ГЛАВА 2. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭВМ

2.1. Принципы работы ЭВМ. Структура ЭВМ. Современные ЭВМ построены в соответствии с принципами, сформулированными фон Нейманом в 1945 г.:

1. Принцип программного управления: ЭВМ работает по программе, которая находится в оперативной памяти и выполняется автоматически; программы дискретны и представляют собой последовательность команд, каждая из которых осуществляет отдельный акт преобразования информации; все разновидности команд образуют систему команд машины.

2. Принцип условного перехода: При выполнении программы возможен переход к той или иной команде в зависимости от промежуточных результатов вычислений; это допускает создание циклов.

3. Принцип хранимой информации: Команды как и операнды представляются в машинном коде и хранятся в оперативной памяти. При работе команды обрабатываются устройством управления процессора, а операнды -- арифметико-логическим устройством.

4. Принцип использования двоичной системы счисления: Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на элементы, называемыми словами. В двоичной системе используются две цифры 0 и 1, что соответствует двум состояниям двустабильной системы (кнопка нажата-отпущена, транзистор открыт-закрыт, ...)

5. Принцип иерархичности ЗУ: Компромисом между необходимыми большой емкостью памяти, быстрым доступом к данным, дешевизной и надежностью является иерархия запоминающих устройств: 1) быстродействующее ОЗУ, имеющее небольшую емкость для операндов и команд, участвующих в вычислениях; 2) инерционное ВЗУ, имеющее большую емкость для информации, не участвующей в данный момент в работе ЭВМ.

Кроме того, современные ЭВМ построены в соответствии с принципами: Магистрально-модульный принцип построения: ЭВМ состоит из модулей: ЦП, ПЗУ, ОЗУ, ВЗУ, устройств ввода и вывода, подключенных к магистрали, состоящей из шин управления (шины команд), адресов и данных. При этом сокращается аппаратура, стандартизируется процедура обмена информацией, но исключается одновременный обмен между несколькими устройствами. ЦП состоит из устройства управления, арифметико-логического устройства, микропроцессорной памяти. Внутренняя память ЭВМ: ПЗУ (самотестирование и загрузка ОС), и ОЗУ (хранение оперативной информации). Внешняя память: НЖМД, НГМД, CD-ROM, DVD-ROM, Zip-диск, стример (хранение больших объемов информации). Устройства ввода: клавиатура, мышь, трекбол, сканер, цифровая фото- и видеокамера. Устройства вывода: монитор, ЖК-дисплей, звуковые колонки, принтер, ЖК-проектор.

Принцип открытой архитектуры -- компьютер не является неразъемным устройством, он может быть собран из независимо изготовленных частей. На системной плате размещены системы, обрабатывающие информацию. Блоки, управляющие всеми устройствами ЭВМ (видео, звуковая, сетевая платы и т.д.), вставляются в стандартные разъемы (слоты) на системной плате. Системный блок содержит микропроцессор, ОЗУ, контроллеры различных устройств, накопители для жесткого, гибкого и компакт дисков, блок питания.

2.2. Центральный процессор ЭВМ. Центральный процессор (ЦП) -- программно-управляемое устройство обработки информации, предназначенное для управления работой всех блоков машины и выполнения арифметических и логических операций. Функции процессора: чтение команд из ОЗУ; декодирование команд, то есть определение их назначения, способа выполнения и адресов операндов; исполнение команд; управление пересылкой информации между МПП, ОЗУ и периферийными устройствами; обработка прерываний; управление устройствами, составляющими ЭВМ. Центральный процессор состоит из устройства управления, арифметико-логического устройства, микропроцессорной памяти, интерфейсной системы.

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

Арифметико-логическое устройство АЛУ состоит из регистров памяти, сумматора и схем управления; используется для выполнения арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией. Для увеличения скорости работы АЛУ подключают математический сопроцессор.

Сумматор -- электрическая схема, складывающая поступающие на вход двоичные машинные слова (по 2 байта). Включает в себя два регистра быстродействующей памяти, в которые из шины данных помещают два слагаемых. После суммирования в одном из регистров памяти записывается результат, который и передается в шину данных.

Микропроцессорная память -- память небольшой емкости, но чрезвычайно высокого быстродействия (время обращения к МПП примерно 1 нс). Состоит из регистров с разрядностью не менее машинного слова.

Интерфейс -- совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их взаимодействие. Интерфейсная система микропроцессора -- внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры, схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной. Она реализует сопряжение и связь с другими устройствами ЭВМ.

Основные характеристики микропроцессора: 1) разрядность шины данных, то есть количество битовых разрядов, обрабатываемых за один такт и пересылаемых в ОЗУ; 2) разрядность шины адреса, определяющий максимальный объем адресуемой ОЗУ; 3) тактовая частота.

Тип	Год	Частота, МГц	Шина данных	Шина адреса	Адресуемое ОЗУ
8086	1978	4-12	16	20	1 Мб
80286	1982	8-20	16	24	16 Мб
80386	1985	25-40	32	32	4 Гб
80486	1989	33-50	32	32	4 Гб
Pentium	1993	75-300	64	32	4 Гб
Pentium I	1997	300-400	64	32	4 Гб
Pentium II	1999	450-500	64	32	4 Гб

Сейчас в ЭВМ используются 32- и 64-разрядные процессоры. Разрядность шины данных микропроцессора определяет разрядность ЭВМ в целом. Разрядность шины адреса процессора задает его адресное пространство, то есть максимальное количество ячеек ОЗУ, которое может непосредственно адресовано микропроцессором. Если шина имеет разрядов, то адресное пространство -- ячеек емкостью в 1 байт. Если шина адреса имеет 16 или 32 разряда, то объем адресного пространства МП равен байт Кбайта или байт Гбайта.

