77915

ЭВОЛЮЦИЯ ЭВМ. АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПК

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Он согласовывает интерфейс FSB Front Side Bus – наружная шина процессора с внутренними линиями передачи данных адреса и управляющих сигналов. Code Cche и Dt Cche – внутренние кэши команд и данных. Регенерация происходит когда контроллер памяти системы встроенный обычно в чипсет берет перерыв и обращается ко всем строкам данных в микросхеме памяти. В DRM для хранения одного бита данных используется только один транзистор и один конденсатор поэтому по технологии DRM возможно производить достаточно компактные чипы с немалой емкостью.

Русский

2015-02-05

1.12 MB

1 чел.

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет УПИ»

ЭВОЛЮЦИЯ ЭВМ. АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПК.

Конспект лекций по дисциплине «Информатика»

Автор:

ГОУ ВПО УГТУУПИ, 2007

Екатеринбург
2007


СОДЕРЖАНИЕ

[1] Екатеринбург
2007

[2]
Эволюция ЭВМ

[3]
Аппаратное обеспечение ПК

[3.1] Материнская плата

[3.2]
Центральный процессор

[3.3] Основная память

[3.4] BIOS

[3.5] Внешние шины.

[3.6]
Графическая подсистема

[3.7]
Внешние запоминающие устройства

[3.8] Устройства ввода и управления

[3.9] Внешние интерфейсы

[3.10]
Принтеры и графопостроители.

[3.11] Сетевое оборудование.


Эволюция ЭВМ

История зарождения и развития вычислительной техники довольно коротка. Ее принято исчислять с 1833 года, когда английский математик Чарльз Бэббидж впервые проникся идеей создания механической счетной машины, использующей принципы «программного управления». Потребовалось, однако, более ста лет, чтобы эта идея, обогащенная американским математиком Дж фон Нейманом в 1945-47гг. и обеспеченная появившейся к тому времени элементной базой положила начало эры ЭВМ. С момента создания в 1947 г. первой программно управляемой ламповой машины начался бурный прогресс вычислительной техники. Совершенствование элементной базы привело к существенному снижению стоимости, энергопотребления и массогабаритных показателей ВТ, а также к повышению быстродействия и надежности. На последние два показателя также оказала влияние эволюция архитектурных решений, применяемых при конструировании вычислительной техники. Большие успехи достигнуты также в сфере периферийных устройств, что существенно облегчило общение пользователей с машинами и повысило емкость накопителей информации.

Исходя из этого, вполне закономерным явилось появление микропроцессоров и создание на их основе микро-ЭВМ, а затем – ПЭВМ. Первая персональная машина была сконструирована американской фирмой MITS и называлась «Altair 8800». По сегодняшним меркам этот компьютер, не имеющий ни монитора, ни клавиатуры, выглядит довольно странно, однако в 1975 г. «Altair» произвел революцию в мире вычислительных машин. Достаточно сказать, что MITS в первый день после анонса «Альтаира» продала машин больше, чем надеялась продать вообще. Удовольствие от обладания своим собственным персональным компьютером стоило тогда около шести тысяч долларов.

Следующая ПЭВМ была создана в буквальном смысле в гараже двумя американцами Стивом Джобсом и Стефаном Возняком в 1976 г. Она получила имя «Apple-I» и представляла собой «конструктор», допускавший, однако, подключение привычных для современного пользователя периферийных устройств. Весной 1977 г. был создан «Apple-II», имевший законченный вид и поступивший в продажу по относительно невысокой цене. Американские компании Commodore и Radio Shack к тому времени уже выпускали похожие небольшие машины, однако роль детонатора на рынке ПЭВМ суждено было сыграть именно «Apple-II». Вскоре в эту область ринулись сотни производителей ВТ, а миллионы пользователей поспешили обзавестись компьютерами, в результате мастерская «двух Стивов» превратилась в корпорацию «Apple Computers», занимающую сегодня достойное место на рынке ПЭВМ.

В начале 80-х годов в ряды производителей ПЭВМ влились такие гиганты, как IBM, Hewlett-Packard и DEC, что не могло не привести к структурным изменениям на рынке. Так, в 1981 году IBM выпустила свою первую удачную 16-разрядную модель IBM PC и с этого момента стала флагманом в производстве не только больших, но и персональных ЭВМ. В 1983 и 1984 гг. появились модели PC XT (eXtended technology) и AT (Advanced technology), которые стали неписаными стандартами в области персональных компьютеров. Многие фирмы начали производство клонов этих машин, улучшая некоторые из их характеристик или снижая стоимость. Единственной фирмой, не свернувшей с намеченного пути и не поддавшейся «давлению» IBM была и остается Apple Computers, по сей день выпускающая собственные конкурентоспособные модели машин. (Хотя последние модели Macintosh все-таки построены на процессорах Intel и используют ОС на базе FreeBSD).

В 1987 году на рынке ПК произошло новое «потрясение» - IBM объявила о создании семейства PS/2, включающего кроме 16-разрядных также и 32-разрядные модели на базе процессора Intel 80386. Однако, несмотря на попытки IBM усилить свои позиции  на рынке персональных компьютеров, фирма Compaq без лишнего шума начала выпуск 32-разрядных компьютеров на год раньше и потом очень долгое время опережала IBM в этой сфере.


Аппаратное обеспечение ПК

Глядя на компьютер, стоящий на столе, пользователь обычно видит монитор, клавиатуру, мышь и системный блок, под крышкой которого спрятаны узлы, обеспечивающие функционирование машины. Структура типичного ПК представлена на рисунке 1:

Рисунок . Структура ПК

Далее мы подробно разберем каждый из компонентов ПК. Начнем с материнской платы:


Рисунок . Структура материнской платы

Материнская плата

Материнская плата – это печатная плата с набором чипов, на которой осуществляется монтаж большинства компонентов компьютерной системы посредством различных разъёмов. Название происходит от английского motherboard, иногда используется сокращение MB или словосочетание main board — главная плата. Обычно на материнской плате располагаются разъёмы для подключения центрального процессора, графической платы, звуковой платы, жёстких дисков, оперативной памяти и других дополнительных периферийных устройств.

Все основные электронные схемы компьютера и необходимые дополнительные устройства встраиваются в материнскую плату, или подключаются к ней с помощью слотов расширения. Наиболее важной частью материнской платы является чипсет, состоящий, как правило, из двух частей — северного моста (Northbridge) и южного моста (Southbridge).  Почему «северный» и «южный»? Потому, что на структурной схеме материнской платы процессор, как правило, изображают сверху, там, где на географических картах находится север. Процессор осуществляет всю работу с остальными устройствами именно через северный мост, который располагается рядом с ним. Южный мост отвечает за работу с «второстепенной» периферией и изображается снизу. Обычно северный и южный мосты выполнены в виде отдельных микросхем. Именно северный и южный мосты определяют, в значительной степени, особенности материнской платы и то, какие устройства могут подключаться к ней.

Современная материнская плата ПК, как правило, включает в себя чипсет, согласующий работу центрального процессора и составных частей компьютера (ОЗУ, ПЗУ и портов ввода/вывода), слоты расширения форматов PCI Express, PCI, AGP, ISA а также, обычно, USB, SATA и IDE/ATA контроллеры. Большинство устройств, которые могут присоединяться к материнской плате, присоединяются с помощью одного или нескольких слотов расширения или сокетов, а некоторые современные материнские платы поддерживают беспроводные устройства, использующие протоколы IrDA, Bluetooth, или 802.11 (Wi-Fi).

Форм-фактор материнской платы — стандарт, определяющий размеры материнской платы для персонального компьютера, места ее крепления к корпусу; расположение на ней интерфейсов шин, портов ввода/вывода, сокета центрального процессора (если он есть) и слотов для оперативной памяти, а также тип разъема для подключения блока питания. Форм-фактор (как и любые другие стандарты) носит рекомендательный характер, однако подавляющее большинство производителей предпочитают его соблюдать, поскольку ценой соответствия существующим стандартам является совместимость материнской платы и стандартизированного оборудования (периферии, карт расширения) других производителей. Существует довольно большое количество разнообразных форм-факторов материнских плат, некоторые из них уже вышли из употребления, а некоторые только начинают применяться.

  •  Устаревшими считаются форм-факторы: Baby-AT; Mini-ATX; полноразмерная плата AT; LPX.
  •  Современными считаются: АТХ; microATX; Flex-АТХ; NLX; WTX.
  •  Внедряемыми считаются: Mini-ITX и Nano-ITX; Pico-ITX; BTX, MicroBTX и PicoBTX

Существуют материнские платы, не соответствующие никаким из существующих форм-факторов. Обычно это обусловлено либо тем, что производимый компьютер узко специализирован, либо желанием производителя материнской платы самостоятельно производить и периферийные устройства к ней, либо невозможностью использования стандартных компонентов (так называемый «брэнд», например Apple Computer, Commodore, Silicon Graphics, Hewlett Packard, Compaq чаще других игнорировали стандарты; кроме того, в нынешнем виде распределённый рынок производства сформировался только к 1987 г., когда многие производители уже создали собственные платформы).


Центральный процессор

CPUCentral Processing unit – центральный процессор – «сердце» ЭВМ. Он осуществляет вычисления по хранящейся в ОЗУ программе и обеспечивает общее управление компьютером.

Эволюция процессоров Intel, применяемых в ПК, происходила следующим образом. Процессор i8088, родоначальник большинства процессоров для персональных компьютеров, состоял из 29 тысяч транзисторов, производился по 3-микронной технологии и имел общую площадь подложки 33 мм2.

Улучшение технологии производства микропроцессоров позволило значительно повысить их тактовую частоту. Каждое новое поколение процессоров имеет более низкое напряжение питания и меньшие токи, что способствует уменьшению выделяемого ими тепла. Но самым главным достижением явилось то, что при уменьшении нормы технологического процесса появилась возможность значительно увеличить количество транзисторов на одном кристалле. Большее количество транзисторов, входящих в состав процессора, позволяет усовершенствовать архитектуру процессора с целью достижения еще большей производительности. Даже разрядность процессоров очень быстро увеличилась с 4 в первом процессоре (i4004, первый процессор Intel, не применялся в ПК, а был разработан по заказу фирмы Busycom для производимого ей программируемого калькулятора) до 32 в процессоре i386.

Значительной вехой в истории развития архитектуры процессоров персональных компьютеров стало появление процессора i486. Производственный техпроцесс к тому времени достиг отметки в 1 мкм, благодаря чему удалось расположить в ядре процессора 1,5 млн. транзисторов, что было почти в 6 раз больше, чем у CPU предыдущего 386-го поколения. Это позволило внедрить в архитектуру процессора поистине революционные изменения:

  •  В архитектуре процессора персонального компьютера впервые появился конвейер на пять стадий. Конвейерные вычисления были, конечно, известны задолго до появления персональных компьютеров, но высокая степень интеграции теперь позволила применить этот эффективный способ вычислений и в персональном компьютере.
  •  На одном кристалле Intel разместила и собственно процессор, и математический сопроцессор, и кэш-память L1 (подробнее о кэш-памяти см. далее), которые до этого располагались в отдельных микросхемах.

Эта революция произошла спустя 20 лет после появления первого микропроцессора, в октябре 1989 года.

486-й микропроцессор обладал достаточным для того времени быстродействием. Компьютеры с такими процессорами в некоторых случаях используются и в настоящее время. Тактовая частота процессора даже превысила тактовую частоту системной шины.

С момента выпуска 486-го процессора технологический процесс производства микропроцессоров начал развиваться бурными темпами.

Процессор следующего поколения, Pentium, появился уже не через десятилетия, а меньше чем через 4 года, в марте 1993.

Создание процессора следующего поколения стало возможным благодаря переходу на новый техпроцесс – 0,8 мкм, следствием чего явилось увеличение числа транзисторов до 3,1 млн. Основные особенности процессора:

  •  Ядро нового CPU включало уже два 5-стадийных конвейера для операций над целыми числами, позволяющих выполнить две инструкции за такт, и 8-стадийный конвейер для операций с плавающей запятой, что почти удваивало его вычислительные возможности по сравнению с 486-м процессором аналогичной частоты.
  •  Удлинение конвейера позволило увеличить тактовую частоту, хотя и создало некоторые проблемы, связанные с предсказанием ветвления выполняемых команд. Для решения этих проблем на кристалле расположили специальный буфер, Branch Target Buffer, с помощью которого реализован механизм динамического предсказания ветвления. Когда по мере исполнения внутренних инструкций встречалось ветвление (IF...ELSE или CASE 1...CASE N), в буфере запоминалась эта команда и адрес перехода. Эти данные использовались для предсказания перехода при повторном выполнении данной инструкции.

Таким образом, Pentium по всем параметрам превосходил своего предшественника – 486-й, что и предопределило применение архитектуры Pentium в процессорах до настоящего времени.

Следующей моделью, выпущенной Intel, стал процессор Pentium Pro. Его основные отличия от процессоров предыдущих поколений:

  •  Количество стадий конвейера для целочисленных операций увеличено с 5 до 14.
  •  Реализован механизм выполнения инструкций с нарушением очередности их следования (так называемое спекулятивное ветвление), что позволило Pentium Pro просматривать до 18 инструкций вперед и обрабатывать их в зависимости от их готовности, а не от порядка следования в программе.
  •  В одном корпусе с процессором реализован кэш второго уровня

Процессор Pentium Pro стал родоначальником процессоров Pentium шестого поколения. Однако изготовление процессоров такой архитектуры по технологии 0,5 мкм было очень дорого, поэтому процессор Pentium Pro использовался практически только в высокопроизводительных серверах.

Только с переходом на технологию 0,35 мкм процессоры шестого поколения нашли широкое применение. Первым в этой серии был процессор Pentium II. Правда, кэш второго уровня так и остался в виде отдельной микросхемы (хотя находился внутри корпуса процессора).  Более того, кэш работал на частоте в два раза меньшей, чем ядро процессора. Тем не менее, это был серьёзный шаг в повышении производительности, и к тому же цена процессора оказалась доступной для большинства покупателей.

