и имеют быструю регистровую память для хранения обрабатываемых данных. 40
Данные, считанные из памяти, размещаются в регистрах и из них загружаются в обрабатывающие устройства. Результаты вычислений помещаются в регистры и используются, как исходные данные, для дальнейших вычислений. Таким образом, получается конвейер преобразования данных: регистры – обрабатывающие устройства – регистры – …. 41
Матричные архитектуры. В матричной вычислительной системе процессоры объединяются в матрицу процессорных элементов. Каждый процессорный элемент снабжён локальной памятью, хранящей обрабатываемые процессором данные, но при необходимости процессорный элемент может производить обмен со своими соседями или с общим запоминающим устройством. В первом случае, программы и данные нескольких задач или независимых частей одной задачи загружаются в локальную память процессоров и выполняются параллельно. Во втором случае все процессорные элементы одновременно выполняют одну и ту же команду, поступающую от устройства обработки команд на все процессорные элементы, но над разными данными, хранящимися в локальной памяти каждого процессорного элемента. 42
Функциональная организация персонального компьютера. Центральный процессор (ЦП или CPU central processing unit) — часть АО, выполняющая операций по заданным программам, управляющая всеми прочими устройствами компьютера. Понятие процессор уже было рассмотрено раннее, центральный здесь добавляется в отличии от периферийных процессоров, называемых контроллерами. После того как ЦП стал выпускаться на одной сверхбольшой интегральной микросхеме, он стал называться – центральным микропроцессором или ЦМП. 43
Более сорока лет, с появления микросхем, развитие аппаратного обеспечения шло в соответствии с законом технологического прогресса (эмпирическим законом Мура), гласящим, что количество транзисторов на одной микросхеме удваивается каждые 18 месяцев, в это время постоянно шла работа над увеличением быстродействия, снижением размеров и энергопотребления. Миниатюризация и повышение быстродействия не противоречащие требования, поэтому прогресс в этой области так значителен. К настоящему времени широко применяются процессоры по 45 нанометровой технологии, вступают 32 нм технологии. При уменьшении толщины напыления элементов электронных схем в очень маленьком объеме размещаются десятки и сотни миллионов транзисторов (уже достигнуто значение 1 миллиард), длина проводников уменьшается, они меньше излучают и принимают наведенные токи, что позволяет увеличивать тактовую частоту, а, значит, и быстродействие. Уменьшение сечения проводников приводит к необходимости понижения напряжения, что снижает удельное энергопотребление схемы. 44
Рост тактовой частоты замедлился. Тактовая частота 3 ггц была достигнута в 2003 году к 2010 году на ПК она не превышает 3. 8 ггц. Тактовая частота на системной шине из-за большей длины может быть только ниже частоты процессора сейчас она держится в рамках 1 ггц, а именно по шине происходит обмен процессора (данными адресами и управляющими командами) с ОЗУ и другими устройствами. Экстенсивный путь повышения производительности путем увеличения тактовой частоты имеет физические ограничения. Выход из этой ситуации в улучшении организации процесса обработки информации. Например, обращение к ОЗУ посредством шины довольно длительный процесс. Для ускорения можно вызывать из памяти не одну а несколько команд заранее и хранить их в специальном наборе регистров (буфере выборки команд с упреждением). Таким образом, когда требуется определенная команда, она вызывается прямо из буфера на частоте процессора, а обращения к памяти не происходит. Далее рассмотрим некоторые организационные способы повышения быстродействия. 45
Конвейерная архитектура. Принцип конвейера в следующем - выполнение каждой команды сопровождается рядом однотипных шагов: 1. 2. 3. 4. 5. выборка команды из ОЗУ; дешифровка команды; выборка операндов из ОЗУ; выполнение команды; запись результата в ОЗУ. Выполнение программы в целом пойдет быстрее, если действия будут выполняться отдельными аппаратными компонентами, а в обработке будут находиться несколько команд одновременно. Например, результат работы 1 -й команды после выполнения пяти шагов обработки отправляется в ОЗУ шестым аппаратным компонентом, в это же время, 2 -я команда выполняется пятым компонентом, в это же время, выбираются операнды 3 -й команды из ОЗУ, в это же время, дешифруется 4 -я команда, в это же время, выбирается 5 -я. 46
Конвейер может сбиваться, если следующая команда использует результат предыдущей, или команда перехода приведет к очистке конвейера, но в целом ускорение от такого приема может быть в десяток раз. Современные процессоры могут иметь более 30 ступеней конвейера, что увеличивает производительность процессора, однако может приводить к увеличенным промежуткам простоя. 47
Суперскалярная архитектура. Если в рамках одного процессора поместить не один конвейер, а несколько, то производительность вырастет на порядки. Общий блок выборки команд вызывает из памяти сразу по две команды и помещает каждую из них в один из конвейеров. Чтобы выполняться параллельно, две команды не должны конфликтовать из-за ресурсов и зависеть от результата выполнения предыдущей, т. е. не всякая задача будет решаться быстрей. 48
Система команд процессора. Любую последовательность действий (алгоритм) можно реализовать аппаратно на микропрограммном уровне в виде операции (команды процессора), и любую операцию можно осуществить в виде алгоритма из простейших логических операций и, или, не. Набор выполняемых процессором команд называется системой команд. Какие именно команды туда войдут определяют разработчики процессора в зависимости от решаемых компьютером задач. В современных ПК применяются процессоры двух основных архитектур: - полный набор команд переменной длины – CISC (Complex Instruction Set Computer); - сокращённый набор команд фиксированной длины – RISC (Reduced Instruction Set Computer). 49