2.3. Иерархия памяти ЭВМ. Память ЭВМ должна иметь большую информационную емкость , малое время обращения (высокое быстродействие), высокую надежность и низкую стоимость. Но с увеличением емкости снижается быстродействие и растет стоимость. Деление памяти на ОЗУ и ВЗУ не снимает это противоречие полностью, так как различие в быстродействии процессора, ОЗУ и ВЗУ очень велико. Поэтому обмен информацией производится через дополнительные буферные устройства, то есть память ЭВМ имеет иерархическую многоуровневую структуру. Чем больше быстродействие ЗУ, тем выше стоимость хранения 1 байта, тем меньшую емкость имеет ЗУ.

Виды памяти: 1) регистры микропроцессорной памяти, а также кэш-память первого и второго уровня ( с, бит); 2) внутренняя память ПЗУ, ОЗУ ( с, бит); 3) внешняя память ( с, бит); 4) массовая или архивная память ( с, бит).

Эта система запоминающих устройств работает как единое ЗУ с большой емкостью (за счет внешних ЗУ) и высоким быстродействием (за счет внутренних ЗУ).

Микропроцессорная память -- высокоскоростная память небольшой емкости, входящая в МП и используемая АЛУ для хранения операндов и промежуточных результатов вычислений. КЭШ-память -- это буферная, не доступная для пользователя память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в медленно действующих запоминающих устройствах. Для ускорения операций с основной памятью организуется регистровая КЭШ-память внутри микропроцессора (КЭШ-память первого уровня) или вне микропроцессора на материнской плате (КЭШ-память второго уровня); для ускорения операций с дисковой памятью организуется КЭШ-память на ячейках электронной памяти.

Внутренняя память состоит из ПЗУ (ROM -- Read Only Memory) и ОЗУ (RAM -- Random Access Memory -- память с произвольным доступом). ПЗУ состоит из установленных на материнской плате микросхем и используется для хранения неизменяемой информации: загрузочных программ операционной системы (ОС), программ тестирования устройств компьютера и некоторых драйверов базовой системы ввода-вывода (BIOS -- Base Input-Output System) и др. Из ПЗУ можно только считывать информацию, емкость ПЗУ -- сотни Кбайт. Это энергонезависимая память, -- при отключении ЭВМ информация сохраняется.

Внешняя память относится к внешним устройствам ЭВМ и используется для долговременного хранения любой информации, которая может потребоваться. В ВЗУ хранится программное обеспечение ЭВМ. Внешняя память: НЖМД и ЖМД, НГМД и ГМД (магнитный диск), стример (НМЛ -- накопитель на магнитной ленте), оптические накопители для CD-ROM и DVD-дисков.

Информационная структура внешней памяти -- файловая. Наименьшей именуемой единицей является файл, -- наименованная совокупность однородных данных. Информация в файле состоит из битов и байтов, но они не имеют адресов, так как носитель (магнитный диск) не дискретный.

2.4. Организация внутренней памяти. ОЗУ предназначено для хранения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в работе ЭВМ в текущий или в последующие моменты времени. ОЗУ - энергозависимая память, то есть при отключении питания записанная в нем информация теряется. ОЗУ - БИС, содержащие матрицу ячеек памяти, состоящих из триггеров -- полупроводниковых запоминающих элементов, которые способны находиться в двух устойчивых состояниях, соответствующих логическим нулю и единице.

Внутренняя память дискретна, ее информационная структура представляет собой матрицу двоичных ячеек, в каждой из которых хранится по 1 биту информации. Она адресуема: каждый байт (8 ячеек по 1 биту) имеет свой адрес -- порядковый номер. Доступ к байтам ОЗУ происходит по адресам. Так как ОЗУ позволяет обратиться к произвольному байту, то эта память называется памятью произвольного доступа (Random Access Memory).

ОЗУ ЭВМ подразделяется на две области: 1) непосредственно адресуемая память емкостью 1024 Кбайт, занимающая ячейки с адресами от 0 до 1024 Кбайт; 2) расширенная память с адресами 1024 Кбайт и выше, доступ к которой возможен при использовании специальных программ (драйверов). Стандартная память - непосредственно адресуемая память от 0 до 640 Кбайт. Верхняя память - непосредственно адресуемая память от 640 до 1024 Кбайт. Она зарезервирована для видеопамяти и работы ПЗУ.

Адреc	Содержимое байта
0001h	лог. 0	лог. 1	лог. 0	лог. 1	лог. 1	лог. 1	лог. 0	лог. 0
0002h	лог. 1	лог. 1	лог. 0	лог. 1	лог. 0	лог. 0	лог. 1	лог. 1
:	:	:	:	:	:	:	:	:
FFFFh	лог. 0	лог. 0	лог. 1	лог. 0	лог. 1	лог. 0	лог. 1	лог. 1

Преимущества ОЗУ: высокое быстродействие и прямой адресный доступ к ячейке. Недостаток ОЗУ: небольшая емкость (16-32-64-128-256-512 Мбайт), энергозависимость.