При переходе на 0,25-микронный техпроцесс появился новый процессор, Pentium III, в котором было достаточно много усовершенствований, однако кэш второго уровня всё ещё работал на половинной частоте ядра процессора.

Только с появлением процессора Pentium III Coppermine, изготавливаемого по 0,18-микронной технологии, кэш второго уровня переместился в ядро процессора и стал работать на частоте ядра. Самый совершенный на сегодняшний день процессор семейства Pentium, Pentium 4, изготавливается по 0,09-микронной технологии.

Ядро нового процессора было практически полностью переработано. Совокупность технических решений, применённых в процессоре Pentium 4, даже получила собственное название: «архитектура NetBurst».

Таким образом, со времени появления первого микропроцессора норма технологического процесса уменьшилась примерно в 33 раза. За это же время количество транзисторов в процессоре увеличилась в 18 000 раз, а тактовая частота – почти в 14 000 раз.


Внутреннее устройство микропроцессора.
На рисунке 3 в качестве примера изображена структурная схема микропроцессора Intel Pentium II. Ее полный анализ выходит за рамки этого курса, однако на некоторых блоках следует остановиться подробнее. 

Рисунок . Структурная схема процессора Pentium II

  •  Bus Unit. Этот модуль отвечает за взаимодействие процессора с чипсетом. Он согласовывает интерфейс FSB (Front Side Bus – наружная шина процессора) с внутренними линиями передачи данных, адреса и управляющих сигналов.
  •  Code Cache и Data Cache – внутренние кэши команд и данных. Все обращения к подсистеме основной памяти проходят через эти два блока. Подробнее о том, что такое кэш и зачем он нужен см. раздел «Основная память»
  •  Prefetch Buffers – очереди буферов предварительной выборки команд и Instruction Decode – блок декодирования команд. Этот блок отвечает за  конвейеризацию выполнения программы.
  •  Control Unit – устройство управления. Именно в нем выполняются команды.
  •  ALU – арифметико-логическое устройство для выполнения операций над целыми числами.Pentium II содержит два целочисленных АЛУ – по одному на каждый целочисленный конвейер.
  •  Floating Point Unit – математический сопроцессор – устройство для выполнения операций над числами с плавающей запятой.

Большая часть структурной схемы (все, что находится справа от блока Bus Unit) называется процессорным ядром. Процессоры Intel, начиная с модели Pentium 4, могут содержать на одном кристалле несколько ядер, что позволяет распараллеливать вычисления на более высоком уровне, чем это позволяют делать несколько конвейеров в пределах одного ядра.

Основная память

Main memoryRAMRandom Access Memory – оперативная память, запоминающее устройство, непосредственно связанное с процессором и хранящее программы, выполняемые в текущий момент и данные, необходимые для их выполнения.

Сейчас в персональных компьютерах в качестве оперативной памяти применяются в основном различные разновидности так называемой динамической памяти (DRAM). Ячейки памяти в микросхеме DRAM - это крошечные конденсаторы, которые удерживают заряды. Именно наличием или отсутствием заряда кодируются биты. Основная проблема такой организации памяти в том, что ее содержимое нуждается в постоянной регенерации, так как в противном случае заряды с конденсаторов "стекают" и данные теряются. Регенерация происходит, когда контроллер памяти системы (встроенный обычно в чипсет) берет перерыв и обращается ко всем строкам данных в микросхеме памяти. Регенерация, естественно, занимает время, когда происходит регенерация памяти, процессор фактически ждет, ничего полезного не делая. Чем быстрее происходит регенерация, тем меньше процессорного времени теряется и тем производительнее работает система.

В DRAM для хранения одного бита данных используется только один транзистор и один конденсатор, поэтому по технологии DRAM возможно производить достаточно компактные чипы с немалой емкостью. Например, сегодня существуют чипы, базирующиеся на технологии DRAM емкостью 512 Мбит, т.е. они содержат 1/2 миллиарда транзисторов (Вы помните, что количество транзисторов в современных процессорах измеряется десятками миллионов). Но структура чипа DRAM весьма проста, представляя собой двумерную матрицу, в отличие от сложной архитектуры современного процессора. Итак, основное достоинство динамической памяти - немалая емкость при малых физических размерах чипа и небольшая цена. Применяемые в первых компьютерах и применяемые сегодня архитектуры памяти базируются в основном на динамической памяти. Давайте рассмотрим разновидности DRAM, нашедшие применение в PC, их достоинства и недостатки.

Рисунок 4. Внутренняя организация DRAM

Ячейки памяти организованы в матрицу, состоящую из строк и столбцов. Полный адрес ячейки данных включает два компонента — адрес строки (row Адрес, бит) и адрес столбца (column Адрес, бит). На рисунке представлена матрица, состоящая из 32 строк и 32 столбцов, то есть из 1024 ячеек.

Когда CPU (или устройство, использующее канал прямого доступа к памяти) обращается к памяти для чтения информации, на входы микросхемы поступает строб вывода данных ОЕ (Output Enabled), затем подается адрес строки и одновременно с ним (или с задержкой) сигнал RAS (Row Адрес, бит Strobe). Это означает, что каждая шина столбца соединяется с ячейкой памяти выбранной строки. Адрес ячейки поступает по адресным линиям (в нашем случае их десять) на дешифратор, который преобразует поступивший набор нулей и единиц в номер строки. Емкость конденсатора очень мала (доли пикофарады) и его заряд тоже мал, поэтому используется усилитель, подключенный к каждой шине столбца динамической памяти. Информация считывается со всей строки запоминающих элементов одновременно и помешается в буфер ввода-вывода.

С незначительной задержкой после сигнала RAS на входы динамической памяти подается адрес столбца и сигнал CAS (Column Адрес, бит Strobe). При чтении данные выбираются из буфера ввода-вывода и поступают на выход динамической памяти в соответствии с адресом столбца.

При считывании информации из ячеек памяти происходит ее разрушение, поэтому производится перезапись считанной информации: выходы регистра строки снова соединяются с общими шинами столбцов памяти, чтобы перезаписать считанную информацию из строки. Если ячейка имела заряд, то она снова будет заряжена еще до завершения цикла чтения. На ячейки, которые не имели заряда, напряжение не подается.

Если выполняется запись в память, то подается строб записи WE (Write Enable) и информация поступает на соответствующую шину столбца не из буфера, а с входа памяти в соответствии с адресом столбца. Таким образом, прохождение данных при записи задается комбинацией сигналов, определяющих адрес столбца и строки, а также сигналом разрешения записи данных в память.

FPM DRAM. Следующей нашедшей применение в PC модификацией DRAM, была память, которая работала в так называемом быстром страничном режиме и ее принято называть FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM) или просто FPM. Чтобы сократить время ожидания на выборку данных (на доступ), стандартная DRAM разбивается на страницы. Обычно для доступа к данным в памяти требуется указать строку и столбец адреса, что занимает некоторое время. Разбиение на страницы обеспечивает более быстрый доступ ко всем данным в пределах данной строки памяти, т.е. если изменяется лишь номер столбца, но не номер строки.

Страничная организация памяти - простая схема повышения эффективности, в соответствии с которой память разбивается на страницы от 512 байт до нескольких килобайт. Соответствующая схема обращения позволяет в пределах страницы уменьшить количество состояний ожидания.

Чтобы увеличить скорость доступа к памяти, был разработан так называемый пакетный (burst) режим доступа. Преимущества пакетного режима доступа проявляются тогда, когда доступ к памяти является последовательным (т.е. считывание происходит последовательно одно за другим из соседних ячеек). После задания строки и столбца и считывания информации, к следующим трем соседним адресам можно обращаться без дополнительных циклов ожидания. Однако доступ в таком пакетном режиме ограничивается лишь четырьмя операциями чтения-записи, затем необходимо снова полностью адресоваться к строке и столбцу.

Принято говорить о схеме синхронизации доступа в пакетном режиме в виде x-y-y-y, где х - количество тактов ожидания для произведения чтения первого адреса, а затем y - количество тактов ожидания для чтения каждого следующего адреса в пакетном режиме.

Архитектура DRAM такова, что для получения доступа в первый раз необходимо 5 тактов ожидания. Если не разбивать память на страницы и не пользоваться пакетным режимом доступа, то каждая следующая операция получения доступа к следующей ячейке памяти тоже будет занимать 5 тактов ожидания. Однако если пользоваться разбиением на страницы и режимом burst, то, получив доступ первый раз, потратив на это 5 тактов ожидания, содержимое следующих ячеек можно считать, потратив на это лишь по три такта ожидания, т.е. в режиме FPM схема доступа имеет вид не 5-5-5-5, как у обычной DRAM, а 5-3-3-3. В этом и состоит преимущество памяти типа FPM перед обычной DRAM. Т.е. использование памяти типа FPM позволяет при той же частоте работы чипов памяти увеличить производительность обмена за счет сокращения времени на получение доступа к памяти.

EDO DRAM. Начиная с 1995 года, в PC используется новый тип оперативной памяти - EDO (Extended Data Out). Это усовершенствованный тип памяти FPM, у него было еще одно название, которое сейчас не используется – Hyper Page Mode. Микросхемы памяти EDO учитывают перекрытие синхронизации между очередными операциями доступа. За счет этого удается частично совместить по времени следующий цикл чтения с предыдущим, т.е. чипсет при работе с EDO памятью может начать выполнение новой команды выборки столбца, пока данные считываются по текущему адресу, за счет чего еще уменьшаются задержки на получение доступа.

Для оперативной памяти EDO схема синхронизации в пакетном режиме имеет вид 5-2-2-2, т.е. на четырех операциях считывания тратится не 14, а 11 тактов. Т.е. налицо явный прирост производительности, в то время как стоимость чипов типа EDO лишь немного отличалась от чипов FPM.

Пока что все рассмотренные нами архитектуры были лишь вариантами оригинальной DRAM, отличаясь схемой доступа в пакетном режиме, что, конечно, давало соответствующий прирост производительности. Частоты, на которых функционировала память перечисленных типов примерно таковы: DRAM функционировала с частотой  от 4,77 МГц (в первых PC) до 10-12 МГц. Затем начала применяться память типа FPM, ее частота функционирования составляла 10-40 МГц в 386 системах, 25-50 МГц в 486 системах и 50-66 МГц в Pentium системах. Память типа EDO применялась наряду с FPM в 486 и Pentium системах на аналогичных частотах.

SDRAM. Уже начиная с 1997 года на смену памяти типа FPM и EDO приходит новый тип оперативной памяти: SDRAM (Synchronous DRAM) - синхронная DRAM. Эффективность SDRAM намного выше, чем у ее предшественников. Во-первых, дело в том, что схема пакетного чтения у SDRAM намного эффективнее, чем у EDO или FPM и описывается формулой 5-1-1-1. Т.е. для считывания четырех значений подряд задержка для памяти типа FPM составит 5+3+3+3=14 тактов, у EDO 5+2+2+2=11 тактов, а у SDRAM 5+1+1+1=8 тактов.

Но это еще не все. Дело в том, что SDRAM более технологична, чем ее предшественники, и ее проще изготовить для работы на более высоких частотах. И если впервые SDRAM применяли в PC на частоте 66 МГц (как и EDO и FPM в то время), то затем были разработаны чипы SDRAM, работающие на частоте 100 МГц, а после и 133 МГц.

DR DRAM (Rambus). Начиная с 1999 года, Intel продвигает на рынок принципиально новый тип памяти - DR DRAM(Direct Rambus DRAM), который был разработан по их заказу небольшой исследовательской фирмой Rambus.

Обычные типы памяти (FPM/RDO и SDRAM) иногда называют системами с широким каналом. Ширина канала памяти равна ширине шины данных процессора (в системах Pentium 64-бит). Максимальная производительность памяти DIMM SDRAM PC100 составляет 100x8 (частота х количество передаваемых данных за один такт), или 800 Мбайт/с. Микросхемы RDRAM увеличивают пропускную способность памяти — в них предусмотрена 16-разрядная шина передачи данных, частота увеличена до 800 МГц. а пропускная способность равна 1,6 Гбайт/с. Для увеличения производительности используются двух- и четырехканальные RDRAM. которые позволяют увеличить скорость передачи данных до 3,2 или 6,4 Гбайт/с соответственно.

Один канал памяти Rambus принципиально может поддерживать до 32 отдельных устройств RDRAM (микросхем RDRAM), которые устанавливаются в модули RIMM (Rambus Inline Memory Modules). Вся работа с памятью организуется между контроллером памяти и отдельным (а не всеми) устройством. Каждые 10нс (100МГц) одна микросхема RDRAM может передавать 16 байт. RDRAM работает быстрее SDRAM приблизительно в три раза. Для увеличения производительности было предложено еще одно конструктивное решение: передача управляющей информации отделена от передачи данных по шине. Для этого предусмотрены независимые схемы управления, а на адресной шине выделены две группы контактов: для команд выбора строки и столбца и для передачи данных по фронтам тактового сигнала, т.е. дважды в тактовом импульсе (практически в режиме DDR). Правая граница тактового импульса называется четным циклом, а левая — нечетным. Синхронизация осуществляется с помощью передачи пакетов данных в начале четного цикла. Максимальное время ожидания составляет 2,5 нс.

 

Рисунок 5. DDR

На рисунке показано отношение между тактовым сигналом и циклами передачи данных. Пять полных циклов тактового сигнала соответствуют десяти циклам данных. Однако в настоящее время применение этого типа памяти в ПК прекращено, он вытеснен следующим:

DDR SDRAM. DDR (Double Data Rate) SDRAM по многим параметрам и способам изготовления мало чем отличается от обычной SDRAM: та же синхронизация шины памяти с системной шиной, практически то же производственное оборудование, энергопотребление, почти не отличающееся от SDRAM, площадь чипа больше лишь на несколько процентов. Это позволило сразу без значительных материальных и временных издержек создать новую быстродействующую память, причем по цене, мало отличающейся от обычной SDRAM (кстати, DDR SDRAM раньше иногда именовали SDRAM-II). От RDRAM этот тип памяти унаследовал способность передавать данные, пользуясь обоими фронтами тактового сигнала.