Процессоры фирмы Intel имеют архитектуру CISC, а процессоры Motorola - RISC. Обе архитектуры имеют свои преимущества и недостатки. CISC-процессоры имеют набор до 400 команд, из которых программист может выбрать команду наиболее подходящую ему в данном случае, но большой набор команд усложняет внутреннее устройство процессора, увеличивает время исполнения команды на микропрограммном уровне. RISC-архитектура имеет ограниченный набор команд и каждая команда выполняется за один такт работы процессора. Небольшое число команд упрощает устройство процессора, но, если требуемой команды в наборе нет, программист вынужден реализовать её с помощью нескольких команд из имеющегося набора, увеличивая размер программного кода. 50
Кэш память процессора. Для согласования «быстрого» процессора и «медленного» ОЗУ в состав процессора вводят кэш память. Кэш-память используется процессором для хранения самых часто используемых данных, за счет чего, время очередного обращения к ним значительно сокращается. Подробней о кэш памяти будет сказано ниже. 51
Прерывание процессора. Основой диалогового режима работы с компьютером являются прерывания работы процессора. При этом, выполнение текущей последовательности команд приостанавливается, содержимое регистров запоминается и управление передаётся программе обрабатывающей это прерывание с возможностью последующего восстановления работы. В зависимости от источника возникновения сигнала прерывания делятся на аппаратные, программные, внутренние. Аппаратные прерывания вызывают события, исходящие от внешних источников движение мыши, нажатие клавиш клавиатуры, таймера, сетевой карты и т. д. Программные прерывания инициируются исполнением команды в коде программы Внутренние прерывания есть результат нарушения каких-то условий работы процессора - деление на ноль или переполнение и т. д. 52
Основные направления развития архитектуры микропроцессоров. Для повышения производительности процессоров используются следующие направления: многоядерность, многонитевая архитектура, вычисления с явным параллелизмом в командах. Многоядерность. На одном кристалле создаются несколько микропроцессоров их работа организуeтся по принципу мультипроцессорных систем. (эффективно решаются мультимедийные задачи). Многонитевая архитектура базируется на том, что одна задача не в состоянии полностью загрузить все ресурсы процессора. Поэтому на одном процессоре осуществляется запуск нескольких задач одновременно, при этом распараллеливание программ осуществляется аппаратными средствами МП. Вычисления с явным параллелизмом в командах использует технологию очень длинного командного слова. Распараллеливание алгоритма между исполнительными модулями производится компилятором на этапе создания машинного кода, когда команды объединяются в связки и не конкурируют между собой за ресурсы микропроцессора. При этом упрощается блок управления на кристалле. 53
Память компьютера. Память компьютера подразделяется на внутреннюю и внешнюю. К внутренней памяти относят кэш-память, оперативную память (ОЗУ) и специальную память. К внешней памяти компьютера относят накопители на жёстких магнитных дисках, накопители на компактдисках и д. р. Основные параметры, характеризующие любую память это объем, энергозависимость и скорость обмена. 54
Кэш память Для уменьшения влияния времени обращения процессора к ОЗУ и увеличения производительности компьютера дополнительно устанавливается сверхбыстродействующая буферная статическая память - кэш-память (Cache – запас). Время обращения к данным в кэш-памяти на порядок ниже, чем у ОЗУ и сравнимо со скоростью работы самого процессора. 55
Запись в кэш-память осуществляется параллельно с запросом процессора к ОЗУ. Данные, выбираемые процессором, одновременно копируются и в кэш-память, ведется статистика обращения к данным, после заполнения кэш удаляются самые редко используемые данные. Если процессор повторно обратиться к тем же данным, то они будут считаны уже из кэш-памяти. Такая же операция происходит и при записи процессором данных в память. Они записываются в кэш-память, а затем, в интервалы, когда шина свободна, переписываются в ОЗУ. 56
На кристалле процессора находится кэш-память первого уровня, объёмом порядка 32 -128 Кбайт, работает на частоте процессора, и имеет самую высокую скорость обмена данными. В корпусе процессора, но на отдельном кристалле находится кэш-память второго уровня, которая имеет объём порядка 256 Кбайт – 2 Мбайта и работает на частоте шины. Кэш-память третьего уровня (если есть) расположена на системной плате, её объём может составлять 16 - 1000 Мбайт. Запись и считывание данных в кэш-память выполняется под управлением контроллера. 57
Оперативное запоминающее устройство ОЗУ. В ОЗУ (RAM - Random Access Memory) временно хранит исполняемые программы и данные. ОЗУ память со свободным (прямым) доступом, т. е. можно записывать и считывать данные из ячейки (байта), обращаясь к ней по её номеру (адресу). ОЗУ энергозависимая память - данные сохраняются, пока есть электропитание. Существует два вида ОЗУ: - динамическое ОЗУ или DRAM (Dynamic RAM); - статическое ОЗУ или SRAM (Static RAM). 58
Один двоичный разряд динамического ОЗУ построен на одном транзисторе и конденсаторе, наличие заряда соответствует - 1, отсутствие - 0. При записи или чтении информации из такой ячейки требуется время для накопления (стекания) заряда на конденсаторе, саморазряжение конденсаторов компенсируется, периодическими циклами регенерации (подзарядки), что тоже требует времени. Двоичный разряд статического ОЗУ представляет собой триггер на четырёх или шести транзисторах, через который ток либо течет, либо не течет, регенерация ему не требуется, поэтому быстродействие статического ОЗУ на много выше динамического. Однако из-за большего числа элементов на один разряд статическая память более энергоёмка и дорога. 59
Обычно, динамическая память используется в качестве оперативной или видео, статическая память в качестве небольшой буферной сверхбыстродействующей кэш памяти. Конструктивно оперативная память выполняется в виде модулей памяти - сменных плат с микросхемами памяти, т. е. память может наращиваться или модернизироваться. 60
В настоящее время наиболее широкое распространение имеют модули DDR-2 SDRAM (double-data-rate two synchronous dynamic random access memory) — синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных, второе поколение. В многоядерных архитектурах применяются модули DDR-3 SDRAM. На данный момент 61