Оперативная память включает в себя сравнительно медленную динамическую память DRAM и быструю статическую память SRAM. Центральный процессор работает быстрее DRAM, поэтому ОЗУ большого объема на DRAM используют совместно с небольшой кэш-памятью на SRAM. Кэш-память 1 уровня находится внутри процессора, а 2 уровня - вне процессора на системной плате.

Динамическая память DRAM состоит из запоминающих ячеек, выполненных в виде конденсаторов, собранных в ИС и образующих двумерную матрицу. При записи логической 1 соответствующий конденсатор заряжается, а при записи 0 -- разряжается. Схема считывания разряжает через себя конденсатор, и чтобы записанная информация сохранилась, подзаряжает его до прежнего уровня. Со временем конденсатор разряжается, информация теряется, поэтому такая память требует периодической подзарядки (регенерации), то есть может работать только в динамическом режиме.

Статическая память SRAM при наличии питания хранит информацию сколь угодно долго. Состоит из триггеров - элементов с двумя устойчивыми состояниями. Статическая память SRAM имеет время доступа 1-10 нс, и поэтому может работать на частоте системной шины ЭВМ. Используется для кэширования ОЗУ.

ПЗУ (ROM) состоит из ИС, программируемых в процессе изготовления или после него. Различают: 1) масочные ПЗУ, их содержимое определяется рисунком технологического шаблона (быстродействие 30-70 нс); 2) однократно программируемые ПЗУ, запись информации в которые осуществляется путем прожигания ячеек памяти в специальных устройствах - программаторах; 3) репрограммируемые ПЗУ, которые могут быть перепрограммированы. Наиболее распространены ПЗУ, информация в которых стирается ультрафиолетовыми лучами.

2.5. Системная шина и другие устройства ЭВМ. Системная шина -- основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Она включает в себя провода, разъемы и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода операнда, адреса ячейки памяти или команды. Системная шина включает в себя: кодовую шину данных (КШД); кодовую шину адреса (КША); кодовую шину команд (КШК); шину питания, имеющую провода и схемы подключения для блоков ПК к системе энергопитания.

Шины ЭВМ характеризуются разрядностью и скоростью передачи информации (байт/с). Разрядность шины -- число проводов, по которым передаются двоичные сигналы. Разрядность шины данных обычно такая же как у микропроцессора.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации: 1) между микропроцессором и ОЗУ; 2) между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств (клавиатура, монитор); 3) между ОЗУ и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Внутримашинный системный интерфейс -- система связи узлов и блоков ЭВМ, представляющий собой совокупность шин, проводов и схем сопряжения с компонентами компьютера. В качестве системного интерфейса используются шины расширения и локальные шины. Шины расширения используются для большого числа разнообразных устройств и предназначены для расширения функциональных возможностей ЭВМ (шины ISA, EISA, MCA). Локальные шины обеспечивают связь процессора с ОЗУ, ВЗУ, видеосистемой и т.д. (шины VLB и PCI).

Математический сопроцессор используется для ускоренного выполнения операций над двоичными числами с плавающей запятой, над двоично-кодированными числами, для вычисления некоторых трансцендентных функций.

Прямой доступ к памяти (DMA -- Direct Memory Access) -- способ обмена данными, при котором передача данных между основной памятью и внешними устройствами осуществляется минуя процессор. Контроллер прямого доступа к памяти освобождает ЦП от прямого управления накопителями на магнитных дисках, что повышает быстродействие ЭВМ. Без него обмен данными между ВЗУ и ОЗУ осуществляется через ЦП, а при его наличии данные непосредственно передаются между ВЗУ и ОЗУ, минуя ЦП.

Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с ЦП значительно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств (дисплей, принтер, НМЖД, НМГД и др.); освобождает ЦП от обработки процедур ввода-вывода в том числе реализует и режим прямого доступа к памяти.

Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, то есть временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент более важной (приоритетной) программы. Аппаратные прерывания инициируются аппаратурой (сигналом от принтера, таймера, нажатием клавиши). Логические прерывания возникают при нестандартной ситуации ЦП (деление на нуль, переполнение регистров). Программные прерывания появляются, когда одна программа хочет получить доступ к аппаратным средствам. Контроллер прерываний принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень его приоритета и выдает соответствующий сигнал в центральный процессор. Процессор приостанавливает выполнение исполняемой программы и переходит к выполнению программы обслуживания прерывания, запрошенного внешним устройством. По окончания программы обслуживания вознобновляется выполнение прерванной программы.

Процедуры ввода-вывода информации выполняются по прерываниям. Таймер более десятка раз в секунду вырабатывает импульсы, опрашивающие устройства ввода (клавиатуру, мышь и т.д.). Перемещения мыши, нажатие кнопок клавиатуры регистрируется ЭВМ.

Генератор тактовых импульсов ГТИ генерирует последовательность электрических импульсов. С каждым тактом ЭВМ совершает одну операцию: пересылает число, выполняет команду, осуществляет математическую операцию.

Источником питания являются сетевой блок питания и аккумулятор. Таймер -- электронный секундомер, обеспечивающие отсчет текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды, доли секунд). Таймер подключен к аккумулятору и продолжает работать при выключении ЭВМ.