Так как DDR SDRAM основывается на обычной SDRAM, то она имеет сопоставимые характеристики задержек, и поэтому зачастую работает быстрее RDRAM, у которой как раз имелись ощутимые проблемы с латентностью.

Увеличение быстродействия микросхем памяти – не единственный способ увеличения быстродействия подсистемы памяти вообще. Для ускорения обмена с RAM может применяться, в частности, метод чередования банков. Сущность этого метода состоит в том, что вся оперативная память компьютера разбивается на некоторое количество (четное) банков, доступ к которым осуществляется параллельно и независимо. Так, например, во время чтения данных из первого банка во втором может происходить операция установки адреса. Другой способ существенно повысить скорость обмена данными с RAM заключается в использовании кэша.

Что такое кэш и зачем он нужен? Cache (запас) обозначает быстродействующую буферную память (обычно статического типа) между процессором и основной памятью. Поскольку скорость работы CPU традиционно превышает скорость работы подсистемы памяти, процессор при выборке из памяти команд и данных вынужден был простаивать, ожидая, когда контроллер RAM выставит на шине содержимое необходимой ячейки или запишет данные в память.

Кэш служит для частичной компенсации разницы в скорости процессора и основной памяти - туда попадают наиболее часто используемые данные. Когда процессор первый раз обращается к ячейке памяти, ее содержимое параллельно копируется в кэш, и в случае повторного обращения в скором времени может быть с гораздо большей скоростью выбрано из кэша. При записи в память значение попадает в кэш, и либо одновременно копируется в память (схема Write Through - прямая или сквозная запись), либо копируется через некоторое время (схема Write Back - отложенная или обратная запись). При обратной записи, называемой также буферизованной сквозной записью, значение копируется в память в первом же свободном такте, а при отложенной (Delayed Write) - когда для помещения в кэш нового значения не оказывается свободной области. При этом в память вытесняются наименее используемая область кэша. Вторая схема более эффективна, но и более сложна за счет необходимости поддержания соответствия содержимого кэша и основной памяти. Сейчас под термином Write Back в основном понимается отложенная запись, однако это может означать и буферизованную сквозную. Память для кэша состоит из собственно области данных, разбитой на блоки (строки), которые являются элементарными единицами информации при работе кэша, и области признаков (tag), описывающей состояние строк (свободна, занята, помечена для дозаписи и т.п.). В основном используются две схемы организации кэша: с прямым отображением (direct mapped), когда каждый адрес памяти может кэшироваться только одной строкой (в этом случае номер строки определяется младшими разрядами адреса), и n-связный ассоциативный (n-way associative), когда каждый адрес может кэшироваться несколькими строками. Ассоциативный кэш более сложен, однако позволяет более гибко кэшировать данные; наиболее распространены 4-связные системы кэширования. Процессоры 486 и выше имеют также внутренний (Internal) кэш объемом 8-16 Кб. Он также обозначается как Primary (первичный) или L1 (Level 1 - первый уровень) в отличие от внешнего (External), расположенного на плате и обозначаемого Secondary (вторичный) или L2. В большинстве  старых процессоров внутренний кэш (если он был) работал по схеме с прямой записью. Начиная с  i486 (последние DX4-100, AMD DX4-120, 5x86) он может работать и с отложенной записью (последнее требует специальной поддержки со стороны системной платы, чтобы при обмене по DMA можно было поддерживать согласованность данных в памяти и внутреннем кэше). Начиная с Pentium Pro, процессоры Intel имеют также встроенный кэш второго уровня объемом  от 256 Кб. 

BIOS

BIOS Base Input-Output System – базовая система ввода-вывода – программное обеспечение, хранящееся в ROMRead Only Memory – постоянном запоминающем устройстве. BIOS содержит программу начальной проверки оборудования компьютера и загрузки операционной системы. Также в ROM хранятся подпрограммы обслуживания клавиатуры, дисплея, дисковых накопителей, стандартных портов и остальной базовой периферии. Эти подпрограммы предоставляют программному  обеспечению более высокого уровня стандартный интерфейс для перечисленных устройств.

Внешние шины. 

IBM PC, появившийся в 1981 году, во многом обязан своим успехом одной особенности, отличавшей его от большинства других ПК того времени. Речь идет об открытой архитектуре компьютера: материнская плата базового ПК содержала лишь процессор, память и тот минимум периферии, без которого компьютер просто не мог функционировать. Для подключения всех остальных устройств на плате имелись восемь разъемов внешней шины, в которые пользователь мог вставлять необходимые ему дополнительные платы: контроллер дисплея, дисковых накопителей, параллельных и последовательных портов и т.д.

Рисунок 6. Разъемы внешних шин на материнской плате

Эта шина была восьмиразрядной, называлась Multibus I, ее разъем был стандартизован, а спецификация – открыта для сторонних производителей периферии. В 1984 году, при создании архитектуры АТ, разрядность этой шины была расширена до 16 бит, новая спецификация получила название ISA, и в таком виде она и дожила до нынешних времен, в течение 15 лет являясь отраслевым стандартом (ISAIndustry Standard Architecture). Шина представляла собой синхронную 16-битную шину с раздельными линиями адреса и данных, работающую на частоте 8,33 Мгц, с контролем четности и двухуровневыми прерываниями (trigger-edge interrupts), при использовании которых устройства запрашивают прерывания по переднему или заднему фронтам сигнала на линии соответствующего IRQ. Такая организация запросов прерываний позволяет использовать каждое прерывание только одному устройству. Основной особенностью шины ISA является простота ее реализации и, как ни странно это звучит, низкая рабочая частота, что позволяет до сих пор использовать ее при создании нестандартных периферийных устройств самого различного назначения. До самого последнего времени шина ISA была единственной, для которой изготовлялись внутренние модемы с аппаратной реализацией управляющих схем, да и многие недорогие SCSI-сканеры комплектовались интерфейсными картами, рассчитанными именно под эту шину. Но, тем не менее, в настоящий момент ISA практически закончила существование, передав свои функции более современным шинам.

EISA. С появлением процессоров i386, i486 и Pentium шина ISA стала узким местом персональных компьютеров на их основе. Новая системная шина EISA (Extended Industry Standard Architecture), появившаяся в конце 1988 года, обеспечивала адресное пространство в 4 Гбайта, 32-битовую передачу данных (в том числе и в режиме DMA), улучшенную систему прерываний и арбитраж DMA, автоматическую конфигурацию системы и плат расширения. Устройства шины ISA могли работать на шине EISA.

Шина EISA предусматривала централизованное управление доступом к шине за счет наличия специального устройства - арбитра шины. Поэтому к ней могли подключаться несколько главных устройств шины (Bus Masters). Улучшенная система прерываний позволяла подключать к каждой физической линии запроса на прерывание несколько устройств, что снимало  проблему количества линий прерывания. Шина EISA работала на частоте около 8 МГц и имела максимальную теоретическую скорость передачи данных 33 Мбайт/с.

MCA. Шина MCA (Micro Channel Architecture) также обеспечивала 32-разрядную передачу данных, тактировалась частотой 10 МГц, имела средства автоматического конфигурирования и арбитража запросов. В отличие от EISA она не была совместима с шиной ISA и использовалась относительно недолго и только в компьютерах семейства PS/2 компании IBM.

VL-BUS. Шина VL-bus, предложенная ассоциацией VESA (Video Electronics Standard Association), предназначалась для увеличения быстродействия видеоадаптеров и контроллеров дисковых накопителей для того, чтобы они могли работать с тактовой частотой до 40 МГц. Шина VL-bus имела 32 линии данных и позволяла подключать до трех периферийных устройств, в качестве которых наряду с видеоадаптерами и дисковыми контроллерами могли выступать и сетевые адаптеры. Максимальная скорость передачи данных по шине VL-bus могла составлять около 130 Мбайт/с. Основная особенность этой шины заключалась в том, что она рассчитана на совместную работу с процессором i486 и только с ним – всего три устройства на шине это еще и следствие ограниченной нагрузочной способности выводов процессора. После появления процессора Pentium ассоциация VESA приступила к работе над новым стандартом VL-bus версии 2, который предусматривает использование 64-битовой шины данных и увеличение количества разъемов расширения, однако новым стандартом суждено было стать следующей шине:

PCI. Появившаяся в 1992 году шина PCI имела несколько особенностей, позволивших ей за короткое время занять господствующее положение в наших ПК, оттеснив многочисленных конкурентов. Главными из них были ее открытая, доступная всем и каждому, архитектура и независимость от процессорной шины. Шина PCI является синхронной 32-х разрядной (кроме этого, существуют ее 64-разрядные версии) и работает на частоте 33 Мгц, обеспечивая пропускную способность (с использованием пакетного режима пересылки данных) 133 Мб/с. Процессор через так называемые мосты (PCI Bridge) может быть подключен к нескольким каналам PCI, обеспечивая возможность одновременной передачи данных между независимыми каналами PCI. Важной особенностью шины является реализация принципа Bus-master, что позволяет картам расширения производить обмен данными с памятью без обращения к процессору. Для уменьшения количества проводников в шине PCI используется принцип мультиплексирования данных, то есть адрес и данные передаются по одним и тем же физическим линиям поочередно. PCI-устройства оборудованы таймером, определяющим максимальный период времени, когда устройство может занимать шину.

Автоматическое конфигурирование устройств PCI (выбор запросов прерывания, каналов DMA) поддерживается средствами BIOS материнской платы в соответствие со стандартом Plug&Play. Спецификация PCI 2.2 обеспечивает поддержку плат расширения с напряжениями питания как 3,3, так и 5 вольт, причем тип платы определяется расположением ключей в разъеме. Если у карты PCI есть две ключевые выемки, то она поддерживает любой из вариантов слота, если же на ней только одна выемка ближе к передней части платы, то эта карта только на 3,3 вольта. При расположении выемки ближе к задней части - карта пятивольтовая.

AGP. В результате широкого распространения 3D-графики и поддерживающих ее видеокарт, нагрузка на шину PCI достигла предельных для нее значений, превратив участок процессор - PCI-видеокарта в очередное "узкое место" системы. Для разрешения возникшей проблемы с наименьшими затратами специалистами Intel была предложена новая спецификация шины, ориентированной исключительно для обмена данными с видеоадаптером: AGP 1.0, являющейся, по сути дела, расширением старой доброй шины PCI. С целью ускорения обмена данными было устранено мультиплексирование линий адреса и данных (напомним, что в PCI для удешевления конструкции адрес и данные передавались по одним и тем же линиям), удвоена тактовая частота и реализована (в режиме AGP 2x) схема DDR, когда по шине передается 2 блока данных за один цикл. В результате предельная пропускная способность шины составила 533 Мбайт/с. Но очень скоро и этого стало не хватать, поэтому в новой спецификации AGP 2.0 (режим 4x), благодаря снижению напряжения питания видеокарт с 5 до 3,3 V, а, значит, и амплитуды сигналов в шине, появилась возможность осуществлять не 2, а 4 транзакции (пересылки блока данных) за один такт, что удвоило пропускную способность шины, доведя ее до 1066 Мбайт/с. Для автоматического распознавания видеокарт разных спецификаций используются различные конфигурации их разъемов

Шина AGP имеет два основных режима работы: DIME и DMA. В режиме DMA основной памятью является память карты. Текстуры хранятся в системной памяти, но перед использованием копируются в локальную память карты, используя механизм, аналогичный Bus-master на шине PCI. В режиме DIME (DIrect Memory Execute - непосредственное выполнение в памяти, иногда используется другой термин - AGP-текстурирование) локальная и системная память для видеокарты логически равноправны, что позволяет использовать часть системной памяти для хранения текстур. В спецификации AGP 2.0 появилась поддержка нового режима передачи данных Fast Writes. Он позволяет процессору напрямую, не обращаясь к системной памяти, передавать данные ускорителю со скоростью 4х.

PCI Express или PCIe – компьютерная шина, использующая программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол, основанный на последовательной передаче данных. В отличие от шины PCI, использовавшей для передачи данных общую шину, PCI Express, в общем случае, является пакетной сетью с топологией типа звезда, устройства PCI Express взаимодействуют между собой через среду, образованную коммутаторами, при этом каждое устройство напрямую связано соединением типа точка-точка с коммутатором. Кроме того, шиной PCI Express поддерживается:

  •  горячая замена карт;
  •  гарантированная полоса пропускания (QoS);
  •  управление энергопотреблением;
  •  контроль целостности передаваемых данных.

Разработка стандарта PCI Express была начата фирмой Intel. Официально первая базовая спецификация PCI Express появилась в июле 2002 года.

Шина PCI Express нацелена на использование только в качестве локальной шины. Так, как программная модель PCI Express во многом унаследована от PCI, то существующие системы и контроллеры могут быть доработаны для использования шины PCI Express заменой только физического уровня, без доработки программного обеспечения. Высокая пиковая производительность шины PCI Express позволяет использовать её вместо шин AGP и тем более PCI, ожидается, что PCI Express заменит эти шины в персональных компьютерах.

Для подключения устройства PCI Express используется последовательное двунаправленное соединение типа точка-точка, называемое lane; это резко отличается от PCI, в которой все устройства подключаются к общей 32-разрядной параллельной однонаправленной шине. Соединение между двумя устройствами PCI Express называется link, и состоит из одного (называемого 1x) или нескольких (2x, 4x, 8x, 12x, 16x и 32x) двунаправленных последовательных соединений lane. Каждое устройство должно поддерживать соединение 1x. На электрическом уровне каждое соединение использует низковольтную дифференциальную передачу сигнала (LVDS), приём и передача информации производится каждым устройством PCI Express по отдельным двум проводникам, таким образом, в простейшем случае, устройство подключается к коммутатору PCI Express всего лишь четырьмя проводниками. Использование подобного подхода имеет следующие преимущества:

  •  карта PCI Express помещается и корректно работает в любом слоте той же или большей пропускной способности (например, карта x1 будет работать в слотах x4 и x16);
  •  слот большего физического размера может использовать не все lane'ы (например, к слоту 16x можно подвести линии передачи информации, соответствующие 1x или 8x, и всё это будет нормально функционировать; однако, при этом необходимо подключить все линии «питание» и «земля», необходимые для слота 16x).

