Общие принципы организации и работы компьютеров
Компьютер – (англ. computer — вычислитель) универсальное средство для обработки информации, представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами.
Существует два основных класса компьютеров: • цифровые компьютеры, обрабатывающие данные в виде двоичных кодов; • аналоговые компьютеры, обрабатывающие непрерывно меняющиеся физические величины (электрическое напряжение, время и т. д. ), которые являются аналогами вычисляемых величин.
Архитектура ЭВМ Архитектура- это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов. К архитектуре относят такие принципы построения ЭВМ: • Структура памяти ЭВМ • Способы доступа к памяти и внешним устройствам • Возможность изменения конфигурации компьютера • Система команд • Форматы данных • Организация интерфейса
Основу компьютеров образует аппаратура (Hard. Ware), построенная, в основном, с использованием электронных и электромеханических элементов и устройств. Принцип действия компьютеров состоит в выполнении программ (Soft. Ware) — заранее заданных, четко определённых последовательностей арифметических, логических и других операций. Любая компьютерная программа представляет собой последовательность отдельных команд. Команда — это описание операции, которую должен выполнить компьютер. Как правило, у команды есть свой код (условное обозначение), исходные данные (операнды) и результат.
В литературе часто используется та или иная схема классификации компьютерных архитектур и одной из наиболее популярных является таксономия (классификация) Флинна (англ. Flynn's taxonomy) — общая классификация архитектур ЭВМ по признакам наличия параллелизма в потоках команд и данных. Была предложена в 1970 -е годы Майклом Флинном. Всё разнообразие архитектур ЭВМ в этой таксономии Флинна сводится к четырём классам:
• • ОКОД — Вычислительная система с одиночным потоком команд и одиночным потоком данных (SISD, Single Instruction stream over a Single Data stream). ОКМД — Вычислительная система с одиночным потоком команд и множественным потоком данных (SIMD, Single Instruction, Multiple Data). МКОД — Вычислительная система со множественным потоком команд и одиночным потоком данных (MISD, Multiple Instruction Single Data). МКМД — Вычислительная система со множественным потоком команд и множественным потоком данных (MIMD, Multiple Instruction Multiple Data).
ОКОД — Вычислительная система с одиночным потоком команд и одиночным потоком данных (SISD, Single Instruction stream over a Single Data stream). SISD компьютеры это обычные, "традиционные" последовательные компьютеры, в которых в каждый момент времени выполняется лишь одна операция над одним элементом данных (числовым или каким-либо другим значением). Это так называемая классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа.
К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.
ОКМД — Вычислительная система с одиночным потоком команд и множественным потоком данных (SIMD, Single Instruction, Multiple Data) или Архитектура с параллельными процессорами Несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе — то есть по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных. Одним из преимуществ данной архитектуры считается то, что в этом случае более эффективно реализована логика вычислений. В SIMD компьютере управление выполняется контроллером, а "арифметика" отдана процессорным элементам.
МКМД — Вычислительная система со множественным потоком команд и множественным потоком данных (MIMD, Multiple Instruction Multiple Data) или Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины имеет общую оперативную память и несколько процессоров. Уже довольно давно появились компьютеры с несколькими независимыми процессорами, но вначале на разных процессорах одновременно выполнялись разные и независимые программы.
МКОД — Вычислительная система со множественным потоком команд и одиночным потоком данных (MISD, Multiple Instruction Single Data) или Многомашинная вычислительная система Несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.
Принципы построения компьютеров Впервые классические принципы построения и функционирования вычислительной машины с автоматическим выполнением команд предложил американский ученый Джон фон Нейман. Согласно ему, для представления данных должна быть использована двоичная система счисления.
Принципы логического устройства ЭВМ фон Неймана 1. Принцип программного управления. Он обеспечивает автоматизацию процессов вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. 2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что храниться в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. 3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Это позволяет обращаться к произвольной ячейке (адресу) без просмотра предыдущих
Структуру ЭВМ Джон фон Нейман представлял четырьмя основными блоками: • АЛУ – арифметическое логическое устройство. Преобразует информацию, выполняя сложение, вычитание и основные логические операции И, ИЛИ, НЕ; • УУ - устройство управления. Организует процесс выполнения программ; • ОЗУ – память для хранения программ и данных; • ВУ – внешние устройства для ввода/вывода информации.