Системный блок обычно включает в себя системную плату, блок питания, накопители на дисках, разъемы для дополнительных устройств и платы расширения с контроллерами (адаптерами) внешних устройств. На системной плате размещаются: микропроцессор; математический сопроцессор; генератор тактовых импульсов; блоки (микросхемы) ОЗУ и ПЗУ; контроллеры (адаптеры) клавиатуры, НЖМД, НГМД; контроллер прерываний; таймер и др. Остальные устройства (монитор, принтер, клавиатура и др.) подключаются к системному блоку.

2.6. Магнитные запоминающие устройства. Носитель информации -- материальный объект, используемый для хранения информации. Различают бумажные носители (перфокарты, перфоленты), магнитные носители (ленты, диски, барабаны) и оптические носители (лазерные диски).

Накопитель -- механическое устройство, управляющее записью, хранением и считыванием данных. Различают накопители на гибких магнитных дисках НГМД и накопители на жестких магнитных дисках НЖМД, накопители на оптических и магнитооптических дисках (НОД).

Накопитель на жестком магнитном диске НЖМД состоит из нескольких магнитных дисков МД, насаженных на один вал двигателя, вблизи которых расположены магнитные головки, связанные с механическим приводом. Информацию на МД записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей - дорожек (треков). Цилиндр -- совокупность дорожек МД, равноудаленных от его центра. Каждая дорожка МД разбита на секторы -- области, определяемые идентификационными метками и номером. В одном секторе дорожки может быть помещено 128, 256, 512 или 1024 байта, но обычно 512 байт данных. Обмен данными между НМД и ОЗУ осуществляется последовательно целым числом секторов. Кластер -- минимальный объем размещения информации на диске, воспринимаемый операционной системой, он состоит из одного или нескольких смежных секторов дорожки. Форматирование диска -- разметка на диске дорожек и секторов, маркировка дефектных секторов, запись служебной информации.

Файл -- область внешней памяти (НГМД, НЖМД, НОД), используемая для хранения массива однотипных данных (текстовых, графических, звуковых и т.д.). Каждому файлу выделяется целое число кластеров, которые могут находиться в любом месте диска, то есть необязательно быть смежными. Файлы, хранящиеся в разбросанных по диску кластерах, называют фрагментированными. Процедура перезаписи информации, при которой файлы размещаются в последовательных секторах на смежных дорожках, называется дефрагментацией диска.

НГМД с форм-фактором 3,5" имеют емкость 1,44 Мбайт, емкость сектора 512 байт, доступ к информации 0,1-1 c, скорость чтения/записи 50 кбайт/с. НЖМД имеет емкость 20-40 Гбайт, время доступа 1-100 мс, скорость чтения/записи 1 Мбайт/с, скорость вращения 3600 об/мин. Емкость Zip-дисков - 100 Мбайт и выше. Емкость компакт-диска CD-ROM - 700 Мбайт.

В машинах-серверах и суперЭВМ применяются дисковые массивы RAID (Redundant Array of Independent Disks -- матрица с резервируемыми независимыми дисками), в которых несколько накопителей на жестких дисках объединены и образуют один большой диск.

Накопитель на магнитной ленте (стример) состоит из лентопротяжного механизма, магнитной ленты и магнитной головки. Кассеты с магнитной лентой (картриджи) имеют емкость более 2000 Мбайт. Стримеры имеют высокую инерционность, используются для резервного копирования и архивирования информации.

2.7. Оптические и магнитооптические запоминающие устройства. В оптических ЗУ запись и считывание осуществляется с помощью источника света. Накопители на оптических дисках (НОД) включают в себя источник (лазер) и приемник света, оптическую запоминающую среду, модулятор светового пучка, поляризационную призму. Компакт-диск состоит из жесткой прозрачной основы, на которую нанесен рабочий и защитный слой. При записи (воспроизведении, стирании) диск вращается, а луч лазера, сфокусированный на дорожку, перемещается вдоль радиуса вращающегося диска.

Преимущества CD-ROM: высокая плотность записи (до бит/см), отсутствие механического контакта при работе, долговечность записи, надежность, небольшие размеры. CD-ROM имеют емкость от 50 Мбайт до 1,5 Гбайт, время доступа от 30 до 300 мс, скорость считывания информации от 150 до 1500 Кбайт/с. Применяемые компакт-диски имеют диаметр 3,5" и 5,25" (1''=1 дюйм=2,53 см).

Неперезаписываемые лазерно-оптические диски или компакт-диски ПЗУ CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory) поставляются фирмой-изготовителем с уже записанной информацией. Для их изготовления создается первичный мастер-диск: в специальном устройстве лазерным лучем большой мощности выжигают на рабочем слое диска след -- дорожку с микроскопическими впадинами. Тиражирование CD-ROM осуществляется путем литья под давлением по мастер-диску. В НОД записанная на CD-ROM информация считывается лазерным лучом меньшей мощности, который отражаясь от углублений изменяет свою интенсивность.

Также используются перезаписываемые лазерно-оптические диски с однократной (CR-R) и многократной (CD-RW) записью. В процессе записи лазерный луч в специальном дисководе ПК прожигает микроуглубления под защитным слоем, либо изменяет оптические свойства рабочего слоя.