Спецификация DDR 2 Стандартное название Частота памяти Время такта Частота шины Число передач данных в секунду Название модуля Пиковая скорость передачи данных DDR 2 -400 100 МГц 10 нс 200 МГц 400 млн. PC 2 -3200 3 200 Мбайт/с DDR 2 -533 133 МГц 7, 5 нс 266 МГц 533 млн. PC 2 -4200 4 266 Мбайт/с DDR 2 -667 166 МГц 6 нс 333 МГц 667 млн. PC 2 -5300 5 333 Мбайт/с DDR 2 -800 200 МГц 5 нс 400 МГц 800 млн. PC 2 -6400 6 400 Мбайт/с DDR 2 -1066 266 МГц 3, 75 нс 533 МГц 1 066 млн. PC 2 -8500 8 533 Мбайт/с Спецификация DDR 3 Стандартное название Частота памяти Время такта Частота шины Число передач данных в секунду Название модуля Пиковая скорость передачи данных DDR 3 -800 100 МГц 10 нс 400 МГц 800 млн. PC 3 -6400 6 400 Мбайт/с DDR 3 -1066 133 МГц 7, 5 нс 533 МГц 1 066 млн. PC 3 -8500 8 533 Мбайт/с DDR 3 -1333 166 МГц 6 нс 667 МГц 1 333 млн. PC 3 -10600 10 667 Мбайт/с DDR 3 -1600 200 МГц 5 нс 800 МГц 1 600 млн. PC 3 -12800 12 800 Мбайт/с 62
В одном адресном пространстве с ОЗУ находится специальная память, предназначенная для постоянного хранения таких программ как тестирование и начальной загрузки компьютера, управление внешними устройствами. Она является энергонезависимой, то есть сохраняет записанную информацию при отсутствии напряжения питания. Такая память называется постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) или ROM (Read Only Memory). 63
ПЗУ можно разделить, по способу записи в них информации, на следующие категории: - ПЗУ, программируемые однократно - программируются при изготовлении и не позволяют изменять записанную в них информацию. - Перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ). ППЗУ позволяют перепрограммировать их многократно. 64
Шины передачи информации. Шины, наряду с центральным процессором и запоминающим устройством, во многом определяют производительность работы компьютера, так как обеспечивают обмен информацией между функциональными узлами. Шины подразделяются на внутренние и внешние. Внутренние используются для обмена между ЦМП и памятью. Внешние связывают ЦМП с диском и со многими другими устройствами. 65
Системная шина, как известно, делится на три отдельные шины по типу передаваемой информации: шина адреса, шина данных, шина управления. Каждая шина характеризуется шириной (разрядностью) – числом параллельных проводников для передачи информации. Другим важным параметром шины является тактовая частота шины – это частота, на которой работает контроллер шины при формировании циклов передачи информации. 66
Шина адреса предназначена для передачи адреса ячейки памяти. Ширина шины адреса определяет максимальное количество ячеек, которое она может напрямую адресовать. Если ширина шины адреса равна n, то количество адресуемой памяти равно 2 n. Если шина адреса имеет 32 разряда, то адресуемая память 232 = 4 Gb Шина данных предназначена для передачи команд и данных, и её ширина во многом определяет пропускную способность общей шины. В современных компьютерах ширина шины данных составляет 32 -64. 67
Шина управления включает в себя все линии, которые обеспечивают работу общей шины. Её ширина зависит от типа шины и определяется алгоритмом её работы или, как говорят, протоколом работы шины. 68
Ниже приведены основные характеристики шин, применяемых в ПК. Внутренние. PCI Express (есть версии 2. 0 и 3. 0) - использует программну модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол, основанный на последовательной передаче данны Внешние. - USB, Universal Serial Bus, используется для множества внешних устройств. - ATA (Advanced Technology Attachment) и SATA — современный вариант ATA — шина для подключения дисковой периферии. - SCSI, Small Computer System Interface, шина для подключения дисковых накопителей Serial Attached SCSI 69
Внешние запоминающие устройства. Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения программ и данных, она всегда энергонезависима, т. е. данные не уничтожаются при отключении электропитания. В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором данные проходят по следующей цепочке ВЗУ ОЗУ КЭШ ЦМП 70
Накопители на магнитных дисках подразделяются на накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД или HDD) и накопители на гибких (устаревшее устройство) магнитных дисках (НГМД или FDD), принципиально они весьма сходны, но имеются конструктивные отличия. Способ записи двоичной информации на магнитной поверхности называется магнитным кодированием. Он заключается в том, что магнитные домены выстраиваются вдоль дорожек в направлении приложенного магнитного поля своими северными и южными полюсами (0 и 1). 71
головки платтеры треки сектор Информация на магнитные диски записывается и считывается магнитной головкой, которая перемещается радиально с фиксированным шагом, а сам диск при этом вращается. Головка описывает концентрические окружности называемые треками (дорожками), каждый трек делится на участки – секторы, сейчас на сектор записывается 512 байтов, но в ближайшее время объем его возрастет. 72
Основа жесткого диска - платтер изготавливается из сплавов алюминия или керамики, на который наносится магнитный слой. Пакет дисков находится в гермозоне корпусе с очищенным от пыли и влаги воздухом или азотом, там же находится блок головок с устройством их позиционирования и привод вращения диска. Головки в рабочем состоянии не касаются поверхности диска, а держатся на тонком слое воздуха (в современных дисках около 10 нм). При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков. Жесткий диск HDD управляется контроллером жесткого диска. 73
Характеристики жестких дисков. Ёмкость. У НЖМД с форм-фактором 3, 5 дюйма до 3 Тб. Скорость передачи данных до 100 Мб/с. Время доступа — время, за которое НЖМД гарантированно выполнит операцию чтения или записи на любом участке магнитного диска — от 2, 5 до 16 мс. Интерфейс — совокупность линий связи, сигналов, и правил (протокола) обмена. Сейчас наиболее часто используются интерфейсы SATA (ранее он же ATA, IDE и PATA), SCSI. Форм-фактор (размер). Для ПК имеют ширину 3. 5" или 2. 5 ". Скорость вращения шпинделя. От неё зависят время доступа и скорость передачи данных. В ноутбуках 4200, 5400 и 7200, в ПК 5400, 7200 и 10 000, серверах 10 000 и 15 000 об/мин. Объём буфера от 8 до 64 Мб. А также надёжность, энергопотребление, уровень шума и 74 другие.