PCI Express пересылает всю управляющую информацию, включая прерывания, через те же линии, что используются для передачи данных. Последовательный протокол никогда не может быть заблокирован, таким образом задержки шины PCI Express вполне сравнимы с таковыми для шины PCI (заметим, что шина PCI для передачи сигнала о запросе на прерывание использует отдельные физические линии IRQ#A, IRQ#B, IRQ#C, IRQ#D).

15 января 2007 года группа PCI-SIG выпустила спецификацию PCI Express 2.0. Основные нововведения в ней таковы:

Спецификация PCI Express 2.0 определяет максимальную пропускную способность одного соединения lane как 5 Гбит/с, при этом сохранена совместимость с PCI Express 1.1 таким образом, что плата расширения, поддерживающая стандарт PCIE 1.1 может работать, будучи установленной в слот PCIE 2.0. Внесены усовершенствования в протокол передачи между устройствами и программную модель.

  •  Динамическое управление скоростью — для управления скоростью работы связи.
  •  Оповещение о пропускной способности — для оповещения ПО (операционной системы, драйверов устройств и т.п.) об изменениях скорости и ширины шины.
  •  Расширения структурных возможностей — расширение управляющих регистров для более тонкого управления устройствами, слотами и процессом передачи данных.
  •  Службы управления доступом — опциональные возможности управления транзакциями точка-точка.
  •  Управление таймаутом выполнения
  •  Переопределение предела по мощности — для переопределения лимита мощности слота при присоединении устройств, потребляющих большую мощность.
  •  Внешняя кабельная спецификация PCIe, позволяющая подключать внешние устройства напрямую к шине.

7 февраля 2007 года PCI-SIG выпустила спецификацию внешней кабельной системы PCIE. Новая спецификация позволяет использовать кабели длиной до 10 метров, работающие с пропускной способностью 2,5 Гбит/с.

В настоящее время идет работа над PCI-Express 3.0. Он будет обладать пропускной способностью в 8 Гб/с. Планы на PCI-Express 3.0: утверждение в 2009 году, а первые продукты на основе нового интерфейса - в 2010 году.


Графическая подсистема

Считается, что прадедушкой современной видеокарты является адаптер MDA (Monochrome Display Adapter), представленный в 1981 году для IBM PC. Видеокарта того времени имела 4Кбайт видеопамяти, работала только с текстовой информацией и с разрешением 720х350 точек и могла выдавать на дисплей 25 строк по 80 символов в строке. Цвет букв зависел от типа монитора: белые, изумрудные или янтарные, а сами буквы могли выводиться в обычном, подчеркнутом, инверсном (темные на светлом фоне) и мигающем режимах. Дальнейшее развитие MDA было выпущено в 1982 году известной тогда компанией Hercules и называлось Hercules Graphics Controller (HGC). «Геркулес» отличался от MDA способностью выводить текст в 132 колонки и 44 строки. Но и эта видеокарта не позволяла работать с графикой. Стоит заметить, что длина карты HGC была более 30 см.

Рисунок 7. Видеоадаптер HGC

И только с выходом видеоадаптера CGA (Color Graphics Adapter), который стал основой для последующих стандартов, появилась возможность работать с цветной графической информацией в разрешении 320х200 (4 цвета) и 640х200 (монохромный режим), при этом объём памяти видеокарты уже равнялся 16 Кбайт.  Все упомянутые выше карты для соединения с ПК использовали шину Multibus.

Следующий стандарт для видеокарт – Enhanced Graphics Adapter (EGA), разработанный в 1984 году, позволял при разрешении 640x350 работать с 16 цветами из 64-цветной палитры одновременно. Ёмкость видеопамяти составляла теперь от 64 до 256 Кбайт, а также была заявлена совместимость с CGA и MDA. Начиная с EGA, видеоадаптеры начали использовать «широкую» шину ISA.

Все описанные выше видеокарты подключались к монитору через 9-контактный разъём и передавали информацию в цифровом виде. Только с выходом адаптера стандарта MCGA (MultiColor Graphics Adapter – многоцветный графический адаптер) произошёл переход на аналоговый сигнал, так как палитра была увеличена до 262144 цветов (по 64 оттенка на каждый из базовых цветов Red/Green/Blue). Разрешение экрана, выдаваемое MCGA при работе с текстом, было 640х400 с 256 одновременно отображаемыми цветами, для графических приложений – 320х200 точек. Разъём для подключения к монитору приобретает привычный для нас вид – 15-контактный «D-Sub». Еще одна особенность MCGA – точка на экране теперь стала квадратной (раньше она была прямоугольной). Это означает, что окружность, выведенная на экран, будет действительно окружностью, а не эллипсом.

Следующим витком эволюции компьютерной видеоподсистемы является VGA (Video Graphics Array – графический видеомассив), который появился в 1987 году. Адаптеры VGA уже поддерживали разрешение 640х480 и 256 цветов (из палитры в 262144 цвета), объём памяти составлял 256-512 Кбайт, а соотношение сторон экрана равнялось привычным сейчас 4:3.

И наконец, в 1991 году появляются первые адаптеры SVGA (Super VGA), позволяющие работать при разрешении 800х600 и 1024х768 точек, количество отображаемых цветов увеличилось до 65536 (High Color) и 16,7 млн. (True Color). Также появляется возможность пользователю задать частоту обновления экрана монитора – до этого момента она была жёстко привязана к определённому значению. Память видеоадаптеров SVGA была уже более 1 Мбайт.

С развитием графических оболочек операционных систем (например, Windows) видеокарты взяли на себя часть вычислений по окончательному выводу изображения на экран, которые обычно производил центральный процессор: перемещение окон, рисование линий, шрифтов и другие. С появлением трёхмерных игр видеокарты обзавелись 3D-акселератором, который сначала имел вид отдельной карты, вставляемой в свободный разъём на материнской плате – до этого момента видеоадаптер позволял работать только с двухмерной графикой (2D). Акселератор, как правило, включался в разрыв кабеля между видеокартой и монитором и брал на себя видеовывод, когда этого требовала выполняющаяся на компьютере программа. Далее, с развитием технологий производства полупроводников, графический чип стал содержать в себе все необходимые блоки, отвечающие как за 2D-, так и 3D-графику.

Именно тогда доминирующая на тот момент компания 3dfx (все активы 3dfx после банкротства перешли к NVIDIA) представляет технологию SLI (Scan Line Interleave – чередование строчек), благодаря которой появилась возможность объединить две подобные видеокарты с шиной PCI для формирования изображения методом чередования строк, что увеличивало быстродействие графической подсистемы и разрешение экрана.

Рисунок 8. Спаренный видеоускоритель (SLI)

На рисунке 7 показана видеокарта Quantum3D Obsidian X-24 на базе двух Voodoo2 в режиме SLI

Действительно, всё новое – это хорошо (в данном случае – очень хорошо) забытое старое: спустя почти 15 лет NVIDIA возродила SLI в видеокартах для шины PCIe.

Рисунок 9. Видеокарта с шиной AGP

Ближе к концу 90-х прошлого века видеоадаптеры получили собственную шину – AGP (Accelerated Graphics Port – ускоренный графический порт) и приобрели черты современных видеокарт: объём локальной видеопамяти достиг десятков мегабайт, появилась возможность выводить видеоизображение на ещё один приёмник, например, телевизор. На рисунке 8 изображена видеокарта на базе SiS315 с шиной AGP.


Практически все современные видеокарты состоят из следующих основных компонентов:

  •  Видеопамять.
  •  Набор микросхем, (видеочипсет).
  •  Видео BIOS.
  •  Тактовые генераторы.

Принцип работы видеокарт (при формировании двумерного изображения) не сильно отличается от принципов, на которых была основана работа адаптера CGA. Центральный процессор компьютера формирует изображение (кадр) в виде массива данных и записывает его в видеопамять, а конкретно - в кадровый буфер. После этого видеочипсет последовательно, бит за битом, строка за строкой, считывает содержимое кадрового буфера и передает его RAMDAC (цифро-аналоговый преобразователь данных, хранящихся в памяти). Он в свою очередь формирует аналоговый RGB-сигнал, который вместе с сигналами синхронизации передаётся на монитор. Сканирование видеопамяти осуществляется синхронно с перемещением луча по экрану монитора, сигналы синхронизации вырабатывают встроенные в видеокарту тактовые генераторы.


Внешние запоминающие устройства

ВЗУ являются важной составной частью ПК, обеспечивая долговременное хранение данных и программ на различных носителях информации. В персональных ЭВМ наиболее широкое распространение получили ВЗУ на основе магнитных и оптических дисков,  также применяются накопители, использующие технологию FLASH. Мы рассмотрим применяемые в ПК внешние запоминающие устройства в порядке их появления.

Накопители на гибких магнитных дисках – НГМД FDDFloppy disk drives являются устройствами со сменным носителем информации. НГМД был впервые представлен фирмой  IBM в 1971 году, диаметр диска составлял тогда 8 дюймов, а емкость – 80 Кбайт. Для записи данных использовалась только одна сторона диска. В 1976 году появилась привычная для многих дискета формата 5,25”, емкостью 110 Кбайт, к 1984 на эту дискету помещалось уже 1,2 Мбайта информации. Привод для работы с такими дисками впервые был выпущен компанией Teac. В 1981 году фирма Sony выводит на рынок дискету диаметром 89мм (3,5”) и дисковод для нее.  Именно этот тип дискеты станет стандартом в мире ПК после того, как IBM использует ее в машинах серии PS/2. Емкость таких дискет составляет от 360 (первые экземпляры) до 2880 Кбайт (дискеты QDQuad Density). «Трехдюймовые» дискеты в настоящее время активно вытесняются накопителями, использующими технологию FLASH, однако до сих пор многие продолжают использовать этот недорогой и привычный носитель информации.


Устройство дискеты 3,5” показано на рисунке. Цифрами обозначены:

Рисунок 10. Устройство дискеты

  1.  Переключатель защиты от записи. В углу дискеты находится небольшое прямоугольное отверстие, которое может быть открыто или закрыто специальной защелкой. Дисковод анализирует состояние этого отверстия и, если оно открыто, отказывается производить запись на диск. Пользователю при этом отправляется сообщение о том, что диск защищен от записи.  
  2.  Металлический диск с двумя прямоугольными отверстиями. За него шпиндельный привод дисковода вращает собственно магнитный диск. Два отверстия нужны для того, чтобы установка диска в привод происходила всегда в одном и том же положении. Это необходимо для того, чтобы сектора при форматировании располагались на своих, строго определенных местах.
  3.  Металлическая (или пластиковая) шторка, предохраняющая магнитный диск от повреждений. При установке дискеты в привод она сдвигается вбок, открывая магнитным головкам дисковода доступ к поверхности диска.
  4.  Пластиковый корпус дискеты. Хотя эти диски и принято называть гибкими (floppy), такое название для дискет 3,5” – всего лишь дань традиции. «Трехдюймовые» дискеты имеют жесткий корпус, и при попытке согнуть такую дискету она неизбежно будет испорчена.
  5.  Внутреннее покрытие корпуса из ворсистого нетканого материала. Его назначение – очищать поверхность диска от попавшей внутрь пыли и предохранять его от повреждений об элементы конструкции дискеты, такие как пружина шторки и т.д.
  6.  Собственно магнитный диск. Лавсановая основа с напыленным с обеих сторон магнитным слоем. С 1981 года состав этого слоя трижды изменялся, поскольку увеличение плотности записи данных на диск требовало повышения коэрцитивной силы магнитного покрытия. Соответственно запись на дискеты с разным покрытием должна производиться при различных значениях силы тока в магнитной головке, чтение с разных дисков тоже имеет свои нюансы. Для того, чтобы привод мог различать дискеты различной емкости, в 1984 году в их конструкцию был введен индикатор плотности. Он расположен напротив переключателя защиты от записи и представляет собой  такое же отверстие (на дискетах 360 Кб отверстия нет, на дискетах 2880 Кб отверстий два – одно под другим). Эти отверстия не могут быть закрыты никакими защелками. Анализируя их наличие (и количество), привод определяет тип вставленной в него дискеты.
  7.  Сектор. Он не является физической частью дискеты. Поверхность магнитного диска логически разделена на некоторое количество (обычно 80) дорожек, хранящих данные. Сектор – это участок дорожки, данные с которого поступают в компьютер в ходе одной операции чтения (то же касается и записи). Дискеты наиболее популярного формата 1440 Кб размечены таким образом, что на каждой их стороне имеется по 80 дорожек, каждая из которых разбита на 18 секторов. Каждый сектор, соответственно, хранит по 512 байт данных.

Для соединения с компьютером НГМД используют специальный  34-контактный интерфейс, не изменявшийся с конца семидесятых годов прошлого века. Примечательно, что современные производители ПК не спешат убирать поддержку флоппи-дисководов из своих изделий. Так происходит потому, что спектр задач, в которых гибкие диски находят применение, до сих пор довольно широк. Существуют, к примеру, вполне современные версии операционных систем, предусматривающие загрузку с одной или двух дискет и последующее полноценное функционирование компьютера  в качестве, например, маршрутизатора или «тонкого клиента» с доступом в Web. Такие решения позволяют исключить из состава ПК другие виды внешних запоминающих устройств, такие как накопители на оптических дисках или НЖМД.

Накопители на жестких магнитных дисках – НЖМД – HDD – Hard Disk Drives являются устройствами с несменным носителем. Основное конструктивное отличие НЖМД от НГМД заключается в том, что блок магнитных головок, система позиционирования и пакет магнитных дисков находятся в едином герметично закрытом корпусе. Сами диски обычно имеют металлическую основу. Такой накопитель был впервые применен фирмой IBM в 1973 году.