Достижения микроэлектроники позволили объединить в одной сверхбольшой интегральной схеме (СБИС), называемой микропроцессором (МП) или процессором, АЛУ и УУ. Уменьшение габаритов ОЗУ позволила разместить МП и ОЗУ на одной электронной плате, называемой системной или материнской.
ПК типа IBM PC, названный по имени американской компании, которая в 1981 году впервые выпустила такие ПК, стал стандартом персональных компьютеров. В IBM PC была заложена возможность усовершенствования его отдельных частей и использования новых устройств. Методы совместимости устройств с компьютером не держались в секрете, а были доступны всем желающим. Этот принцип предусматривает возможность дополнения имеющихся аппаратных средств новыми устройствами без замены старых и называется принципом открытой архитектуры.
Все компоненты ПК по их функциональному отношению к работе с информацией можно условно разделить на: • Устройства обработки информации; • Устройства хранения информации; • Устройства ввода информации; • Устройства вывода информации.
Материнская плата — это комплекс различных устройств, поддерживающий работу системы в целом. Выбор конфигурации компьютера начинается именно с выбора системной платы. Материнские платы различаются по: - типу процессоров, которые могут быть установлены на них; - названиям фирм, их выпускающих. На МП находятся специальные перемычки – джамперы, позволяющие подстроить ее под тип процессора и других устройств, установленных на ней.
Материнская плата внутри компьютера - главная монтажная деталь, к которой крепятся остальные компоненты: • процессор – основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций; • микропроцессорный комплект (чипсет) – набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств ПК и определяющих основные функциональные возможности материнской платы; • шины – наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами ПК; • оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) – набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен; • постоянно-запоминающее устройство (ПЗУ) – микросхема, предназначенная длительного хранения данных, в том числе и когда ПК выключен; • разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты).
Микропроцессор (ЦП) (CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основное устройство компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера. Выполняется на одной или нескольких сверхбольших интегральных схемах (СБИС).
Конструктивно процессор состоит из ячеек, в которых данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером. Триггер – это электронное устройство, которое может находиться в одном из двух устойчивых состояний. Это значит, что на его выходе может быть либо логическая 1, либо логический 0. Триггер способен хранить один разряд двоичного числа или 1 бит информации
Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления. Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например: • сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции; • счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти; • регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов
Центральный процессор в общем случае содержит в себе: • • • устройство управления; арифметико-логическое устройство; регистры общего назначения (РОН); шины данных и шины адресов; счетчики команд; кэш — очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт); • математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.
Функции процессора: • обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций; • программное управление работой устройств компьютера.
Процессоры классифицируются по базовому типу, называющемуся семейством. С целью преемственности последующие модели и модификации процессоров, как правило, содержат всю систему команд своих предшественников.
Основными характеристиками процессора являются: • быстродействие – количество операций, производимых в 1 секунду, измеряется в бит/сек. Каждая последующая имеет более высокую производительность по сравнению с предыдущей; • тактовая частота – количество тактов, производимых процессором за 1 сек. ; • разрядность – количество двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт; • рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы.
Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.
Устройства хранения Основными параметрами, характеризующими запоминающие устройства компьютера, являются: • информационная емкость – максимально возможный объем хранимой информации, выражается в мегабайтах (для дискет и CD-дисков) и гигабайтах (для винчестеров); • время доступа - временной интервал между моментом, когда процессор запрашивает с диска данные, и моментом их выдачи. Измеряется в миллисекундах (мс); • стоимость; • скорость чтения и записи информации – определяется количеством байт, прочитанных/записанных в секунду. Выражается в Мбайт/с.
Память – это устройство, которое используется для записи, хранения и выдачи по запросу информации, необходимой для решения задач на ЭВМ. Память делится на внутреннюю и внешнюю. Функции памяти: • приём информации из других устройств; • запоминание информации; • выдача информации по запросу в другие устройства машины.
Внутренняя (основная) – электронная память, устанавливается на системной плате или плате расширения, в ней хранятся исполняемые программы и данные. Конструктивно она исполняется в виде интегральных схем (ИС) и подразделяется на два вида: • постоянное запоминающее устройство (ПЗУ); • оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory — память с произвольным доступом) — это быстрое запоминающее устройство, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами. Информация в ОЗУ сохраняется все время, пока на схемы памяти подается питание, т. е. является энергозависимой. Доступ к элементам оперативной памяти прямой — это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.