Накопители на оптических дисках Оптический компакт-диск (Compact Disk (CD)), предложен в 1982 году фирмами Philips и Sony, для записи звуковой информации, идеально подошел для записи цифровой информации больших объёмов на сменном носителе. Объём информации, записанной на компакт-диске, составляет 700 Мбайт, он дешев, надёжен, нечувствителен к загрязнению и воздействию магнитных полей. К нынешнему времени существует ряд типов оптических дисков: * CD-ROM диски только для чтения; * CD-R допускающие запись в условиях ПК; * CD-RW допускающие повторную запись; * DVD-R, DVD-RW – диски повышенной плотности записи. Конструктивно они сходны, в самом же устройстве дисков 75 имеются различия.
Оптические диски представляют собой прозрачные полимерные пластины диаметром 12 см и толщиной 1, 2 мм, на одну сторону которых напылен светоотражающий слой алюминия или золота, защищенный от повреждений слоем прозрачного лака. 76
Двоичные данные на диске представляются в виде последовательности впадин pits и выступов lands, расположенных на спиральной дорожке. Глубина впадин на поверхности диска равна четверти длины волны луча света. Если луч света лазерной головки переходит с выступа на дно впадины, разность длин путей света меняется на полуволну, попадающий и отраженный свет ослабляются. Если в длина пути света не меняется, то и состояние фотоэлемента не меняется. В результате ток через фотоэлемент образует последовательность двоичных электрических сигналов, соответствующих сочетанию впадин и выступов 77 на дорожке.
Впадины и площадки записываются на диск не по трекам как НЖМД, а непрерывно по спирали, как в грампластинке. Спираль проходит 22188 витков вокруг диска, её общая длина составляет 5600 М. На всём протяжении спирали скорость записи остаётся постоянной, поэтому контроллер CD привода при воспроизведении следит за постоянством линейной скорости, изменяя значение угловой скорости вращения диска. Так на внутренней стороне скорость равна 530 оборотов в минуту, а на внешней стороне скорость падает до 200 оборотов в минуту, при этом линейная скорость остаётся постоянной равной 1, 2 М/С. Скорость чтения/записи CD при этом составляет 150 Кб/с (то есть 153 600 байт/с), что удобно для звукозаписи, но слишком медленно для прочих видов обмена на компьютере. 78
Для повышения скорости обмена кратно повышают скорость вращения. Например, 48 -скоростной привод обеспечивает максимальную скорость чтения (или записи) CD, равную 48 × 150 = 7200 Кб/с (7, 03 Мб/с), но если скорость так велика, то полимерные диски могут разрываться от центробежных сил. Чтобы этого не происходило, скорость повышают в приемлемых границах, но вводят не одну, а несколько оптических систем работающих параллельно. 79
В середине 90 -х годов появились устройства, позволяющие производить однократную запись информации на компакт-диск, они получили название CD-Recodable (CD-R). Отражающим слоем у них служит тонкий слой позолоты. Между позолотой и основой вводится слой красителя. На диске без записи этот слой красителя бесцветен, но под воздействием лазерного луча краситель темнеет, образуя пятна, которые при воспроизведении воспринимаются как выступы. 80
Позднее появились компакт-диски с возможностью перезаписи – CD-Re. Writable (CD-RW). На этих дисках слой красителя может находиться в двух состояниях: кристаллическом и аморфном. Эти два состояния имеют разную отражательную способность. Лазер устройства имеет три уровня мощности. При записи мощность лазерного диода повышается, и расплавляет слой красителя, переводя его в аморфное состояние с низкой отражательной способностью, что соответствует выступу (запись информации). При средней мощности краситель плавится и переходит в кристаллическое состояние с высокой отражательной способностью (стирание информации). Низкая мощность лазера используется для считывания информации. 81
Дальнейшее развитие технологий производства компакт-дисков привело к созданию дисков с высокой плотностью записи – цифровой универсальный диск Digital Versatile Disk (DVD). Впадины на них имеют меньший диаметр (0, 4 микрона), а спираль размещается с плотностью 0, 74 микрона между дорожками (вместо 1, 6 микрон у CD). Это позволило увеличить объём информации на диске до 4, 7 Гбайт. Дальнейшее увеличение объёма информации обеспечивается применением двухсторонних DVD. 82
С 2006 года запущен формат Blu-ray (blue ray — синий луч) с повышенной плотностью записи. Blu-ray использует синий коротковолновый (405 нм) лазер. CD и DVD используют инфракрасный и красный лазеры (780 нм и 650 нм). Укороченная волна в сочетании с улучшенной оптикой, позволили уменьшить размер пятна, фокусировки лазера, тем сузить дорожку вдвое по сравнению с DVD-диском (до 0, 32 мкм) и тем самым увеличить плотность записи данных, повысить скорость считывания до 432 Мбит/с. Однослойный диск Blu-ray (BD) может хранить 23. 3, 25, 27, 33 Гб, двухслойный диск может вместить 46. 6, 50, 54, 66 Гб. В разработке находятся диски вместимостью 100 Гб и 200 Гб с использованием четырёх и восьми слоёв соответственно. Уже анонсирован прототип четырёхслойного диска объёмом 100 Гб, планируется выпуск десятислойного диска ёмкостью 320 Гигабайт. 83