Герметизация диска в накопителе позволила добиться качественного увеличения его характеристик благодаря идеальной чистоте рабочих поверхностей. Плавающие над поверхностями дисков магнитные головки дали возможность резко (в десятки раз по сравнению с ГМД) увеличить скорость вращения пакета дисков, в котором могут находиться до четырех пластин. Перечисленные выше конструктивные особенности НЖМД дают понять, что емкость и быстродействие жестких дисков во много (сотни тысяч) раз превышают соответствующие параметры НГМД. Для обмена информацией между жестким диском и компьютером интерфейс гибких дисков оказался совершенно непригоден. С 1973 года жесткие диски поменяли пять типов интерфейсов:

ST506/412. Диски с таким интерфейсом поддерживались машинами IBM PC XT. Он был разработан в начале 80-х фирмой Seagate Technologies, допускал подключение двух накопителей к одному контроллеру и не отличался высокими характеристиками. Фактически накопитель с этим интерфейсом представлял собой увеличенную копию НГМД. Название интерфейса происходит от названия первого накопителя, в котором он использовался.

ESDI – Enhanced Small Drive Interface. Появился в середине 80-х годов и представлял собой улучшенную версию ST506/412. Улучшения касались скорости работы и максимальной поддерживаемой емкости дисков. С ESDI могли работать устройства объемом до 760 Мбайт, по тем временам это была очень большая цифра. Как и ST506/412, ESDI был последовательным интерфейсом, то есть данные от диска/к диску передавались побитно по единственному предназначенному для этого проводнику.

SCSISmall Computer System Interface (произносится как "скази") является универсальным интерфейсом для любых классов устройств. В отличие от ST412/ST506 и ESDI, в SCSI отсутствует ориентация на работу именно с жесткими дисками - он лишь определяет протокол обмена командами и данными между равноправными устройствами; фактически SCSI является упрощенным вариантом системной шины компьютера, поддерживающим до восьми устройств. Такая организация требует от устройств наличия определенного интеллекта - например, в винчестерах SCSI все функции кодирования/декодирования, поиска сектора, коррекции ошибок и т.п. возлагаются на встроенную электронику, а внешний SCSI-контроллер выполняет функции обмена данными между устройством и компьютером - часто в автономном режиме, без участия центрального процессора (режимы DMA или Bus Mastering). SCSISmall Computer System Interface, в отличие от предыдущих интерфейсов, является параллельным, то есть данные в нем передаются одновременно по нескольким проводникам. Это дополнительно повышает его быстродействие по сравнению с ранее рассмотренными интерфейсами. Каждый контроллер SCSI в состоянии одновременно обслуживать до семи устройств (восьмым является сам контроллер). Современные версии этого интерфейса применяются до сих пор, однако сфера их применения ограничена главным образом серверами и высокопроизводительными рабочими станциями.

IDEIntegrated Drive Electronics или ATA (AT Attachment - подключаемый к AT) - простой и недорогой интерфейс, впервые появившийся в PC AT. Все функции по управлению накопителем обеспечивает встроенный контроллер, а 40-проводной соединительный кабель является фактически упрощенным сегментом 16-разрядной магистрали AT-Bus (ISA). Простейшие адаптеры IDE содержали только адресный дешифратор - все остальные сигналы заводились прямо на разъем ISA. Адаптеры IDE обычно не содержали собственного BIOS - все функции поддержки IDE были встроены в системный BIOS PC AT. Однако интеллектуальные или кэширующие контроллеры могут иметь собственный BIOS, подменяющий часть или все функции системного. Основной режим работы устройств IDE - программный обмен (PIO) под управлением центрального процессора, однако все современные винчестеры EIDE (Enhanced IDE) поддерживают обмен в режиме DMA, а большинство контроллеров - режим Bus Mastering. Стандарт Ultra ATA (называемый также ATA-33 и Ultra DMA-33) предложен фирмами Intel и Quantum. В нем повышена скорость передачи данных (до 33 Мб/с), предусмотрено стробирование передаваемых данных со стороны передатчика (в прежних ATA стробирование всегда выполняется контроллером) для устранения проблем с задержками сигналов, а также введена возможность контроля передаваемых данных (метод CRC). В 1999 году введена разновидность Ultra ATA-66 с режимом обмена Ultra DMA-66, выполняемом с максимальной скоростью 66 Мб/с. Все четыре разновидности имеют одинаковую физическую реализацию - 40-контактный разъем, но поддерживают разные режимы работы, наборы команд и скорости обмена по шине. Все интерфейсы совместимы снизу вверх (например, винчестер EIDE может работать с контроллером ATA, но не все режимы контроллера Ultra ATA-66 возможны для винчестера ATA). Отдельно стоит стандарт ATAPI (ATA Packet Interface - пакетный интерфейс ATA), представляющий собой расширение ATA для подключения устройств прочих типов (оптических приводов, стримеров и т.п.). ATAPI не изменяет физических характеристик ATA - он лишь вводит протоколы обмена пакетами команд и данных, наподобие SCSI. Каждый контроллер IDE допускает одновременное подключение двух устройств в режимах Master (ведущий) и Slave (ведомый). Режим обычно выбирается перемычками на корпусе устройства. Также несколько контроллеров IDE в одном компьютере могут работать одновременно. В настоящее время интерфейс IDE поддерживает обмен данными со скоростью до 133 Мб/с, однако он постепенно уходит в прошлое, уступая место новому стандарту – Serial ATA.

SATA – Serial AT Attachment. Появление нового интерфейса для подключения современных жестких дисков не случайно было воспринято всеми причастными к компьютерным технологиям с интересом - предыдущий интерфейс (который тут же получил название Parallel ATA, PATA) уже не мог обеспечить дальнейшего развития технологий. Фактически, он достиг своего предела на скорости обмена данными 133 Мбит/с. Да и то, достижение подобной скорости несколько выбило разработчиков из привычной колеи - ведь потребовалось применение нового кабеля с дополнительными экранирующими проводниками, что неизбежно сказалось и на стоимости, и на совместимости. По этой же причине нежелательным стало подключение двух накопителей разных типов на один шлейф, поскольку параметры канала устанавливались в соответствие самому "медленному" из подключенных интерфейсов. Приходилось выкручиваться: или подключать "старый" накопитель к другому каналу IDE, параллельно накопителю CD, или вообще избавляться от него. Причем первый вариант не всегда был возможен, поскольку у многих было установлено два накопителя - например, связка из проигрывателя DVD и CD-RW. Поэтому интерес был очевиден.
Скорость передачи данных в самой первой версии интерфейса составляет 150 Мб/с. В более свежих спецификациях заявлена максимальная скорость обмена данными до 600 Мб/с. Если быть предельно точным, то происходит ступенчатое продвижение на рынок трех поколений интерфейса
Serial ATA - второе обеспечивает скорость до 300 Мб/с, а третье, соответственно, до 600 Мб/с. (Хотя пока не совсем ясно, как разработчики накопителей на жестких дисках собираются использовать весь потенциал канала с такой высокой пропускной способностью, ведь скорость чтения с пластин заведомо ниже). Тем не менее, в области пропускной способности канала все ясно - разработчиков накопителей уже ничто не ограничивает. Но это не единственная сильная сторона новой разработки. В качестве второго по значимости фактора стоит упомянуть кардинально новую организацию подключения устройств. Главное преимущество - это возможность "горячего" подключения устройств. Данный факт существенно упрощает манипуляции с накопителями. Кроме того, новый кабель для подключения тоже полностью изменился - теперь он насчитывает всего семь проводов, выполнен плоским и тонким. И, самое главное, длина его может достигать метра. Для  интерфейса PATA длина шлейфа ограничивалась 46 см. Такое исполнение кабеля дает целый ряд преимуществ: экономится место на системной плате, появляется возможность аккуратной прокладки и, что немаловажно, новая конструкция кабеля не создает проблем вентиляции корпуса. Что касается разъема питания, то его конструкция также подверглась переработке. В частности, помимо привычных +5 В и +12 В на разъем завели еще и +3,3 В. Сигнальный интерфейс работает с пониженным напряжением - +3 В, что снижает энергопотребление устройства и упрощает интеграцию контроллера на материнскую плату. Интересно, что когда интерфейс SATA только-только появился, некоторые производители снабжали свои накопители дублирующим разъемом питания старого образца, строго предупреждая "ни в коем случае не подключать оба питающих разъема одновременно - во избежание выхода устройства из строя". Такая конструкция делала переход на новый стандарт менее болезненным для пользователя, поскольку материнские платы, как правило, снабжались шлейфом передачи данных и редко - переходником для подключения питания. Еще одна особенность заключается в том, что интерфейс Serial ATA подразумевает наличие полностью независимых каналов - то есть старая классификация Master-Slave "осталась за бортом". Каждое устройство подключается к своему каналу и никак не влияет на остальные. В дополнение ко всему, этот интерфейс обладает встроенными средствами контроля ошибок – ЕСС. Кстати, хотя с появлением UltraATA 33 и была введена проверка целостности данных по CRC, средств обнаружения и исправления ошибок в этом интерфейсе так и не появилось.

Накопители на оптических дисках. Технология оптической записи информации на диск появилась в 1961 году в Стэндфордском университете США. Запись информации осуществлялась фотографическими методами в виде светлых точек и черточек на темном фоне. Воспроизведение производилось путем просвечивания видеодиска лучом ртутной лампы. В семидесятые годы технология оптических дисков была доведена до промышленного производства и конкурировала с дисками механической (Telefunken, Decka), емкостной (RCA) и магнитной (Bogen) видеозаписи. В 1975 году продавались звуковые диски сразу нескольких фирм — Philips, Sony, Hitachi, Mitsubishi, Sanyo и ряда других. Самыми похожими на современные оптические носители были образцы фирмы Philips. Диаметр диска составлял 12 см (у всех других — 30 см), время звучания — 1 час. В июне 1979 года между фирмами Philips и Sony был заключен договор о совместной разработке системы оптической записи звука.

Работы по созданию систем оптических дисков проводились и в нашей стране. В 1975 году в структуре ВНИИРПА им. А. C. Попова была сформирована научная группа с целью разработки и реализации технологий записи и воспроизведения звуковой информации студийного качества на оптических носителях. Сложность создания таких систем в то время заключалась в отсутствии в распоряжении наших ученых полупроводниковых лазеров. Во многом именно это и определило дальнейшую судьбу отечественного компакт-диска. Для работы накопителей приходилось использовать газовый лазер ЛГ-75, который представлял собой довольно тяжелую трубку 20 сантиметров длиной. Он закреплялся неподвижно, а диск располагался на подвижной каретке, которая перемещалась по мере считывания или записи информации. Сейчас, как известно, сервопривод оптических накопителей устроен противоположным способом: диск укреплен на неподвижной панели, а перемещается оптическая головка с лазерным диодом.

Модель отечественного оптического проигрывателя дисков «Луч-002» демонстрировалась на ВДНХ за два года до появления на мировом рынке компакт-диска. Миллионы телезрителей увидели лазерный проигрыватель и оптический диск, а также услышали, как он звучит. На него была записана мелодия из кинофильма «Мой ласковый и нежный зверь». Новинка вызвала значительный интерес со стороны различных предприятий, производящих бытовую электронику. Однако ни одно из них не располагало технологиями изготовления полупроводниковых лазеров и необходимых оптико-механических блоков. Нужна была кооперация. К сожалению, из-за междоусобной борьбы различных министерств за финансирование отечественные CD так и не увидели свет.

В 1980 году компании Philips и Sony представили новый стандарт лазерного диска — CD-DA (Compact Disk Digital Audio). Он определял способ записи и обработки звука, а также размер нового носителя — 12 см, который используется и сегодня. Почему именно таким был выбран диаметр диска? Существует версия, по которой 12-сантиметровый диск полностью вмещает Девятую симфонию Бетховена. За следующие 15 лет технология CD прошла путь от музыкальных дисков до универсального носителя хранения информации. Несмотря на то, что на сегодняшний день она исчерпала свои возможности и на смену ей пришли более совершенные носители (DVD, BluRay), CD будут активно использоваться еще несколько лет.

Стандарт DVD создавался довольно интересно. К концу 1994 года стали появляться сообщения о том, что компании Sony и Philips готовы представить новый носитель информации, созданный на основе технологии CD. Название носителя несколько раз менялось в процессе разработки, отражая основные намерения разработчиков на том или ином этапе: MMCD (Multi Media CD), HD-DVD (High Density Digital Video Disk) и HD-CD (High Density Compact Disk). Предполагалось, что проигрыватели новой системы будут совместимы со всеми существовавшими на тот момент носителями в формате CD. Однако обратной совместимости быть не могло — проигрыватели CD и CD-ROM не смогли бы воспроизводить диски MMCD.

Причина несовместимости объяснялась большим числом технических новшеств, справиться с которыми CD-устройства не могли. Во-первых, диск MMCD имел двухслойную структуру. Над обычным отражающим информационным слоем располагался еще один информационный слой — полупрозрачный. Расстояние между ними было 0,04 мкм, толщина каждого слоя — 0,05 мкм, что вдвое меньше, чем у CD. В остальном структура MMCD была та же — поликарбонатная подложка (1,2 мм) с одной стороны от информационного слоя и защитный лаковый слой (10 мкм) — с другой. Поверх последнего располагается этикетка (маркируемая поверхность).

Каждый слой MMCD-диска должен был нести в 6 раз больше информации, чем целый CD — 3,7 Гб. Всего на двухслойном диске предполагалось разместить 7,4 Гб. Такой большой емкости удалось достичь за счет более короткой длины волны излучения считывающего лазера — 0,635 мкм (против 0,78 мкм у накопителей CD), и более совершенной оптической системы. Новая оптическая система привода с такими параметрами позволила получить гораздо меньшее световое пятно. Последнее, в свою очередь, обеспечивает возможность уменьшения геометрических размеров питов (единиц записи информации) более чем в 2 раза, и расстояния между дорожками. При использовании компрессии по стандарту MPEG2 на таком диске можно разместить 135 минут видеозаписи вещательного качества.