При записи или стирании информации на перезаписываемые магнитооптические диски лазерный луч используется для местного разогрева поверхности диска с последующим намагничиванием магнитной головкой. Считывание информации производится лазерным лучом меньшей мощности, при отражении которого от намагниченного участка изменяется ориентация плоскости поляризации. Это регистрируется с помощью анализатора и фотоприемника.

Магнитооптические диски с однократной записью отличаются от обычных тем, что на их контрольные дорожки наносятся специальные метки, запрещающие стирание и повторную запись. Емкость магнитооптических дисков достигает нескольких Гбайтов, время доступа от 15 до 150 мс, скорость считывания до 2000 Кбайт/с. Недостаток -- высокая цена.

DVD-диск (Digital Versatile Disk) -- цифровой многофункциональный диск. Носителем информации является диск диаметром 120 мм толщиной 1,2 мм. Внешне похож на CD. Бывают DVD-диски односторонние, двухсторонние, с одним и двумя рабочими слоями с каждой стороны. Однослойный односторонний DVD-диск имеет емкость 4,7 Гбайт, двухслойный односторонний -- 8,5 Гбайт, двухслойный двухсторонний диск -- 17 Гбайт.

Основным элементом голографических ЗУ является запоминающая голографическая матрица, состоящая из небольших голограмм (диаметром 2-5 мм), на каждой из которых может быть записано до бит информации. Считывание осуществляется многоэлементным фотоприемным устройством.

Дисковая система памяти на одномерных голограммах состоит из голографического диска, лазера, голографического расщепителя, многоканального модулятора света, системы линз и многоканального фотоприемника. На диск нанесена голографическая дорожка, состоящая из последовательности голограмм. Расщепитель (дифракционная решетка) расщепляет лазерный луч на насколько лучей. Модулятор света последовательно пропускает лучи, которые вместе с опорным лучом создают интерференционную картину, регистрируемую фотослоем диска. При считывании голограмма освещается лазером, за ней возникает дифракционная картина, на соответствующие фотоприемники падает свет.

2.8. Устройства ввода. К устройствам ввода информации относятся: клавиатура, мышь, трекбол, джойстик, графические планшеты, световое перо, сенсорные экраны, сканер, микрофон, цифровой фотоаппарат, видеокамера.

Клавиатура -- устройство ручного ввода информации в ЭВМ, состоящее из совокупности клавиш различного назначения и схемы сопряжения. Курсор -- символ (прямоугольник или жирная черта), указывающий позицию на экране дисплея, в которой будет отображаться очередной выведенный на экран символ. Драйвер клавиатуры -- специальная программа, обеспечивающая отображение на экране монитора символа, набранного на клавиатуре. Контроллер клавиатуры -- устройство сопряжения клавиатуры с ЭВМ. Он тестирует клавиатуру при включении ЭВМ; опрашивает состояния клавиш; запоминает до 20 отдельных скан-кодов клавиш; преобразует скан-коды нажатых клавиш в коды ASCII. При нажатии (отпускании) клавиши контроллер запоминает код нажатия (отпускания). Одновременно поступает запрос на соответствующее аппаратное прерывание. При выполнении прерывания скан-код преобразуется в код ASCII, и оба кода (скан-код и ASCII-код) пересылаются в соответствующее поле ОЗУ машины. Если клавиша нажата более 0,5 с, то генерируются повторные коды нажатия.

Манипуляторы (устройства указания): джойстик - рычаг, мышь, трекбол - шар в оправе, световое перо, геймпад и др.

Мышь -- устройство ввода, представляющий собой коробку с кнопками, перемещении которого по поверхности стола вызывает перемещение указателя на экране. Если разрешение мыши 900 dpi (dots per inch -- точек на дюйм), то при ее перемещении на 1 дюйм влево микроконтроллер выдет сигнал о смещении на 900 единиц влево. Драйвер мыши обеспечивает соответствующее смещение курсора.

На нижней стороне оптико-мехнической мыши имеется отверстие, в котором находится шарик диаметром 1,5-2 см. Шарик касается двух взаимно перпендикулярных валиков горизонтального и вертикального перемещения. Каждый валик связан с диском, имеющим растровые прорези. По обе стороны каждого диска напротив друг друга расположены по два светодиода и два фотодиода. При перемещении мыши по коврику шарик поворачивает соответствующий валик с диском, фотодиоды периодически освещаются и затемняются, на их выходах появляются импульсы напряжения. Они преобразуются микроконтроллером в совместимые с ЭВМ данные и передаются на материнскую плату. Существуют мыши, подключаемые к системной шине, оптические, инфракрасные мыши и радиомыши.

Трекбол представляет собой перевернутую мышь. В нем обычно используется оптико-механический принцип ввода данных. Применяется в ноутбуках.

Джойстик -- манипулятор выполненный в виде ручки с кнопкой, укрепленной на шарнире. Используется в играх. Цифровой джойстик регистрирует поворот ручки управления влево, вправо, вверх, вниз и состояние кнопки "огонь". Аналоговый джойстик реагирует на небольшие движения управляющей ручки.

Световое перо содержит светодиод, регистрирующий изменения яркости в том месте экрана, куда им указывает пользователь. По запаздыванию сигнала с фотодиода по отношению к пилообразным колебаниям, формируемым генераторами кадровой и строковой разверток, определяется точка, на которую указывает перо.