Флешь память. В 1994 г. был выпущен новый тип памяти - флэшпамять, которая представляет собой микросхему ППЗУ с ограниченным числом циклов перезаписи до 100 000. Она может быть прочитана сколько угодно раз (в пределах срока хранения данных, типично — 10 -100 лет), Кристалл схемы флэш-памяти состоит из трёх слоёв. Средний слой, имеющий толщину порядка 1, 5 нм изготовлен из ферроэлектрического материала. Две крайние пластины представляют собой матрицу проводников для подачи напряжения на средний слой. 84
При записи подача напряжения, на пересечении проводников создает напряжение, достаточное для изменения направления магнитного момента атомов кристаллической решетки, расположенной под местом пересечения проводников. Направление магнитного поля сохраняется и после снятия внешнего электрического поля. Изменение направления магнитного поля ферроэлектрика изменяет сопротивления этого участка слоя. При считывании. На один крайний слой подаётся напряжение, а на втором оно замеряется. Сопротивление, будет иметь разное значение для участков с разным направление магнитного момента. Такой тип флэш-памяти получил название FRAM (ферроэлектрическая память с произвольным доступом). 85
Конструктивно флэш-память (USB-флэш) выполняется в виде отдельного блока, содержащего микросхему флэшпамяти и контроллер, для подключения к одному из USB входов. В объём USB-флэш памяти на сегодня достигает 256 Гбайт, скорость записи и чтения зависит от интерфейса USB, USB 2. 0, USB 3. 0. 86
На конец 2008 года основным недостатком, не позволяющим устройствам на базе флеш-памяти вытеснить с рынка жёсткие диски, является высокое соотношение цена/объём, превышающее этот параметр у жестких дисков в 2— 3 раза. В связи с этим и объёмы флеш-накопителей не так велики. Хотя в ноябре 2009 года компания OCZ предложила SSD-накопитель ёмкостью 1 Тб и 1, 5 млн циклов перезаписи. Ещё один недостаток устройств на базе флеш-памяти по сравнению с жёсткими дисками — меньшая скорость обмена, но последние модели SSD-накопителей и по этому параметру уже вплотную приблизились к винчестерам. Однако, эти модели пока слишком дороги. 87
Видеоситемы Видеосистема предназначена для оперативного отображения текстовой и графической информации. Состоит из трех компонент: • видеоадаптер; • монитор (называемый также дисплеем); • программное обеспечение (драйверы видеосистемы). 88
Видеоадаптер: -включается в локальную шину, - принимает от шины данные, предназначенные для вывода на печать; - посылает в монитор сигналы управления яркостью пикселей и синхросигналы строчной и кадровой развёрток. Монитор преобразует полученные сигналы в зрительные образы. А программные средства обрабатывают видеоизображения — выполняют кодирование и декодирование сигналов, координатные преобразования, сжатие изображений и др. Видеоконтроллеры для хранения цвета каждого пикселя расходуют 3 байта памяти, для чего необходимо иметь объём видеопамяти от 32 до 128 Мбайт. Больший объём видеопамяти позволяет устанав-ливать 89 более высокий режим разрешения и большее число цветов
Мониторы Для ПК используются мониторы следующих типов: - на основе электронно-лучевой трубки (устаревшее); - на основе жидкокристалических индикаторов (ЖКИ, LCD – Liquid Crystal Display); - плазменные мониторы (PDP – Plasma Display Panels); - электролюминесцентные мониторы (FED – Field Emission Display); - самоизлучающие мониторы (LEP – Light Emission Plastics). 90
Основные характеристики мониторов: Размер диагонали экрана монитора, 17, 19 дюймов для домашних, до 22 для профессиональной работы. Разрешающая способность, которая определяется числом пикселей по горизонтали и вертикали. Рабочая частота кадровой развёртки определяет скорость смены кадров изображения (50 -100 кадров в секунду). Чем выше частота кадровой развёртки тем меньше утомляемость глаз. На разрешающую способность монитора и качество изобра-жения влияет объём видео памяти. 91
Мониторы на жидкокристалических индикаторах. Эти мониторы используют специальную прозрачную жидкость, которая при определённых напряжённостях электростатического поля кристаллизуется, при этом изменяется её прозрачность и коэффициент преломления световых лучей. Конструктивно такой монитор выполнен в виде двух электропроводящих стеклянных пластин, между которыми помещён слой кристаллизующейся жидкости. Для создания электростатического поля стеклянная пластина покрыта матрицей прозрачных проводников, а пиксель формируется на пересечении вертикального и горизонтального проводника. Иногда на пересечении проводников ставят активный управляющий элемент – транзистор. Такие экраны, которые получили название TFT-экранов (Thin Film Transistor – тонкоплёночный транзистор), имеют лучшую яркость и предоставляют возможность смотреть на экран даже с 92 отклонением до 45 от вертикали.