Вскоре выяснилось, что не только Sony и Philips заняты разработкой нового оптического носителя информации высокой плотности. Группа крупнейших мировых компании во главе с Toshiba (Matsushita, Hitachi, Pioneer, Thomson, MCA, Time Warner и MCM) неожиданно для многих предложила свой стандарт на дисковый носитель, весьма напоминающий MMCD. Этот стандарт также имел несколько названий: SD-DVD (Super Density Digital Video Disk) и SDD (Super Density Disk). Основные параметры этой технологии совпадают с MMCD. SD-DVD тоже имел двухслойную структуру, однако она была реализована принципиально иначе. Две половинки диска (каждая толщиной 0,6 мм) склеивались между собой со стороны информационного слоя. Поэтому считывание такого диска могло производиться с обеих сторон.

Очевидно, что глубина расположения информационного слоя у SD-DVD получается вдвое меньше, чем у MMCD. Однако емкость каждой стороны оказывается больше — 5 Гб, т. е. 10 Гб на весь диск против 7,4 Гб у MMCD. Это в 15 раз больше, чем у обычного CD. Для записи видеофильмов предполагалось также использовать компрессию MPEG2.

Сходство новых стандартов, разработанных совершенно разными компаниями, не могло не вызвать различных замечаний и толков. Однако объяснялось все просто. Летом 1994 года консорциум крупнейших компаний индустрии развлечений Hollywood Digital Video Disk Advisory Group, включающий в себя Columbia Pictures, MGM, Disney, MCA/Universal, Paramount, Viacom и Warner Brothers, подготовил ряд предложений, касающихся новых носителей видео. Целью было значительно улучшить качество видеопродукции и максимально защитить авторские права на нее.

В связи с этим выдвинутые предложения были обсуждены с крупнейшими фирмами-производителями аппаратуры видеозаписи. В результате основными свойствами нового носителя должны были стать следующие:

  •  возможность записи на один диск полнометражного художественного фильма;
  •  качество изображения должно быть лучше, чем у любого существующего видеоаппарата, включая проигрыватель лазерных видеодисков;
  •  новые накопители должны быть совместимы со всеми существующими CD-устройствами;
  •  должна быть обеспечена возможность записи звукового сопровождения не менее чем на трех-пяти языках;
  •  запись должна быть защищена от пиратского копирования;
  •  должна быть предусмотрена возможность изменения формата записи, т. к. в будущем предполагается расширение рынка широкоэкранных фильмов;
  •  должна быть предусмотрена возможность записи на одном диске нескольких версий одного и того же материала с возможностью введения пароля.

Поскольку никто не был заинтересован в существовании двух схожих форматов, Hollywood Video Disk Advisory Group и Computer Industry Technical Working Group потребовали создать единый стандарт, отказавшись поддерживать как MMCD, так и SD-DVD.

В результате в сентябре 1995 года был создан единый стандарт, получивший название DVD. Через год появились DVD-ROM и DVD-Video, а в январе 1997 года проигрыватели, накопители и диски DVD были представлены общественности на выставке бытовой техники в Лас-Вегасе, США.

Первоначально накопители на оптических дисках создавались как устройства, способные лишь считывать информацию с носителей. «Запись» производилась изготовителем дисков путем штамповки поликарбонатных копий со стеклянной матрицы. Информация кодировалась микрорельефом на поверхности диска, при этом нулем являлся так называемый «пит» - углубление в материале диска, а единицей – ровный участок поверхности. Впоследствии появились технологии, позволившие потребителю производить сначала однократную запись на чистые диски-болванки, а потом и многократную перезапись таких дисков. Диски для однократной записи представляют собой такую же поликарбонатную пластину, как и CD-ROM, однако под отражающим слоем у них находится регистрирующий. Материал регистрирующего слоя обладает способностью темнеть под воздействием высокой температуры. При записи такого диска записывающий лазер избирательно нагревает элементы регистрирующего слоя, образуя на нем последовательность темных (которые потом воспринимаются считывающей головкой, как питы) и светлых участков.

Что касается дисков для многократной перезаписи, то у них в регистрирующем слое применяется особый класс материалов, которые способны при нагреве переходить из кристаллического состояния в аморфное и обратно, изменяя при этом свою отражающую способность.


Что касается устройства оптических накопителей, то оно не претерпело каких-либо значительных изменений с момента появления первого привода
CD-ROM. Схема записи и чтения данных приведена на рисунке 10.

Рисунок 11. Принцип записи информации на оптический диск.

Одну деталь на этом рисунке необходимо пояснить. Для различения сигналов от записывающего и считывающего лазеров применяют разделение сигналов с помощью поляризации. Не вдаваясь в сущность этого способа, скажем лишь, что детектор, настроенный на прием горизонтально поляризованного сигнала, невосприимчив к вертикально поляризованному и наоборот.

Устройства ввода и управления

Первые ЭВМ не отличались высоким уровнем интерактивности. Работа с ними происходила в пакетном режиме и состояла из загрузки в машину пакета перфокарт с задачей и получения результата вычислений в виде распечатки. Если все шло нормально, то вмешательство оператора в процесс вычисления не требовалось. Соответственно, не требовалось и каких-то особенных средств для общения с машиной. Как правило, они были представлены перфосчитывателем, печатающим устройством и контрольной панелью, с которой могли осуществляться запуск и остановка программы, а также ее отладка простейшими средствами. Однако вычислительная техника развивалась и с появлением диалогового режима работы возникла необходимость в более удобных средствах общения между человеком и компьютером. Первым и главным из таких средств была и остается клавиатура, впервые появившаяся в 1960 году на компьютере PDP-1 фирмы DEC.

Что касается компьютеров IBM PC и совместимых, то с технической точки зрения  их клавиатура с 1981 года до сегодняшних дней изменилась очень мало. Оригинальная клавиатура PC имела 83 клавиши, интерфейс применяемый для ее связи с компьютером, был однонаправленным, т.е. данные могли передаваться только из клавиатуры в машину. По этой причине на клавиатурах IBM PC отсутствовали светодиоды-индикаторы режимов работы. Эти светодиоды появились на клавиатуре PC AT вместе с возможностью управлять параметрами набора текста, такими как скорость повтора символов при удержании клавиши. Также на AT-клавиатурах появилась дополнительная восемьдесят четвертая клавиша SYSREQ.

Эта модель выпускалась относительно недолго и в 1986 году была заменена привычной  для всех 101/102-х клавишной клавиатурой. Ее интерфейс остался прежним, как и ее предшественники, эта клавиатура подключалась к системному блоку ПК кабелем с пятиштырьковым разъемом DIN. В 1987 году с выходом первых машин семейства PS/2 IBM изменила форму клавиатурного разъема, однако сигналы, передаваемые им, остались прежними. Этот клавиатурный интерфейс до сих пор является стандартным, к современному компьютеру вполне возможно подключить клавиатуру AT 1984 года (с помощью переходника DIN -> PS/2) и они замечательно будут работать вместе. Хотя сегодня PS/2-разъем плавно уходит в прошлое, уступая место USB-интерфейсу.

Дальнейшие усовершенствования клавиатуры касаются добавления дополнительных клавиш, вслед за 102-клавишной появилась 105-клавишная клавиатура. От 102-клавишной она отличается наличием двух кнопок «» (Win) и кнопки «» (Menu). В настоящее время практически на всех моделях клавиатур присутствуют клавиши управления электропитанием (Power, Wake Up и Sleep). Также иногда встречается клавиша «Fn», с ее помощью обычно регулируется скорость автоповтора; кроме того, на портативных компьютерах эта клавиша позволяет эмулировать полноценную 105-клавишную клавиатуру, работая, как клавиша-модификатор.

Протокол обмена данными между клавиатурой и ПК не ограничивает количество клавиш ста девятью, поэтому сегодня широко распространены мультимедийные клавиатуры, количество клавиш на которых часто превышает 120.

Мышь была изобретена в 1964 году американским инженером Дугласом Энгельбартом и выпущена на рынок компанией «Xerox» в начале 70-х годов. Первым компьютером, продававшимся вместе с мышью, стал  в 1981 году Xerox 8010 Star Information System.

Рисунок 12. Первая «мышь»

Изначальная конструкция датчика перемещения мыши, изобретённой Энгельбартом, состояла из двух перпендикулярных колес, выступающих из корпуса устройства. При перемещении мыши колеса крутились каждое в своем измерении. Такая конструкция имела много недостатков и довольно скоро была заменена шаровым приводом. В шаровом приводе движение мыши передается на выступающий из корпуса гуммированный стальной шарик (его вес и резиновое покрытие обеспечивают хорошее сцепление с рабочей поверхностью). Два прижатых к шарику ролика снимают его движения по каждому из измерений и передают их на датчики, преобразующие эти движения в электрические сигналы. Основной недостаток шарового привода — загрязнение шарика и снимающих роликов, приводящее к заеданию мыши и необходимости в периодической её чистке. Несмотря на недостатки, шаровой привод долгое время доминировал, успешно конкурируя с альтернативными схемами датчиков. В настоящее время шаровые мыши полностью вытеснены оптическими мышами второго поколения.

Существовало два варианта датчиков для шарового привода. Контактный датчик представляет собой текстолитовый диск с лучевидными металлическими дорожками и тремя контактами, прижатыми к нему. Такой датчик достался шаровой мыши «в наследство» от прямого привода. Основными недостатками контактных датчиков является окисление контактов, быстрый износ и невысокая точность. Поэтому со временем все мыши перешли на бесконтактные оптопарные датчики. Оптронный датчик состоит из двойной оптопары — светодиода и двух фотодиодов (обычно — инфракрасных) и диска с отверстиями или лучевидными прорезями, перекрывающего световой поток по мере вращения.

Рисунок 13. Оптико-механический датчик

При перемещении мыши диск вращается, и с фотодиодов снимается сигнал с частотой, соответствующей скорости перемещения мыши. Второй фотодиод, смещённый на некоторый угол или имеющий на диске датчика смещённую систему отверстий/прорезей, служит для определения направления вращения диска (свет на нём появляется/исчезает раньше или позже, чем на первом, в зависимости от направления вращения). Оптические датчики призваны непосредственно отслеживать перемещение рабочей поверхности относительно мыши. Исключение механической составляющей обеспечивало более высокую надёжность и позволяло увеличить разрешающую способность детектора.

Первое поколение оптических датчиков было представлено различными схемами оптопарных датчиков с непрямой оптической связью — светоизлучающих и воспринимающих отражение от рабочей поверхности светочувствительных диодов. Такие датчики имели одно общее свойство — они требовали наличия на рабочей поверхности (коврике) специальной штриховки (перпендикулярными или ромбовидными линиями). В некоторых моделях мышей эти штриховки выполнялись красками, невидимыми в обычном свете (такие коврики даже могли иметь рисунок). Недостатками таких датчиков обычно называют:

необходимость использования специального коврика и невозможность его замены другим. Кроме всего прочего, коврики разных оптических мышей часто не были взаимозаменяемыми и не выпускались отдельно;

необходимость определённой ориентации мыши относительно коврика, в противном случае мышь работала неправильно;

чувствительность мыши к загрязнению коврика (ведь он соприкасается с рукой пользователя) — датчик неуверенно воспринимал штриховку на загрязнённых местах коврика;

высокую стоимость устройства.

В СССР и России оптические мыши первого поколения, как правило, встречались только в зарубежных специализированных вычислительных комплексах.

Оптические мыши второго поколения сделаны на базе микросхемы, содержащей фотосенсор и процессор обработки изображения. Удешевление и миниатюризация компьютерной техники позволили уместить всё это в одном элементе за доступную цену. Фотосенсор периодически сканирует участок рабочей поверхности под мышью. При изменении рисунка процессор определяет, в какую сторону и на какое расстояние сместилась мышь. Сканируемый участок подсвечивается светодиодом (обычно — красного цвета) под косым углом.

Рисунок 14. Оптический датчик II поколения

Предполагалось, что такой датчик позволит оптической мыши работать на произвольной поверхности, однако скоро выяснилось, что многие продаваемые модели (в особенности первые широко продаваемые устройства) не так уж и безразличны к рисункам на коврике. На некоторых участках рисунка графический процессор способен сильно ошибаться, что приводит к хаотичным движениям курсора, абсолютно неадекватным реальному перемещению. Для склонных к таким сбоям мышей необходимо подобрать коврик с иным рисунком или вовсе с однотонным покрытием.

Отдельные модели также склонны к детектированию мелких движений при нахождении мыши в состоянии покоя, что проявляется дрожанием курсора на экране, иногда с тенденцией сползания в ту или иную сторону.

 

Кнопки — основные элементы управления мыши, служащие для выполнения основных манипуляций: выбора объекта и т. п. Количество кнопок на мыши ограничивает концепция их использования вслепую. Таким образом, можно сделать две или три полноценные кнопки для использования параллельно с перемещением мыши по столу — под указательный, средний и безымянный пальцы (для трех кнопок). Крайние кнопки называют по положению - левая (под указательный палец правши), правая и средняя, для трёхкнопочной мыши.

Долгое время двух- и трёхкнопочные концепции противостояли друг другу (кстати, компьютеры фирмы Apple до недавнего времени вообще комплектовались исключительно однокнопочными манипуляторами). Двухкнопочные мыши поначалу лидировали, так как на их стороне, кроме простоты (три кнопки проще перепутать), удобства и отсутствия излишеств, было программное обеспечение, которое едва загружало две кнопки. Но, несмотря ни на что, трёхкнопочные мыши никогда не прекращали продаваться, пока противостоянию не пришёл конец.