Память этого класса подразделяется на два типа — с динамической (Dynamic RAM, DRAM) и статической (Static RAM, SRAM) выборкой. Обычно модули DRAM применяют в оперативной и видеопамяти, а модули SRAM — в качестве быстрых буферных элементов в процессорах, на материнских платах, в жестких дисках, приводах CD-ROM и прочих устройствах.
Основные характеристики памяти • Объем памяти определяется максимальным количеством информации, которая помещается в память (Кб, Мб, Гб и т. д. ). • Время доступа к памяти (секунды) представляет собой минимальное время, достаточное для размещения в памяти единицы информации. • Плотность записи информации (бит/сек 2) представляет собой количество информации, записанной на единице поверхности носителя. Производительность ПК во многом определяется быстродействием процессора, а также объемом оперативной памяти и скоростью доступа к ней.
Кэш-память Для ускорения доступа к оперативной памяти используется кэш-память (cache – запас, тайник). Это небольшая по объему высокоскоростная буферная память для временного хранения текущих данных и помещенная между оперативной памятью и процессором. Объем составляет до 1 Мб. Обработка данных производится быстрее, что приводит к увеличению производительности ПК. Непосредственного доступа из программы в кэш-память нет.
По принципу записи результатов Кэш делят на: • «с обратной записью» - результаты операций, прежде чем их записать в ОП, фиксируются в Кэш, а затем контроллер Кэш – память самостоятельно переписывают их в ОП. • «со сквозной записью» - результаты операций одновременно, параллельно записываются в Кэш и в ОП. В современных компьютерах Кэш реализуется по 2 - х уровневой схеме: – первичный Кэш (1 -й уровень) встроен непосредственно внутри процессора – вторичный (2 -ой уровень) устанавливается на системной плате.
ПЗУ, постоянное запоминающее устройство или постоянная память (от англ. ROM, Read Only Memory – память только для чтения), служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации. Это энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. В постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.
ПЗУ делится по способу записи в них информации на следующие категории: • ПЗУ, программируемые однократно. Программируются при изготовлении и не позволяют изменить записанную в них информацию; • Перепрограммируемые ПЗУ (Flash Memory), (ППЗУ). Позволяют перепрограммировать их многократно. Электронная микросхема EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) – стираемое перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ). Память такого типа может стираться и заполняться данными несколько десятков тысяч раз.
Flash-память Важнейшая микросхема перепрограммируемой постоянной или Flash-памяти — модуль BIOS. Роль BIOS двоякая: с одной стороны это неотъемлемый элемент аппаратуры, а с другой стороны — важный модуль любой операционной системы. BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода) — совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память. Является посредником между аппаратным и программным обеспечением компьютера.
CMOS-память Предназначена для длительного хранения данных о конфигурации и настройке компьютера (дата, время, пароль), в том числе и когда питание компьютера выключено. Питание производится со специального аккумулятора, установленного на материнской плате. Это полупостоянная память, ее содержимое можно изменять. Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS (англ. Setup – устанавливать).
Самой быстродействующей является микропроцессорная память, которая реализуется на том же кристалле, что и процессор. Она предназначена для хранения небольшого количества информации (до нескольких десятков слов, а в RISC-архитектурах – до сотни), обрабатываемой в текущий момент времени. Обращение к этой памяти производится непосредственно по командам процессора.
Видеопамять (VRAM) Для хранения графической информации используется видеопамять. Видеопамять (VRAM) — разновидность оперативного ЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам — процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.
Все дополнительные устройства взаимодействуют с процессором и ОП через системную магистраль передачи данных – шину. Шина, наряду с ЦП и запоминающим устройством во многом определяет производительность работы компьютера, т. к. обеспечивает обмен информацией между функциональными узлами. Виды слотов расширения различаются по типу шины. Шина характеризуется типом, разрядностью, частотой и количеством подключаемых внешних устройств.
Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: • шину данных, • шину адреса, • шину управления, которые представляют собой многопроводные линии.
Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство), то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле: N = 2 I , где I - разрядность шины адреса. Если разрядность составляет 36 бит, то максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти равно: N = 236 = 68 719 476 736. Разрядность шины адреса в процессорах Pentium Extreme Edition составляет 64 бита. Таким образом, максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти равно: N = 2 64 ячеек.