Графический планшет -- устройство для ввода контурных изображений. На рабочую поверхность кладут лист бумаги и на ней рисуют изображение. Планшет имеет большое число микропереключателей, срабатывающих под давлением карандаша. Изображение записывается в память и может быть воспроизведено.

Сканер -- это устройство ввода в ЭВМ графической информации непосредственно с бумажного документа. Черно-белые сканеры могут считывать штриховые изображения и полутоновые. Цветные сканеры работают и с черно-белыми, и с цветными оригиналами. В цветных сканерах используется цветовая модель RGB (красный-зеленый-синий): сканируемое изображение освещается от последовательно зажигаемых трехцветных ламп; сигнал, соответствующий каждому основному цвету, обрабатывается отдельно. Число передаваемых цветов колеблется от 256 до 65536 (стандарт High Color) и даже до 16,7 млн. (стандарт True Color). Разрешающая способность сканеров составляет от 75 до 1600 dpi (точек на дюйм).

Файл, создаваемый сканером в памяти машины, называется битовой картой. Существуют два формата представления графической информации в файлах компьютера: растровый формат и векторный. В растровом формате графическое изображение запоминается в файле в виде мозаичного набора множества точек (нулей и единиц), соответствующих пикселям отображения этого изображения на экране дисплея. В векторном формате задаются координаты точек (их радиус-векторов) и их цвета. При необходимости координаты X, Y умножаются на коэффициент и рисунок меняет размеры. В текстовом формате информация идентифицируется кодами шрифтов, символов, абзацев и т.п.

Программы распознавания образов распознает считанные сканером с документа битовые (мозаичные) контуры символов (букв и цифр) и кодирует их ASCII-кодами, переводя в удобный для текстовых редакторов векторный формат.

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 жидко-кристаллический дисплей, который является видоискателем и позволяет просматривать содержимое памяти. Цифровая видекамера (видеокодак) получает последовательность фотографий с частотой 25-30 кадров/с и записывает их в видеофайл. Параллельно идет запись звука.

2.9. Устройства вывода: мониторы, проекторы. К устройствам вывода информации относятся монитор, проектор, принтер. Видеосистема состоит из монитора и видеоконтроллера (видеоадаптера). Видеоконтроллер устанавливается на системную плату и содержит блок управления, видеопамять, ПЗУ (матрицы знаков), блок сопряжения с монитором, графический и 3D-ускоритель, выполняющие вычисления без центрального процессора ЭВМ.

Мониторы на ЭЛТ содержат электронно-лучевую трубку, генераторы строчной и кадровой разверток, формирующих растр -- набор горизонтальных линий, заполняющий экран, блок питания. Размер экрана монитора задается обычно величиной его диагонали в дюймах: от 10 до 21 дюйма (обычно 15-17 дюймов). Частота кадровой развертки -- 70-80 Гц; частота строчной развертки -- 40-50 кГц. Разрешающая способность монитора: 320 x 200, 640 x 480, 800 x 600, 1024 x 768. Качество изображения также зависит от размера зерен люминофора, которые образую ряд: 0,42 мм; 0,39 мм; 0,31 мм; 0,28 мм; 0,26 мм. Различают монохромные и цветные мониторы.

Плазменные мониторы состоят из трех пластин, на две из которых нанесены система вертикальных и горизонтальных прозрачных проводников (2-4 проводника на 1 мм), а в третьей пластине, расположенной между ними, -- отверстия, заполненные инертным газом. Вертикальные и горизонтальные проводники образуют координатную сетку, при подаче на них напряжения светятся элементы изображения - пикселы. Разрешающая способность 512 x 512, 1024 x 1024 пиксел.

Электролюминесцентные мониторы имеют координатную сетку и пластину покрытую люминофором. При подаче напряжения на координатные шины наблюдается свечение люминофора под воздействием электрического поля.

Жидкокристаллические мониторы состоят из элементов на жидких кристаллов, которые изменяют свои оптические свойства при подаче напряжения. ЖК мониторы пассивные, работают либо в проходящем, либо в отраженном свете. Преимущества: небольшие габариты, изображение плоское не мерцает, излучение отсутствует, потребляемая мощность мала.

Жидкокристаллический проектор содержит три матрицы, состоящих из жидкокристаллических элементов: красную, зеленую и голубую (RGB), расположенные друг над другом и подключенный к специальному устройству, связанному с ЭВМ. Под матрицами находится мощный источник света с коллиматором, - системой линз, обеспечивающей равномерную освещенность. Над матрицами расположен объектив, проецирующий матрицы на экран. В зависимости от поступающего из ЭВМ сигнала изменяется прозрачность тех или иных жидкокристаллических элементов матриц. В результате формируется цветная картина, проецируемая объективом на экран.

2.10. Устройства вывода: принтеры. Принтеры (печатающие устройства) -- это устройства вывода данных из ЭВМ, преобразующие ASCII-коды в соответствующие им графические символы буквы, цифр и т.п.) и печатающие их на бумаге. Принтеры различаются по следующим признакам: цветность (черно-белые и цветные); способ формирования символов (знакопечатающие и знакосинтезирующие); принцип действия (матричные, термические, струйные, лазерные); способы печати (ударные, безударные) и формирования строк (последовательные, параллельные); ширина каретки; длина печатной строки (80 и 132-136 символов); набор символов; скорость печати; разрешающая способность в точках на дюйм.