Противостояние двух- и трёхкнопочных мышей закончилось после появления прокрутки экрана (скролла), новой популярной возможности. На двухкнопочной мыши появилась небольшая средняя (третья) кнопка (для включения и выключения скроллинга, и по совместительству — средняя кнопка), которая сразу трансформировалась в колесо прокрутки, нажатие на которое работает как средняя кнопка. Трёхкнопочные же мыши объединили среднюю кнопку с колёсиком. Apple же пришла к двухкнопочной мыши своим путем. Изначально посчитав излишней даже вторую кнопку, и до последнего времени Apple строила все свои интерфейсы под однокнопочную мышь. Приняв стандарт USB, компьютеры Macintosh окунулись в мир многокнопочных мышей.

Первые мыши подключались к компьютерам IBM PC через последовательный коммуникационный интерфейс RS-232 (последовательные мыши; разъемом DB25F, и позднее DB9F) и с помощью своего адаптера (шинные мыши – bus mouse). В компьютере PS/2 фирма IBM предусмотрела для мыши специальный порт (с разъемом mini-DIN, точно таким же, как и для клавиатуры). Позднее, разъемы клавиатуры и мыши PS/2 были включены в современный стандарт корпусов — ATX. Такие мыши используются до сих пор, постепенно уступая свои позиции интерфейсу USB. Ещё одним интерфейсом, через который можно подключить мышь, является универсальный беспроводной радиоинтерфейс Bluetooth, который поддерживается на многих платформах.

Внешние интерфейсы 

Однако перечень периферии, подключаемой к компьютеру, не ограничивается монитором, клавиатурой и мышью. Некоторым устройствам для работы не требуется все многообразие возможностей, предлагаемых современными системными шинами, им достаточно всего лишь нескольких проводников для передачи данных в машину, причем этот класс устройств достаточно обширен и включает в себя принтеры, сканеры, графопостроители, устройства внешней памяти и т.п. Для таких «нетребовательных» устройств в ПК предусмотрено несколько простых универсальных интерфейсов, представляющих стандартные способы подключения.

Последовательный портCOM (от слова communication) –  двунаправленный последовательный интерфейс, предназначенный для обмена байтовой информацией. Последовательный потому, что информация через него передаётся по одному биту, бит за битом (в отличие от параллельного порта). Наиболее часто для последовательного порта персональных компьютеров используется стандарт RS-232C (был разработан в 1969 году). Ранее последовательный порт использовался для подключения терминала, позже для модема или мыши. Сейчас он используется для соединения с источниками бесперебойного питания, для связи с аппаратными средствами разработки встраиваемых вычислительных систем.

Хотя некоторые другие интерфейсы компьютера — такие как Ethernet, FireWire и USB — также используют последовательный способ обмена, название «последовательный порт» закрепилось за портом, имеющим стандарт RS-232C, и предназначенным изначально для обмена информацией с терминалом.

Рисунок 15. Разъем последовательного порта

Наиболее часто используются D-образные разъёмы: 9- и 25-контактные, (DB-9 и DB-25 соответственно). Раньше использовались также DB-31 и круглые восьмиконтактные DIN-8. Максимальная скорость передачи обычно составляет 115200 бод.

В настоящее время в персональных компьютерах всё ещё встречается данный вид интерфейса, несмотря на значительное вытеснения другими портами: PS/2 (подключение мыши и клавиатуры).

COM-порты в операционной системе Windows это именованные каналы для передачи данных, называемые обычно COM1,COM2 и т.д. по порядку обнаружения драйверов соответствующих устройств. Например, для обмена информации через Bluetooth многие драйверы представляются операционной системе как COM-порт, и резервируют похожее имя.

Параллельный портLPT (Line Printer Terminal) – международный стандарт параллельного интерфейса для подключения периферийных устройств персонального компьютера. В основе данного стандарта лежит интерфейс Centronics и его расширенные версии (ECP, EPP). Базовый интерфейс Centronics является однонаправленным параллельным интерфейсом, содержит характерные для такого интерфейса сигнальные линии (8 для передачи данных, строб, линии состояния устройства).

Рисунок 16. Разъем параллельного порта

Стандарт позволяет использовать интерфейс в нескольких режимах:

  •  SPP (Standard Parallel Port) — однонаправленный порт, полностью совместим с интерфейсом Centronics.
  •  Nibble Mode — позволяет организовать двунаправленный обмен данными в режиме SPP путём использования управляющих линий (4 бит) для передачи данных от периферийного устройства к контроллеру. Исторически это был единственный способ использовать Centronics для двустороннего обмена данными.
  •  Byte Mode — редко используемый режим двустороннего обмена данными. Использовался в некоторых старых контроллерах до принятия стандарта IEEE 1284 (серия стандартов для совместимых параллельных интерфейсов).
  •  EPP (Enhanced Parallel Port) — разработчики - компании Intel, Xircom и Zenith Data Systems — двунаправленный порт, со скоростью передачи данных до 2Мб/сек.
  •  ЕСР (Extended Capabilities Port) — разработчики - компании Hewlett-Packard и Microsoft, в дополнение появились такие возможности, как наличие аппаратного сжатия данных, наличие буфера и возможность работы в режиме DMA.

В основном параллельный порт используется для подключения к компьютеру принтера, сканера и других внешних устройств, однако может применяться и для других целей (организация связи между двумя компьютерами, подключение каких-либо механизмов телесигнализации и телеуправления). Название «LPT» получил от наименования стандартного устройства принтера «LPT1» (line printer terminal) в операционных системах семейства MS-DOS.

Окончательная стандартизация параллельного порта совпала с началом внедрения шины USB. По этой причине развитие стандарта IEEE-1284 было остановлено.

USBUniversal Serial Bus – универсальная последовательная шина, предназначенная для периферийных устройств. Шина USB представляет собой последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств. Для высокоскоростных устройств лучше применять FireWire. USB-кабель представляет собой две витые пары: по одной паре происходит передача данных в каждом направлении (дифференциальное включение), а другая пара используется для питания периферийного устройства (+5 В). Благодаря встроенным линиям питания, обеспечивающим ток до 500 мА, USB часто позволяет применять устройства без собственного блока питания (если эти устройства потребляют ток не более 500 мА). К одному контроллеру шины USB можно подсоединить до 127 устройств через цепочку концентраторов (они используют топологию "звезда"). В отличие от многих других стандартных типов разъемов, для USB характерны долговечность и механическая прочность.

Стандарт разработали семь компаний: Compaq, Digital Equipment, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom. Летом 1996 года на рынке появились первые компьютеры с портами USB. Технические характеристики:

  •  высокая скорость обмена — 12 Мбит/с
  •  максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена — 3 м
  •  низкая скорость обмена — 1,5 Мбит/с
  •  максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена — 5 м
  •  максимальное количество подключённых устройств (включая разветвители) — 127
  •  возможно подключение устройств с различными скоростями обмена
  •  напряжение питания для периферийных устройств — 5 В
  •  максимальный ток потребления на одно устройство — 500 мА

USB 2.0 отличается от USB 1.1 только большей скоростью и небольшими изменениями в протоколе передачи данных для режима Hi-speed (480Мбит/сек). Существуют три скорости работы устройств USB 2.0 :

  •  Low-speed 10—1500 Кбит/c (используется для интерактивных устройств: клавиатуры, мыши, джойстики)
  •  Full-speed 0,5—12 Мбит/с (аудио/видео устройства)
  •  Hi-speed 25—480 Мбит/с (видео устройства, устройства хранения информации)

На самом деле, хотя в теории скорость USB 2.0 может достигать 480Мбит/с, устройства типа жёстких дисков и вообще любых носителей информации в реальности никогда не достигают такой скорости обмена по шине, хотя и могут развивать её. Это можно объяснить достаточно большими задержками шины USB между запросом на передачу данных и собственно началом передачи. Например, другая шина, FireWire, хотя и обеспечивает максимальную скорость в 400Мбит/с, что на 80Мбит/с меньше чем у USB, в реальности позволяет достичь больших скоростей обмена данными с жёсткими дисками и другими устройствами хранения информации.

USB OTG (аббр. от On-The-Go) — дальнейшее расширение спецификации USB 2.0, предназначенное для лёгкого соединения периферийных USB-устройств друг с другом без необходимости подключения к ПК. Например, цифровой фотоаппарат можно подключать к фотопринтеру напрямую, если они оба поддерживают стандарт USB OTG. Этот стандарт возник из-за резко возросшей в последнее время необходимости надёжного соединения различных USB-устройств без использования ПК. В данной спецификации устройства обходятся без персонального компьютера, т.е. выступают как одноранговые приемопередатчики (на самом деле только создаётся такое ощущение. В действительности же устройства определяют, кто из них будет мастер-устройством, а кто подчиняемым. А одноранговым интерфейс USB быть не может).

В настоящее время USB является основным внешним интерфейсом ПК.

IEEE 1394 (FireWire, i-Link) — последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами. Компания Apple продвигает стандарт под торговой маркой FireWire. Компания Sony продвигает стандарт под торговой маркой i.LINK.

В 1986 году члены Microcomputer Standards Committee (Комитет по Стандартам Микрокомпьютеров) приняли решение объединить существовавшие в то время различные варианты последовательной шины (Serial Bus). В 1992 году разработкой интерфейса занялась Apple, а в 1995 году был принят стандарт IEEE 1394. Основные особенности этого стандарта таковы:

  •  Различная скорость передачи данных — 100, 200 и 400 Мбит/с (800, 1600Мбит/с IEEE 1394b)
  •  Гибкая топология — равноправие устройств, допускающее различные конфигурации
  •  Высокая скорость — возможность обработки мультимедиа-сигнала в реальном времени
  •  Открытая архитектура — отсутствие необходимости использования специального программного обеспечения
  •  Наличие питания прямо на шине (маломощные устройства могут обходиться без собственных блоков питания). До полутора ампер и напряжение от 8 до 40 вольт.
  •  Подключение до 63 устройств.

Шина IEEE 1394 может использоваться с:

  •  Компьютерами
  •  Аудио и видео мультимедийными устройствами
  •  Принтерами и сканерами
  •  Жёсткими дисками, массивами RAID
  •  Цифровыми видеокамерами и видеомагнитофонами

Устройства IEEE 1394 организованы по трехуровневой схеме – Transaction, Link и Physical: Transaction Layer - маршрутизация потоков данных с поддержкой асинхронного протокола записи-чтения. Link Layer - формирует пакеты данных и обеспечивает их доставку. Physical Layer - преобразование цифровой информации в аналоговую для передачи и наоборот, контроль уровня сигнала на шине, управление доступом к шине.

Связь между шиной PCI и Transaction Layer осуществляет Bus Manager. Он назначает вид устройств на шине, номера и типы логических каналов, обнаруживает ошибки.

Данные передаются кадрами длиной 125 микросекунд. В кадре размещаются временные слоты для каналов. Возможен как синхронный, так и асинхронный режимы работы. Каждый канал может занимать один или несколько временных слотов. Для передачи данных устройство-передатчик просит предоставить синхронный канал требуемой пропускной способности. Если в передаваемом кадре есть требуемое количество временных слотов для данного канала, поступает утвердительный ответ и канал предоставляется.

IEEE 1394a. Первоначально интерфейс позиционировался для передачи видеопотоков. Также он пришёлся по нраву и производителям внешних накопителей, обеспечивая высокую пропускную способность для современных высокоскоростных дисков. Сегодня многие системные платы, а так же почти все современные модели ноутбуков поддерживают этот интерфейс. Скорость передачи данных — 100, 200 и 400 Мбит/с, длина кабеля до 4,5 м.

IEEE 1394b (800 Мбит/сек, 1600 Мбит/сек). В 1394b появляются новые скорости — 800 и 1600 мегабит в секунду (возможно, и 3200 Мбит/сек), и увеличивается максимальная длина кабеля до 50, 70 и даже до 100 метров.

Изменились используемые кабели и разъёмы. В 1394b могут применяться даже простые UTP кабели 5 категории, но только на скоростях до 100 Мбит/сек. Для достижения максимальных скоростей на максимальных расстояниях предусмотрено использование оптики (fiber optics), пластмассовой — для длины до 50 метров, и стеклянной — для длин до 100 метров.

Рисунок 17. Разъемы FireWire

Существуют три вида разъёмов для FireWire:

4pin (IEEE 1394a без питания) стоит на ноутбуках и видеокамерах. Два провода для передачи сигнала (информации) и два для приема.

6pin (IEEE 1394a). Дополнительно два провода для питания.

9pin (IEEE 1394b). Дополнительные провода для приема и передачи информации.

 


Принтеры и графопостроители. 

Первый принтер, получивший название UNIPRINTER, был создан в 1953 году компанией Remington Rand для компьютера UNIVAC. По принципу действия напоминал печатную машинку. Основным элементом такого принтера был вращающийся барабан, на поверхности которого располагались рельефные изображения букв и цифр. Ширина барабана соответствовала ширине бумаги, а количество колец с алфавитом было равно максимальному количеству символов в строке. За бумагой располагалась линейка молоточков, приводимых в действие электромагнитами. В момент прохождения нужного символа на вращающемся барабане, молоточек ударял по бумаге, прижимая её через красящую ленту к барабану. Таким образом, за один оборот барабана можно было напечатать всю строку. Далее бумага сдвигалась на одну строку и машина печатала дальше. В СССР такие машины назывались алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ). Их распечатки можно узнать по шрифту, похожему на шрифт печатной машинки и «прыгающим» по строке буквам. Ромашковые (лепестковые) принтеры (daisywheel printer) по принципу действия были похожи на барабанные, однако имели один набор букв, располагающийся на гибких лепестках пластмассового диска. Диск вращался, и специальный электромагнит прижимал нужный лепесток к красящей ленте и бумаге. Так как набор символов был один, требовалось перемещение печатающей головки вдоль строки, и скорость печати была заметно ниже, чем у барабанных принтеров. Заменив диск с символами, можно было получить другой шрифт, а, вставив ленту не черного цвета - получить «цветной» отпечаток.