Каждая шина характеризуется: шириной – числом параллельных проводников для передачи информации; тактовой частотой – частотой, на которой работает контроллер шины.
Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения программ и данных, и является энергонезависимой. В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором. В настоящее время ВЗУ в зависимости от типа носителя можно разделить на магнитные, оптические и смешанные.
Дисководы магнитных дисков делятся на дисководы для сменных носителей (дискет) и дисководы жестких дисков (винчестеры). Гибкий диск (англ. floppy disk), или дискета, — носитель небольшого объема информации, представляющий собой гибкий пластиковый диск в защитной оболочке. Информация записывается по концентрическим дорожкам (трекам), которые делятся на секторы. Количество дорожек и секторов зависит от типа и формата дискеты. Сектор хранит минимальную порцию информации, которая может быть записана на диск или считана. Ёмкость сектора постоянна и составляет 512 байтов.
Накопитель на жёстких магнитных дисках (англ. HDD — Hard Disk Drive) или винчестер — это наиболее массовое запоминающее устройство большой ёмкости, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые пластины — платтеры, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Используется для постоянного хранения информации — программ и данных.
Накопители на оптических дисках Был предложен в 1982 г. фирмами Philips и Sony первоначально для записи звуковой информации, идеально подходил для записи цифровой информации больших объемов на сменном носителе. Объем информации составляет 600 -700 Мбайт. CD-ROM представляет собой прозрачный полимерный диск диаметром 12 см и толщиной 1, 2 мм, на одну сторону которого напылен светоотражающий слой алюминия, защищенный от повреждений слоем прозрачного лака. Толщина напыления составляет несколько десятитысячных долей миллиметра.
Cчитывание информации с CD-ROM происходит с достаточно высокой скоростью, просты и удобны в работе, практически не изнашиваются, не могут быть поражены вирусами, c них невозможно случайно стереть информацию. Компакт-диски имеют одну спиральную дорожку, как у грампластинок. В связи с этим, угловая скорость вращения диска не постоянна. Она линейно уменьшается в процессе продвижения читающей лазерной головки к краю диска.
CD-R В середине 90 -х появились устройства, устанавливаемые на компьютере и позволяющие производить однократную запись на компакт-диск. Для таких устройств выпускают специальные компакт-диски, получившие названия CD-R. Отражающим слоем у них служит слой позолоты. Между слоем позолоты и слоем поликарбомидной смолы вводится слой красителя. На диске без записи этот слой бесцветен, но под воздействием лазерного луча краситель темнеет, образуя пятна.
компакт-диски с возможностью перезаписи 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 записи информации. При средней мощности краситель плавится и переходит в кристаллическое состояние с высокой отражательной способностью (стирание информации). Низкая мощность лазера используется для считывания информации.
цифровые универсальные диски DVD Дальнейшее развитие технологий производства компакт-дисков привело к созданию дисков с высокой плотностью записи – цифровых универсальных дисков DVD. Эти диски имеют тот же размер, что и обычные CD, но вмещают до 17 Гбайт данных, т. е. по объему заменяют 20 стандартных дисков CDROM.
Накопители на магнитной ленте (стримеры) Стример (англ. tape streamer) — устройство для резервного копирования больших объёмов информации на магнитную ленту ёмкостью 1 — 2 Гбайта и больше. Недостатком является слишком большое время последовательного доступа к данным при чтении, низкая скорость записи, поиска информации.
Флэш-память Первые промышленные образцы такой памяти появились в 1994 г. Новый тип памяти получил название флэшпамяти (Flash-memory). Флэш-память представляет собой микросхему перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ) с неограниченным числом циклов перезаписи. Такой тип получил название FRAM (ферроэлектрическая память с произвольным доступом). В настоящее время объем флэшпамяти достигает нескольких Гбайт, скорость записи и считывания составляют десятки Мбайт.