Печать у принтеров может быть посимвольная, построчная, постраничная. Скорость печати варьируется от 10-300 зн/с (ударные принтеры) до 500-1000 зн/с и даже до нескольких десятков (до 20) страниц в минуту (безударные лазерные принтеры); разрешающая способность -- от 3-5 точек на миллиметр до 30-40 точек на миллиметр (лазерные принтеры).

В игольчатых (ударных) матричных принтерах печать точек осуществляется тонкими иглами, ударяющими бумагу через красящую ленту. Каждая игла управляется собственным электромагнитом. Печатающий узел перемещается в горизонтальном направлении, и знаки в строке печатаются последовательно. Многие принтеры выполняют печать как при прямом, так и при обратном ходе. Количество иголок в печатающей головке определяет качество печати. Недорогие принтеры имеют 9 игл. Матрица символов в таких принтерах имеет размерность 7x9 или 9x9 точек. Более совершенные матричные принтеры имеют 18 игл и даже 24.

Термопринтеры оснащены печатающей головкой с термоматрицей и использующих при печати специальную термобумагу или термокопирку (недостаток).

Струйные принтеры в своей печатающей головке содержат тонкие трубочки - сопла (от 12 до 64), через которые на бумагу выбрасываются мельчайшие капельки красителя. Современные струйные принтеры обеспечивают разрешающую способность до 20 точек/мм и скорость печати до 500 зн/с. Имеются цветные струйные принтеры.

В лазерных принтерах применяется электрографический способ формирования изображений, используемый в ксероксах. Лазер освещает предварительно заряженный светочувствительный барабан, формируя на нем электростатическое изображение. На барабан наносится краситель (тонер), налипающий на заряженные участки, и выполняется печать - перенос тонера с барабана на бумагу. Закрепление изображения на бумаге осуществляется путем разогрева тонера до плавления.

Лазерные принтеры обеспечивают качественную печать с разрешением до 50 точек/мм (1200 dpi) и скоростью до 1000 зн./с. Широко используются цветные лазерные принтеры.

2.11. Звуковая и сетевая платы, модем. Первые ПК были оснащены встроенным динамиком, который мог выдавать примитивные звуки. Современный ПК имеет звуковую плату (Sound Card), - устройство, связывающее системную плату с микрофоном, динамиком и джойстиком, и используемую для звукового сопровождения мультимедийных программ и компьютерных игр. Звуковая плата (адаптер) содержит аналого-цифровой преобразователь, цифро-аналоговый преобразователь, усилитель, игровой порт для джойстика.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) -- схема, преобразующая аналоговый (непрерывный) сигнал в цифровой. Аналоговый сигнал, поступающий с микрофона на вход АЦП нормируется по амплитуде, квантуется по уровню и кодируется. На выходе получается сигнал, напряжение которого изменяется дискретно. Чем выше частота дискретизации, тем точнее записывается, а затем и воспроизводится звуковой сигнал. Разрешающая способность АЦП -- наименьшее изменение аналогового сигнала, приводящее к изменению цифрового кода. 8-ми разрядный АЦП квантует сигнал по величине на 256 уровней, 16-разрядный -- на 65536 уровней. Преимущество цифровой записи сигнала в том, что сигнал записывается в виде последовательности двоичных чисел, сохранение и копирование которых производится без потери качества.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) -- устройство, преобразующее цифровой сигнал в аналоговый. В звуковой карте ЦАП используется для воспроизведения оцифрованного звука. Чтобы сгладить ступеньки напряжения на выходе ЦАП применяют специальные фильтры.

Модем (модулятор-демодулятор) -- устройство для передачи информации по телефонной линии. Модулятор преобразует посылаемый от ЭВМ двоичный сигнал в аналоговый с частотной или фазовой модуляцией. Демодулятор осуществляет обратное преобразование поступающего сигнала, извлекая из него двоичную информацию и передавая ее в принимающую ЭВМ. Факс-модем передает и принимает изображения документов. Голосовой модем оцифровывает звуковой сигнал и передает его по линии связи.

Сетевой адаптер -- специальная плата, устанавливаемая в шину расширения на системной плате и используемая для подключения ЭВМ к сети. Функции сетевого адаптера: синхронизация, кодирование и декодирование сигналов, расчет контрольной суммы для проверки правильности передачи данных.

2.12. Передача данных по сети. В компьютерных системах используются два способа связи: параллельный и последовательный. Параллельный способ передачи данных предполагает одновременную передачу всех битов машинного слова и требует использования шины. Шина представляет собой линию связи, состоящую из проводников, количество которых равно числу битов (разрядность шины). Между блоками компьютера используются 16 и 32 разрядные шины. Пропускная способность шины в бит/c равна где -- тактовая частота, -- разрядность шины, -- число тактов, в течение которых осуществляется передача машинного слова. При МГц и скорость передачи бит/c.

Последовательный способ используется для передачи информации на большие расстояния. В случае синхронной передачи одновременно с передаваемым битом посылается синхроимпульс, который управляет приемом информации. Линия связи содержит три провода: для данных, для синхроимпульсов и общий. Для передачи информации асинхронным способом не требуется синхронизация источника и приемника, линия связи содержит два провода. Перед передачей информационных битов передатчик генерирует стартовый бит, имеющий заданную длительность. В конце последовательности информационных битов посылается контрольный бит четности, после которого следует стоповый бит. Эта последовательность сигналов называется кадром. Если кадр содержит четное число единиц, то бит четности 0, иначе -- 1. При наличии ошибки приемник, сравнивая число единиц в кадре с битом четности, требует повторной передачи.