Плазменные мониторы В плазменных мониторах изображение формируется светом, выделяемым при газовом разряде в каждом пикселе экрана. Конструктивно плазменная панель состоит трёх стеклянных пластин, на две из которых нанесены тонкие прозрачные проводники: на одну вертикально, на другую – горизонтально. Между ними находится третья пластина, в которой в местах пересечения проводников двух первых пластин имеются сквозные отверстия. Эти отверстия при сборке заполняются инертным газом: неоном или аргоном, они и образуют пиксели. Плазма газового разряда, возникающая при подаче высокочастотного напряжения на вертикальный и горизонтальный проводники, излучает свет в ультрафиолетовом диапазоне, который вызывает свечение люминофора. Каждый пиксель представляет собой миниатюрную лампу дневного света. 93
Высокая яркость и контрастность, отсутствие дрожания изображения, а так же большой угол отклонения от нормали, при котором изображение сохраняет высокое качество, являются большими преимуществами таких мониторов. К недостаткам можно отнести недостаточную пока разрешающую способность и достаточно быстрое (пять лет при офисном использовании) ухудшения качества люминофора. Пока такие мониторы используются только для конференций и презентаций. 94
Электролюменесцентные мониторы состоят из двух пластин, с ортогонально нанесёнными на них прозрачными проводниками. На одну из пластин нанесён слой люминофора, который начинает светиться при подаче напряжения на проводники в точке их пересечения, образуя пиксель. Самоизлучающие мониторы используют матрицу пикселей, построенную на основе полупроводникового материала, излучающего свет при подаче на него напряжения (светодиод). На сегодняшний день имеются монохромные самоизлучающие дисплеи с жёлтым свечением, но они уступают по сроку службы LCD мониторам. Удалось создать органический проводник, имеющий широкий спектр излучения. На основе этого материала планируется создать полноразмерный цветной самоизлучающий монитор. Достоинства таких мониторов заключаются в том, что они обеспечивают 180 -градусный обзор, работают при низком 95 напряжении питания и имеют малый вес.
Устройства ручного ввода информации. Клавиатура На сегодня существует много разновидностей клавиатур. Наиболее распространённые клавиатуры имеют под каждой клавишей купол, выполненный из специальной резины, который прогибается при нажатии клавиши и замыкает контакты проводящим слоем, расположенным на куполе. Имеются беспроводные клавиатуры, в которой передача информации в компьютер происходит с помощью датчика инфракрасного излучения. Такая клавиатура позволяет работать в любом, удобном для пользователя месте помещения, не привязываясь к расположению системного блока. Можно так же отметить гибкую резиновую клавиатуру, которая работает бесшумно, защищена от механических и химических разрушающих воздействий, очень тонкая и может быть свёрнута в виде цилиндра. 96
Контроллер, опрашивает 50 раз в секунду состояние клавиатуры, вырабатывает скан-код и посылает его в BIOS, а сервисные программы операционной системы уже определяют какой именно символ или команда были введены. При нажатии клавиши клавиатурный процессор посылает в специальный буфер клавиатуры, расположенный в оперативной памяти, скан-код клавиши, состоящий из двух байт: байта собственно скан-кода и байта, определяющего какие дополнительные управляющие клавиши при этом удерживались нажатыми. К управляющим клавишам относятся клавиши Ctrl, Alt, Shift, которые ещё и различаются по месту расположения: левые и правые, а так же их комбинации. Сервисная программа читает из буфера клавиатуры эти два байта и передаёт их в программу, которая решает какой именно символ или управляющий сигнал необходимо отобразить. 97
Манипулятор типа "мышь". В настоящее время используются в основном оптические мыши. В нижней части мыши установлен специальный светодиод, который подсвечивает поверхность, по которой перемещается мышь. Миниатюрная камера «фотографирует» поверхность более тысячи раз в секунду, передавая эти данные процессору, который и делает выводы об изменении координат. манипулятор "мышь" представляет удобное средство для работы с компьютером. В портативных компьютерах мышь вмонтирована в корпус компьютера и представляет собой площадку с сенсорами, которые отслеживают движения пальца по площадке и силу его давления и перемещают курсор по экрану или, при более сильном нажатии, выполняют команду. Такие устройства получили названия трекпоинты или трекпады. 98
Джойстик. Манипулятор типа джойстик является основным устройством для управления многочисленными компьютерными играми. Хотя большинство игровых программ допускают управление от клавиатуры, джойстики обеспечивают больший контроль над игрой и значительно полнее передают реальную игровую ситуацию, связанную с работой авиационных, автомобильных и иных имитаторов движения. Для истинных фанатов игр выпускают джойстики, похожие на реальные органы управления объектом: штурвалы, педали, рули и даже целые кабины. 99
Устройства печати. Существует несколько типов устройств, обеспечивающих получение твёрдой копии электронного документа на бумаге или другом материале. Наибольшее распространение получили два типа таких устройств: принтеры и плоттеры. 100
Принтеры это устройства вывода данных из компьютера, формирующие поточечное изображение копии документов на бумаге или ином аналогичном материале, например, прозрачной плёнке, применяемой для размножения документов типографским способом. Принтеры весьма разнообразны по принципу действия и качеству воспроизведения изображения, по размеру бумаги, на которой они могут его воспроизводить, а так же возможности печати цветных или только чёрно-белых изображений и скорости печати. 101
Основные характеристики принтеров: разрешающая способность - определяет качество получаемого бумажного документа, измеряется числом элементарных точек (dots), которые помещаются на одном дюйме – dots per inch (dpi). Чем выше разрешающая способность тем точнее воспроизводятся детали изображения. Современные принтеры обеспечивают разрешение от 200 до 2880 dpi; производительность принтера, которая измеряется количеством печатаемых страниц, в минуту – page per minute (ppm). Обычно производительность указывается для страниц формата А 4. 102
Матричные принтеры (устаревшее). Изображение в матричных принтерах формируется из точек, которые получаются путём удара тонкой иглы по красящей ленте, прижимаемой в момент удара к бумаге. Иглы, число которых составляет от 9 до 24, объединены в головке и размещены в ней вертикально в один ряд. Каждая игла управляется отдельным магнитом, а головка движется горизонтально вдоль листа. Таким образом, за один проход головки получается полоса, высота которой в точках равна числу игл в головке. Скорость матричных принтеров не высока и составляет около 2 ppm. Разрешающая способность составляет 200 – 360 dpi. Достоинством матричных принтеров является низкая стоимость расходных материалов (красящей ленты) и возможность печати одновременно нескольких копий документа. К недостатками относится низкая скорость печати и шум при 103 печати.