Аудиоадаптер (Sound Blaster или звуковая плата) это периферийное устройство, позволяющее записывать звук, воспроизводить его и создавать программными средствами с помощью микрофона, наушников, динамиков, встроенного синтезатора и другого оборудования. Звуковая карта работает в 3 -х режимах: создание, запись и воспроизведение звуковых сигналов. Платы Sound Blaster, помимо своих основных функций, обеспечивают автоматическое сжатие файлов. Для синтеза звука используются два основных метода: метод частотной модуляции и метод волновых таблиц. Качество звука, оцифрованного звуковой картой, определяется такими параметрами, как … • частота дискретизации • глубина кодирования
Устройства ввода информации Универсальным устройством ввода информации является клавиатура. Современные типы клавиатур различаются принципом формирования сигнала при нажатии клавиш. Стандартная имеет 101 клавишу. Среди современных типов можно отметить: беспроводную клавиатуру, в которой передача информации происходит с помощью датчика инфракрасного излучения; гибкую резиновую клавиатуру, работающую бесшумно, защищенную от химических и механических воздействий.
В качестве устройств для ручного ввода информации используются устройства графического ввода мышь и трекбол. Мышь представляет собой электронномеханическое устройство, внешний вид и принцип действия весьма разнообразны. В портативных компьютерах мышь, вмонтированная в корпус и представляющая собой площадку с сенсорами, которые отслеживают движение пальца по площадке и силу его давления, получили название трекпоинты или трекпады. Резиновый шарик, вмонтированный в корпус портативного компьютера, вращающийся непосредственно рукой, называется трекболом.
Манипулятор типа джойстик является основным устройством для управления компьютерными играми. Простейший джойстик представляет собой основание с укрепленной на ней подвижной рукояткой, на которой размещены 4 кнопки и двухпозиционный курок.
Дигитайзер — устройство для преобразования готовых изображений (чертежей, карт) в цифровую форму. Представляет собой плоскую панель — планшет, располагаемый на столе, и специальный инструмент — перо, с помощью которого указывается позиция на планшете. При перемещении пера по планшету фиксируются его координаты в близко расположенных точках, которые затем преобразуются в компьютере в требуемые единицы измерения.
Цифровая фотокамера содержит ПЗС-матрицу (ПЗС - прибор с зарядовой связью), состоящую из большого количества фотоэлементов (300 -900 тыс. ), на которую с помощью объектива фокусируют изображение. Цифровая фотокамера имеет ЗУ для хранения файлов-фотографий и жидкокристаллический дисплей, который является видоискателем и позволяет просматривать содержимое памяти. Цифровая видеокамера (видеокодак) получает последовательность фотографий с частотой 25 -30 кадров/с и записывает их в видеофайл. Параллельно идет запись звука.
Сканер — устройство для ввода в компьютер графических изображений: фотографий, рисунков, слайдов, текстовых документов. Прежде всего, они бывают черно-белые и цветные. Основными характеристиками являются: • пространственная разрешающая способность в единицах dpi – измеряется количеством различаемых точек на дюйм изображения и составляет от 75 до 1600 dpi; • количество передаваемых цветов – разрядность представления цвета одной точки (24 бита, 32 бита); • скоростью сканирования документа.
Конструктивно сканеры делятся на 4 типа: ручные, планшетные, роликовые и проекционные. • Ручные перемещаются по изображению вручную, выполнены в виде блока с рукояткой, который прокатывают по изображению. Имеют малые габариты низкую стоимость, позволяют сканировать изображения любого размера, но могут возникать искажения при совмещении частей изображения. • Планшетные являются наиболее распространенным типом сканера. В них сканирующая линейка светодиодов движется относительно неподвижного оригинала, который помещается на стеклянное основание. К основным параметрам планшетного сканера относятся разрешающая способность и динамический диапазон. Разрешающая способность планшетного сканера определяется количеством точек на дюйм и зависит от технических особенностей модели сканера. Динамический диапазон – это логарифм отношения яркости наиболее светлых участков изображения к яркости наиболее темных участков. Скорость сканирования составляет 2 -10 с на страницу А 4. К недостаткам относят необходимость ручного позиционирования каждой страницы.
• Роликовые используют для пакетной обработки листовых документов, в них подача листа происходит автоматически. Сканирующая головка в таких сканерах неподвижна, а лист перемещается относительно нее. Недостатки – проблема выравнивания листов и сложность работы с листами нестандартного размера. • Проекционные отличаются тем, что оригинал устанавливается в рамку и сканирование проводится на просвет, как правило, с масштабированием.
Устройства вывода информации К средствам визуального отображения относятся видеотерминалы. Видеотерминалы предназначены для оперативного отображения текстовой и графической информации. Видеотерминал состоит из монитора (дисплея) и видеокарты. Монитор подключается к видеокарте, которая установлена в слот расширения системной платы в системном блоке. Монитор работает под управлением специального аппаратного устройства – видеоадаптера. Изображение хранится в ОП, называемой видеопамятью, размещенной на видеокарте.