Возможны три режима передачи данных: симплексный, (только в одном направлении), полудуплексный (попеременно то в одном, то в другом направлении), и дуплексный (одновременно в обоих направлениях).

В основе сетевой архитектуры Ethernet лежит шинная топология, пропускная способность 10 Мбит/с. Передаваемые данные разделены на кадры -- пакеты длиной 64-1518 байт. Каждый кадр кроме полезных данных несет управляющую информацию: код начала кадра, адреса источника и приемника, тип протокола, поле для проверки ошибок. Каждый компьютер имеет цифровой IP-адрес (Internet Protocol) и доменный адрес. Цифровой адрес имеет 4 блока по 8 бит и вводится в десятичном формате (256.256.256.256).

2.13. Мультимедиа. Мультимедиа -- компьютерная технология, обрабатывающая и сочетающая себе текстовую, звуковую и видеоинформацию, и основанная на использовании специальных устройств (микрофона, аудиосистемы, телевизора, видеокамеры, видеомагнитофона и т.д.) Средства мультимедиа -- аппаратные и программные средства, позволяющие человеку обмениваться информацией с компьютером, используя звук, видео, графику, тексты.

Устройства ввода-вывода систем мультимедиа:

1. Устройства ввода: клавиатура, мышь, трекбол, джойстик, сканер, устройства ввода аудиосигнала, цифровые фото- и видеокамеры, TV-устройства ввода.

2. Устройства вывода: принтеры, плоттеры, электронные экраны, системы аудиовывода, системы видеовывода.

3. Устройства ввода-вывода: рабочие станции, модемы, сенсорные дисплеи, аудио-видеомагнитофоны.

4. Преобразователи информации: аналого-цифровой преобразователь, цифро-аналоговый преобразователь, системы распознавания, конверторы, системы сжатия и восстановления, TV-преобразователи.

Устройства речевого ввода-вывода -- акустические системы, позволяющие вводить информацию и управлять компьютером речью. Программное обеспечение позволяет распознавать отдельные звуки и слова, являющиеся командами.

2.14. Ближайшие перспективы развития ЭВМ. В основе современных ЭВМ -- большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС). Технология их изготовления: на напыленный слой фоторезиста наносят рисунок, который освещают, протравливают, фиксируют, закрепляют и изолируют от новых слоев. Так создается пространственная твердотельная структура. Процессор Pentium состоит из 3,5 млн. транзисторов, образующих пятислойную структуру. Минимальный размер элементов 0,25-0,13 мкм.

Согласно закону Мура, каждые полтора года плотность транзисторов в процессорах удваивается. Это приводит к повышению тактовой частоты и скорости обработки информации. Скоро будет достигнут предел, так как полупроводниковые процессоры принципиально не могут работать на частотах выше 30-40 ГГц: на высоких частотах им помешает квантовый шум (случайные колебания электронов).

Будущее за молекулярными компьютерами. В 1974 г. IBM получило вещество, молекула которого обладает свойствами диода. Из нее можно сделать аналог транзистора, а из двух -- аналог триггера. Переключения из одного состояния в другой осуществляется с помощью света или слабого электрического поля. При этом тактовая частота процессора возрастет до 1 ТГц= Гц. Возможно построение белковой памяти, создание ЭВМ на ДНК. По прогнозам первый молекулярный компьютер появится к 2015 г.

1. Информатика: Учебник / Под ред. Н.В.Макаровой. -- М.: Финансы и статистика, 1997. -- 768 c.

2. Калиш Г.Г. Основы вычислительной техники: Учебн. пособ. для средн. проф. учебных заведений. - М. Высш. шк., 2000. - 271 с.

3. Микаэлян А.Л. Оптические методы в информатике: Запись, обработка и передача информации. -- М.: Наука, 1990. -- 232 с.

4. Могилев А.В., Пак Н.И., Хеннер Е.К. Информатика: Учебн. пособие для студ. пед. вузов. - М.: Издательский центр "Академия", 2003. - 816 с.

5. Могилев А.В., Пак Н.И., Хеннер Е.К. Практикум по информатике: Учебн. пособие для студ. высш. учеб. заведений. - М.: Издательский центр "Академия", 2002. - 608 с.

6. Новиков Ю.Н., Новиков Д.Ю., Черепанов А.C., Чуркин В.И. Компьютеры, сети, Интернет. Энциклопедия. - СПб.: Питер, 2002. - 928 с.

7. Попов В.Б. Turbo Pascal для школьников: Учеб. пособие. -- М.: Финансы и статистика, 2001. -- 528 с.

8. Пятибратов А.П., Гудыно Л.П., Кириченко А.А. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. - М.: Финансы и статистика, 2002. - 512 с.

9. Рыжиков Ю.В. Информатика: лекции и практикум. - СПб.: КОРОНАпринт, 2000. - 256 с.

10. Стариченко Б.Е. Теоретические основы информатики: Учебное пособие для вузов. -- М.: Горячая линия - Телеком, 2003. -- 312 с.

11. Трофимова И.П. Системы обработки и хранения информации: Учеб. для вузов. - М.: Высш. шк., 1989. -- 191 c.