Струйные принтеры. Печатающая головка струйного принтера вместо иголок содержит тонкие трубочки – сопла, через которые на бумагу выбрасываются мельчайшие дозированные капли красителя. Число сопел в головке составляет от 12 до 64. Разрешение от 300 до 1200 dpi; скорость печати до 10 ppm; бесшумность работы. Струйные принтеры выполняют и цветную печать. При цветной печати цветная точка получается смешением в заданных пропорциях красителей трёх основных цветов: голубого, пурпурного и жёлтого, выстреливаемого из трех сопел. Основными недостатками является высокая стоимость расходных материалов и возможность засыхания красителя в сопле, что заставляет преждевременно заменять весь печатающий блок. 104
Лазерные принтеры обеспечивают наиболее качественную печать с наивысшим разрешением и скоростью. Изображение в них формируется в несколько этапов. На первом этапе происходит засветка узким прерывистым световым лучом от лазерного диода барабана, на который нанесён тонкий слой материала, электролизующегося под действием света. На втором этапе барабан посыпается мелко дисперсионным красящим порошком, который налипает на барабан в точках засветки, а лишний порошок удаляется. Третий этап состоит в прокатывании барабана с налипшим на него порошком по бумаге, в результате чего краситель переходит на бумагу. Последний этап состоит в термической обработке бумаги. Она нагревается до 200 , в результате порошок расплавляется, проникая в структуру бумаги, закрепляется на ней. 105
Лазерные принтеры могут обеспечить печать цветного изображения. Оно получается нанесением на барабан порошков разных цветов. К достоинствам лазерных принтеров можно отнести высокое качество печати до 2880 dpi, скорость печати (до 40 ppm), а так же низкая себестоимость копии и бесшумность в работе. 106
Плоттеры или графопостроители используются, в основном, для вывода графической информации – чертежи, схемы, диаграммы и т. п. Основное достоинство плоттеров заключается в том что они предназначены для получения изображения на бумаге большого формата, например, А 1. Плоттеры делятся на два больших класса: векторные и растровые. В векторных плоттерах пишущий узел перемещается относительно бумаги сразу по вертикали и горизонтали, вычерчивая на бумаге непрерывные кривые в любом направлении. В растровых плоттерах пишущий узел перемещается относительно бумаги только в одном направлении, и изображение формируется строка за строкой из последовательности точек. 107
Векторные плоттеры используют для рисования узел, который, в общем, называется пером. В качестве пера используются перья с чернилами, фибровые и пластиковые стержни (фломастеры), карандашные грифели и мелки или шариковые узлы однократного и многоразового действия. Перьевые плоттеры обеспечивают высокое качество как однотонных, так и цветных изображений, но имеют невысокую скорость работы. Постепенно перьевые и шариковые узлы плоттеров вытесняются струйными узлами, которые аналогичны узлам струйных принтеров. 108
Устройства поддержки безбумажных технологий До появления электронных носителей информации основные средством сохранения документов являлась бумага. Перевод бумажных документов в электронные копии позволит сохранять их практически вечно. Кроме того, развитие глобальной сети позволяет обмениваться информацией только в электронном виде. Поэтому устройства, преобразующие бумажные документы в электронные копии и снабжённые системами автоматического распознавания текста, являются необходимыми элементами создания систем безбумажной технологии. 109
Сканеры Наиболее распространёнными устройства для решения задачи перевода бумажных документов в электронные копии являются сканеры. Сканеры весьма разнообразны, и их можно классифицировать по целому ряду признаков. Прежде всего, сканеры бывают чернобелые и цветные. Чёрно-белые сканеры могут считывать штриховые и полутоновые изображения. Полутоновые изображения могут иметь до 256 градаций серого цвета. В цветных сканерах сканируемое изображение освещается через вращающийся светофильтр, воспринимающий последовательно три основных цвета, или тремя последовательно зажигаемыми лампами красного, зелёного и голубого цветов. 110
Характеристики сканеров Разрешающая способность, измеряющаяся количеством различаемых точек на дюйм изображения, и составляет от 75 до 1600 dpi. Высокое разрешение необходимо для комфортного визуального восприятия. Для нормальной работы программ распознавания образов, и, в частности, распознавания текстов, которым снабжаются сканеры, вполне достаточно разрешающей способности в 300 -600 dpi. Для публикации картинок на web-сайтах Интернета достаточно разрешения 80 dpi. Увеличение разрешения улучшает качество, но резко увеличивает размер файла. Скорость сканирования документа. Измеряется в количестве секунд, затрачиваемых на сканирование одной страницы. Снижается скорость сканирования и при увеличении разрешающей способности сканера. 111
Конструктивно сканеры делятся на три типа: ручные, планшетные и роликовые. Ручные сканеры перемещаются по изображению вручную. Они выполнены в виде блока с рукояткой, который "прокатывают" по изображению. За один проход сканируется лишь часть изображения, так как ширина сканирования не превышает 105 мм. Всё изображение сканируется за несколько проходов. Специальное программное обеспечение, поставляемо вместе со сканерами позволяет совмещать части отсканированного изображения. Ручные сканеры имеют малые габариты и низкую стоимость и позволяют сканировать изображения любого размера, но могут возникать искажения при совмещении частей изображения. 112