Наиболее распространенный видеоадаптер - адаптер SVGA (Super Video Graphics Array — супервидеографический массив), который может отображать на экране дисплея 1280 х1024 пикселей при 256 цветах и 1024 х768 пикселей при 16 миллионах цветов.
С увеличением числа приложений, использующих сложную графику и видео, широко используются разнообразные устройства компьютерной обработки видеосигналов: • графические акселераторы (ускорители) — специализированные графические сопроцессоры, увеличивающие эффективность видеосистемы. • фрейм-грабберы, которые позволяют отображать на экране компьютера видеосигнал от видеомагнитофона, камеры, лазерного проигрывателя и т. п. , с тем, чтобы захватить нужный кадр в память и впоследствии сохранить его в виде файла. • TV-тюнеры — видеоплаты, превращающие компьютер в телевизор.
Для ПК используются мониторы следующих типов: • на основе электроннолучевой трубки (ЭЛТ); • на основе жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ, LCD, TFT); • плазменные мониторы (PDP); • электролюминесцентные мониторы (FED); • самоизлучающие мониторы (LEP).
Основными характеристиками мониторов являются: • Размер экрана монитора, который задается величиной его диагонали в дюймах: домашние ПК оснащаются мониторами размером 15 или 17 дюймов, профессиональные – 21 или 22 дюйма. • Разрешающая способность определяется числом пикселей (световых точек) по горизонтали и вертикали, стандартные значения: 800 х600, 1024 х768, 1800 х1440, 2048 х1536. Разрешающая способность определяет качество изображения на экране. • Рабочая частота кадровой развертки (частота регенерации) определяет скорость смены кадров изображения, влияет на утомляемость глаз при работе. Частота зависит от разрешающей способности экрана: чем выше разрешающая способность, тем меньше частота смены кадров. Например, при разрешении 800 х600, максимальная частота смены кадров 120 Гц, при разрешении 1600 х1200 – 67 Гц. На разрешающую способность монитора и качество изображения влияет объем видеопамяти.
Мониторы на основе (ЭЛТ) используют электронно-лучевые трубки, применяемые в обычных телевизорах, и устройство, формирующее на экране точки (пиксели). Мониторы бывают алфавитно-цифровые и графические, монохромные и цветного изображения. Частота экранной развертки является важной характеристикой ЭЛТ-монитора. Цветной монитор может изображать до 16 млн. оттенков в каждой точке.
Мониторы на жидкокристаллических индикаторах представляют собой плоские панели. Большинство ЖК-мониторов использует тонкую плёнку из жидких кристаллов, помещённую между двумя стеклянными пластинами. Время реакции пикселя и угол обзора – это характерные параметры жидкокристаллических мониторов, изготовленных на основе пассивных матриц (LCD-мониторы) или активных матриц (TFT-мониторы).
Экран разделен на независимые ячейки, каждая из которых состоит из четырех частей (для трёх основных цветов и одна резервная). Количество таких ячеек по широте и высоте экрана называют разрешением экрана. По компактности такие мониторы не знают себе равных; потребляют гораздо меньше электроэнергии и не излучают электромагнитных волн.
В плазменных мониторах (PDP) изображение формируется светом, выделяемым при газовом разряде в каждом пикселе экрана. Конструктивно плазменная панель состоит из трех 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 сборе заполняются инертным газом: неоном или аргоном, они и образуют пиксели. Каждый пиксель представляет собой миниатюрную лампу дневного света. Высокая яркость и контрастность, отсутствие дрожания изображения, а также большой угол отклонения от нормали, при котором изображение сохраняет высокое качество, являются большим преимуществом таких мониторов. .
К недостаткам можно отнести недостаточную разрешающую способность и достаточно быстрое ухудшение качества люминофора (5 лет при офисном использовании). Такие мониторы используются для конференций и презентаций
Электролюминесцентные мониторы (FED) состоят из двух пластин, с нанесенными на них прозрачными проводниками. На одну из пластин нанесен слой люминофора, который начинает светиться при подаче напряжения на проводники в точке их пересечения, образуя пиксель.