Планшетные сканеры являются наиболее распространённым типом сканера. В них сканирующая головка (линейка светодиодов) перемещается относительно неподвижного оригинала, который помещается на прозрачное стеклянное основание. Достоинство таких сканеров заключается в том, что с их помощью можно сканировать и листовые и сброшюрованные документы (книги). Скорость сканирования таких сканеров составляет 210 секунд на страницу формата А 4. К недостаткам планшетных сканеров можно отнести необходимость ручного позиционирования каждой страницы оригинала. Роликовые сканеры используются для пакетной обработки листовых документов. В них подача очередного листа для сканирования происходит автоматически. Сканирующая головка в таких сканерах неподвижна, а лист оригинала перемещается относительно неё. К недостаткам роликовых сканеров можно отнести проблему выравнивания листов и 113 сложность работы с листами нестандартного размера.
Устройства обработки звуковой информации Звуковая карта обеспечивает запись и воспроизведение звуковой информации с качеством не хуже того, который обеспечивает звуковой компакт-диск. Имеет 16 -битный стереофонический цифро-аналоговый и аналого-цифровой преобразователи для записи и воспроизведения звуковой информации с цифрового или аналогового носителей и микрофона. Поддерживает функции создания звуковых эффектов для игровых программ. Имеет стандартные выходы для подключения акустической системы компьютера и внешних усилителей звуковых частот. 114
Звуковая карта работает в трёх основных режимах: создание, запись и воспроизведение звуковых сигналов. В режиме создания звука плата действует как музыкальный инструмент, синтезирующий сложный звуковой сигнал. В режиме записи звуковая карта принимает звук от внешнего источника и производит его оцифровку, то есть преобразует его из аналоговой (непрерывной) формы в цифровую (дискретную) и сохраняет числовые данные виде файлов на диски. Качество оцифрованного звука во многом зависит от разрядности преобразования и частоты дискретизации. При воспроизведении звуковая карта может принимать оцифрованный или непрерывный сигнал. Для этого карта имеет специальные разъёмы для подключения источников непрерывного сигнала, вход для подключения выход CDдиска и усилитель, позволяющий выводить сигнал на 115 внешние акустические системы.
Устройства для соединения компьютеров в сеть Модем. Одной из популярных областей применения персонального компьютера является работа в глобальной сети Internet. К ней компьютер подключается по обычной телефонной или специальной линии с помощью устройства, которое называется модем (Модулятор + ДЕМодулятор). Цифровые данные, поступающие в модем из компьютера, преобразуются в нём путём модуляции в специальный непрерывный сигнал, который и направляется в линию передачи. Модем-приёмник осуществляет обратное преобразование сигнала (демодуляцию) и пересылает восстановленные цифровые данные в свой компьютер. 116
Скорость передачи данных современными модемами составляет 33 600 или 56 000 бит в секунду и зависит от поддерживаемого модемом протокола передачи. Развивающиеся цифровые технологии передачи данных, требующие значительно больших скоростей передачи и качества связи, требуют использования цифровых модемов. Цифровые модемы не являются действительно модуляторами-демодуляторами сигналов, так как и на входе и на выходе имеют импульсный сигнал. Они выпускаются разных модификаций для конкретных цифровых сетей и их скорость передатчик составляет от 300 Кбит/С до 2 -5 Мбит/С. Выпускаются также сотовые модемы для работы в системе сотовой связи, и радиомодемы, которые осуществляют приём и передачу в пределах прямой видимости пары модемов и работают на ультракоротких волнах. 117
Сетевая карта. Если компьютеры объединяются в сеть, для которой прокладывается специальный кабель, то вместо модема можно использовать специальные платы расширения, вставляемые в слот расширения системной платы. Такие платы называются сетевыми адаптерами или сетевыми картами. Скорость передачи данных по сети через сетевые карты составляет 10 – 100 Мбит/С. 118
Сетевая карта имеет свой уникальный адрес, который однозначно определяет адрес локального компьютера в сети. Она преобразует данные, поступающие к ней от компьютера в специальные пакеты – кадры, пересылает их адресату, то есть другой сетевой карте и отвечает за надёжную доставку указанному адресату по сети. Так как функции, которые выполняет сетевая карта, достаточно сложны, в её состав включен специализированный процессор, обеспечивающий высокоскоростную аппаратную поддержку выполнения этих функций. При выборе сетевой карты основным параметром является тип сети, в состав которой будет включен локальный компьютер. Известные стандартные типы локальных сетей, такие как FDDI, Ethernet и др. , несовместимы между собой, и каждая сетевая карта поддерживает только определённый вид локальной сети. 119
Скачать презентацию АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ Общие принципы организации и
2 Аппаратное Обеспечение.ppt