Самоизлучающие мониторы (LEP) используют матрицу пикселей, построенную на основе полупроводникового материала, излучающего свет при подаче на него напряжения (светодиод). Достоинства – обеспечивают 180 – градусный обзор, работают при низком напряжении, имеют малый вес.
Устройства печати Принтер — печатающее устройство. Осуществляет вывод из компьютера закодированной информации в виде печатных копий текста или графики. Основными характеристиками принтера, определяющего качество получаемого документа, являются: • разрешающая способность, измеряющаяся числом элементарных точек (dots), которые помещаются на одном дюйме (dpi). Чем выше разрешающая способность, тем точнее воспроизводятся детали изображения. Современные принтеры обеспечивают разрешение от 200 до 2880 dpi; • производительность, которая измеряется количеством страниц, изготовляемых принтером в минуту (ppm).
Существуют тысячи наименований принтеров. Но основных видов принтеров три: матричные, лазерные и струйные. Матричные принтеры используют комбинации маленьких штырьков, которые бьют по красящей ленте, благодаря чему на бумаге остаётся отпечаток символа. Каждый символ, печатаемый на принтере, формируется из набора 9, 18 или 24 игл, сформированных в виде вертикальной колонки. Недостатками этих недорогих принтеров являются их шумная работа и невысокое качество печати.
Лазерные принтеры обеспечивают наиболее качественную печать с наивысшим разрешением и скоростью. Компьютер формирует в своей памяти "образ" страницы текста и передает его принтеру. Информация о странице проецируется с помощью лазерного луча на вращающийся барабан со светочувствительным покрытием, меняющим электрические свойства в зависимости от освещённости. После засветки на барабан, находящийся под электрическим напряжением, наносится красящий порошок — тонер, частицы которого налипают на засвеченные участки поверхности барабана. Принтер с помощью специального горячего валика протягивает бумагу под барабаном; тонер переносится на бумагу и "вплавляется" в неё, оставляя стойкое высококачественное изображение. К основным параметрам лазерных принтеров относятся разрешающая способность (dpi – количество точек на дюйм), буфер печати (Мбайт), производительность (стр/мин), формат бумаги (А 4).
Струйные принтеры генерируют символы в виде последовательности чернильных точек. Печатающая головка принтера имеет крошечные сопла, через которые на страницу выбрызгиваются быстросохнущие чернила. Эти принтеры требовательны к качеству бумаги. Достоинство – высокое разрешение от 300 до 1200 dpi; высокая скорость печати до 10 ppm; бесшумность работы.
Плоттер (графопостроитель) — устройство, которое используется для вывода графической информации: чертежей, рисунков, схем или диаграмм, для получения сложных конструкторских чертежей, архитектурных планов, географических и метеорологических карт, деловых схем. Плоттеры делятся на два больших класса: векторные и растровые
Векторные используют для рисования узел, называемый пером. В качестве пера используются перья с чернилами, фломастеры, карандашные грифели и т. д. Растровые могут иметь струйный или лазерный пишущий узел.
Модем — устройство для передачи компьютерных данных на большие расстояния по телефонным линиям связи. Модем обеспечивает преобразование цифровых сигналов компьютера в переменный ток частоты звукового диапазона — этот процесс называется модуляцией, а также обратное преобразование, которое называется демодуляцией. Отсюда название устройства: модем — модулятор/демодулятор.
Для осуществления связи один модем вызывает другой по номеру телефона, а тот отвечает на вызов. Затем модемы посылают другу сигналы, согласуя подходящий им обоим режим связи. После этого передающий модем начинает посылать модулированные данные с согласованными скоростью (количеством бит в секунду) и форматом. Модем на другом конце преобразует полученную информацию в цифровой вид и передает её своему компьютеру. Закончив сеанс связи, модем отключается от линии. Управление модемом осуществляется с помощью специального коммутационного программного обеспечения
Модемы бывают внешние, выполненные в виде отдельного устройства, и внутренние, представляющие собой электронную плату, устанавливаемую внутри компьютера. Почти все модемы поддерживают и функции факсов.
Факс — это устройство факсимильной передачи изображения по телефонной сети. Название "факс" произошло от слова "факсимиле" (лат. fac simile — сделай подобное), означающее точное воспроизведение графического оригинала (подписи, документа и т. д. ) средствами печати. Модем, который может передавать и получать данные как факс, называется факс-модемом.
Скачать презентацию Общие принципы организации и работы компьютеров
Архитектура_ЭВМ.ppt