Матричные принтеры - старейший из ныне применяемых типов принтеров, его механизм был изобретён в 1964 году корпорацией Seiko Epson. Матричные принтеры стали первыми устройствами, обеспечившими графический вывод твёрдой копии. Изображение формируется печатающей головкой, которая состоит из набора иголок (игольчатая матрица), приводимых в действие электромагнитами. Головка передвигается построчно вдоль листа, при этом иголки ударяют по бумаге через красящую ленту, формируя точечное изображение. Этот тип принтеров называется SIDM (англ. Serial Impact Dot Matrix - последовательные ударно-матричные принтеры). Выпускались принтеры с 9, 12, 14, 18 и 24 иголками в головке. Основное распространение получили 9-ти и 24-х игольчатые принтеры. Качество печати и скорость графической печати зависит от числа иголок: больше иголок - больше точек. Принтеры с 24-мя иголками называют LQ (англ. Letter Quality - качество пишущей машинки). Существуют 5-цветные матричные принтеры, в которых используется 4 цветная CMYK лента. Смена цвета производится смещением ленты вверх-вниз относительно печатающей головки. Скорость печати матричных принтеров измеряется в CPS (англ. characters per second - символах в секунду). Основными недостатками матричных принтеров являются: невозможность полноцветной печати, низкая скорость работы и высокий уровень шума. Матричные принтеры распространены до сих пор благодаря дешевизне копии (расходным материалом, по сути, является только красящая лента) и возможности работы с непрерывной (рулонной, фальцованной) и копировальной бумагой. Выпускаются и скоростные линейно-матричные принтеры, в которых большое количество иголок равномерно расположены на челночном механизме (фрете) по всей ширине листа. Скорость таких принтеров измеряется в LPS (англ. Lines per second - строках в секунду).

Принцип действия струйных принтеров похож на матричные принтеры тем, что изображение на носителе формируется из точек. Но вместо головок с иголками в струйных принтерах используется матрица, печатающая жидкими красителями. Картриджи с красителями бывают со встроенной печатающей головкой - в основном такой подход используется компаниями Hewlett-Packard, Lexmark. Фирмы Epson, Canon производят струйные принтеры, в которых печатающая матрица является деталью принтера, а сменные картриджи содержат только краситель. При длительном простое принтера (неделя и больше) происходит высыхание остатков красителя на соплах печатающей головки. Принтер умеет сам автоматически чистить печатающую головку. Но также возможно провести принудительную очистку сопел из соответствующего раздела настройки драйвера принтера. При прочистке сопел печатающей головки происходит интенсивный расход красителя. Особенно критично засорение сопел печатающей матрицы несъемной конструкции. Если штатными средствами принтера не удалось очистить сопла печатающей головки, то дальнейшая очистка и/или замена печатающей головки проводится в ремонтных мастерских. Замена картриджа, содержащего печатающую матрицу, на новый проблем не вызывает. Печатающие головки струйных принтеров создаются с использованием следующих типов подачи красителя:

Непрерывная подача (Continuous Ink Jet) - подача красителя во время печати происходит непрерывно, факт попадания красителя на запечатываемую поверхность определяется модулятором потока красителя. Утверждается, что патент на данный способ печати выдан англичанину Вильяму Томпсону (William Thomson) в 1867 году. В технической реализации такой печатающей головки в сопло под давлением подается краситель, который на выходе из сопла разбивается на последовательность микро капель (объемом нескольких десятков пиколитров), которым дополнительно сообщается электрический заряд. Разбиение потока красителя на капли происходит расположенным на сопле пьезокристаллом, вибрирующим с частотой в десятки килогерц. Отклонение потока капель производится электростатической отклоняющей системой (дефлектором). Те капли красителя, которые не должны попасть на запечатываемую поверхность, собираются в сборник красителя и, как правило, возвращаются обратно в основной резервуар с красителем. Первый струйный принтер, изготовленный с использованием данного способа подачи красителя, выпустила фирма Siemens в 1951 году.

Подача по требованию (Drop-on-demand) - подача красителя из сопла печатающей головки происходит только тогда, когда краситель действительно надо нанести на соответствующую соплу область запечатываемой поверхности. Именно этот способ подачи красителя и получил самое широкое распространение в современных струйных принтерах. На данный момент существует две технические реализации данного способа подачи красителя:

Пьезоэлектрическая (Piezoelectric Ink Jet) - над соплом расположен пьезокристалл с диафрагмой. Когда на пьезоэлемент подаётся электрический ток он изгибается и тянет за собой диафрагму - формируется капля, которая впоследствии выталкивается на бумагу. Широкое распространение получила в принтерах компании Epson. Технология позволяет изменять размер капли.

Термическая (Thermal Ink Jet), также называемая BubbleJet - Разработчик - компания Canon. Принцип был разработан в конце 70-х годов. В сопле расположен микроскопический нагревательный элемент, который при прохождении электрического тока мгновенно нагревается до температуры около 500 °C, при нагревании в чернилах образуются газовые пузырьки (англ. - bubbles - отсюда и название технологии), которые выталкивают капли жидкости из сопла на носитель. В 1981 году технология была представлена на выставке Canon Grand Fair. В 1985-ом появилась первая коммерческая модель монохромного принтера - Canon BJ-80. В 1988 году появился первый цветной принтер - BJC-440 формата A2, разрешением 400 dpi.

Технология - прародитель современной лазерной печати появилась в 1938 году - Честер Карлсон изобрёл способ печати, названный электрография, а затем переименованный в ксерографию. Принцип технологии заключался в следующем. По поверхности фотобарабана коротроном, либо валом заряда равномерно распределяется статический заряд, после этого светодиодным лазером (либо светодиодной линейкой) этот заряд снимается с нужных участков поверхности барабана - тем самым на неё помещается скрытое изображение. Далее на фотобарабан наносится тонер, после этого барабан прокатывается по бумаге, и тонер переносится на бумагу коротроном переноса, либо валом переноса. Тонер, в зависимости от знака его заряда, может притягиваться к поверхности, сохранившей скрытое изображение или фону. После этого бумага проходит через блок термозакрепления для фиксации тонера, а фотобарабан очищается от остатков тонера и разряжается в узле очистки.

Первым лазерным принтером, стал EARS (Ethernet, Alto, Research character generator, Scanned Laser Output Terminal), изобретённый в 1971 году в корпорации Xerox, а серийное производство было налажено во второй половине 70х. Принтер Xerox 9700 можно было приобрести в то время за 350 тысяч (!) долларов, зато печатал он со скоростью 120 стр./мин.

До недавнего времени для соединения принтера с компьютером использовался в основном параллельный порт, однако сегодня большинство принтеров использует для этой цели интерфейс USB. Кроме того, существуют модели со встроенным портом Ethernet, позволяющие подключать принтер непосредственно к локальной сети и организовывать его коллективное использование.

Другим классом устройств, предназначенных для вывода изображений, являются графопостроители или плоттеры. Графопостроитель — устройство для автоматического вычерчивания с большой точностью рисунков, схем, сложных чертежей, карт и другой графической информации на бумаге размером до A0 или кальке. Графопостроители рисуют изображения с помощью пера (пишущего блока). Связь с компьютером графопостроители, как правило, осуществляют через последовательный, параллельный или SCSI-интерфейс. Графопостроители можно классифицировать следующим образом:

  •  по способу формирования чертежа - с произвольным сканированием и растровые;
  •  по способу перемещения носителя - планшетные, барабанные и смешанные (фрикционные, с абразивной головкой).
  •  по используемому инструменту (типу чертежной головки) - перьевые, фотопостроители, со скрайбирующей головкой, с фрезерной головкой.

Планшетные графопостроители. В планшетных графопостроителях носитель неподвижно закреплен на плоском столе. Закрепление либо электростатическое, либо вакуумное, либо механическое за счет притягивания прижимающих бумагу пластинок, к электромагнитам, вмонтированным в поверхность стола. Специальной бумаги не требуется. Головка перемещается по двум перпендикулярным направлениям. Размер носителя ограничен размером планшета.

В некоторых устройствах небольших размеров головка закреплена неподвижно, а перемещается стол с закрепленным на нем носителем, как это сделано во фрезерных станках с числовым программным управлением.


Графопостроители с перемещающимся носителем.
Имеются три разновидности графопостроителей с перемещающимся носителем:

  •  барабанные графопостроители, в которых носитель фиксированного размера укреплен на вращающемся барабане;
  •  фрикционные графопостроители, в которых носитель перемещается с помощью фрикционных роликов. Эти графопостроители (при равных размерах чертежа) много меньших габаритов, чем барабанные. Одна из новых разновидностей фрикционного графопостроителя, появившаяся благодаря технологическим достижениям в металлообработке - графопостроитель с т. н. абразивной головкой, в которых валики привода бумаги - стальные со специальной насечкой, не забивающейся волокнами бумаги;
  •  рулонные графопостроители, которые подобны фрикционным, но используют специальный носитель с краевой перфорацией.

Вне зависимости от способа перемещения носителя, система привода графопостроителей с произвольным сканированием использует либо шаговые двигатели, поворачивающиеся на фиксированный угол при подаче одного импульса, либо исполнительную систему с обратной связью, содержащую двигатели привода и датчики положения. Перемещения с шаговыми двигателями обычно выполняются на 1 шаг по одному из 8 направлений. Поэтому требуется аппроксимация вычерчиваемой кривой штрихами основных направлений. Повышение точности аппроксимации достигается как уменьшением шага, так и путем увеличения числа направлений перемещения за счет использования дополнительных пар моторов или за счет изменения передаточного числа.

Электростатические графопостроители. Электростатические графопостроители работают на безударном электрографическом растровом принципе. Специальная бумага с повышенными диэлектрическими свойствами перемещается под электростатической головкой, содержащей иголки с плотностью 40-100 на 1 см. К иголкам прикладывается отрицательное напряжение, в результате чего диэлектрическая бумага заряжается и на ней создается скрытое изображение. Затем бумага проходит через бокс, в котором над ней распыляется положительно заряженный тонер. Заряженные области притягивают частицы тонера. В цветных системах этот процесс повторяется для каждого их основных цветов - голубого, пурпурного и желтого, а также черного.

Электростатические графопостроители быстрее перьевых графопостроителей, но медленнее лазерных печатающих устройств. Их скорость составляет от 500 до 1000 линий, наносимых на бумагу в 1 мин. Они работают с разрешением 200-400 точек на дюйм. Электростатические графопостроители необходимы, если требуется высококачественный цветной вывод. Такой графопостроитель в 10-20 раз быстрее перьевого. Эти графопостроители весьма дорогие.

Точность вывода графопостроителя определяется минимально возможным значением приращения координаты. Обычные значения – десятки микрометров. Разрешение определяется фактическими возможностями исполнительной системы и чертежной головки. Для перьевых графопостроителей обычные значения - доли миллиметра. Для фотопостроителей - менее 10 микрометров.

Уникальные высокоточные графопостроители имеют зачастую и уникальные протоколы управления. Графопостроители широкого распространения, как правило, поддерживают протокол графопостроителей HPGL (Hewlett Packard Graphics Language). Он содержит небольшое количество графических функций, легко читается и интерпретируется. Некоторые графопостроители интерпретируют протокол REGIS, разработанный для терминалов VT 240.

Фотопостроители. Используются в очень точных построениях, изготовлении печатных плат. Плюсы: дешевле перьевых, быстрее. Минусы: для работы, как правило, необходимы специальные помещения (затемненные фотолаборатории) и специальные расходные материалы.

 Сетевое оборудование. 

Важным свойством компьютера является возможность работы в сети. Современные ПК, как правило, стандартно оснащены одним или несколькими адаптерами сетевых интерфейсов, проводных или беспроводных.

Что касается проводных сетей, то сегодня в персональных компьютерах в основном используется технология Ethernet. Сетевой адаптер может быть встроен в материнскую плату или соединяться с ней при помощи слота PCI. Ethernet (от лат. aether — эфир) — пакетная технология компьютерных сетей, преимущественно локальных.

Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат пакетов и протоколы управления доступом к среде. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией ЛВС в середине 90-х годов прошлого века, вытеснив такие устаревшие технологии, как Arcnet, FDDI и Token ring.

Технология Ethernet была разработана вместе со многими первыми проектами корпорации Xerox PARC. Принято считать, что Ethernet был изобретён 22 мая 1973 года, когда Роберт Меткалф (Robert Metcalfe) составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet. Но законное право на технологию Меткалф получил через несколько лет. В 1976 году он и его ассистент Дэвид Боггс (David Boggs) издали брошюру под названием «Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks».

Меткалф ушёл из Xerox в 1979 году и основал компанию 3Com для продвижения в массы локальных вычислительных сетей (ЛВС). Ему удалось убедить DEC, Intel и Xerox работать совместно и разработать стандарт Ethernet (DIX). Впервые этот стандарт был опубликован 30 сентября 1980 года. Он начал соперничество с двумя крупными запатентованными технологиями Token Ring и ARCNET, которые вскоре были похоронены под накатывающимися волнами продукции Ethernet. В процессе борьбы 3Com стала основной компанией в этой отрасли.

В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды используется коаксиальный кабель, в дальнейшем появилась возможность использовать витую пару и оптоволокно. Метод управления доступом — множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), скорость передачи данных 10 Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт, описаны методы кодирования данных. Количество узлов в одном разделяемом сегменте сети ограничено предельным значением в 1024 рабочих станции (спецификации физического уровня могут устанавливать более жёсткие ограничения, например, к сегменту тонкого коаксиала может подключаться не более 30 рабочих станций, а к сегменту толстого коаксиала — не более 100). Однако сеть, построенная на одном разделяемом сегменте, становится неэффективной задолго до достижения предельного значения количества узлов.

В 1995 году был принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с, а позже был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с. Появилась возможность работы в режиме полный дуплекс.

Среди беспроводных сетевых технологий стоит выделить Wi-Fi и стандарт IEEE 802.11

IEEE 802.11 — стандарт связи, описывающий локальные компьютерные сети, построенные на основе высокочастотного радиоканала. На этом стандарте основан стандарт Wi-Fi. Он получил широкое распространение благодаря развитию мобильных компьютеров: КПК и ноутбуков.

Изначально стандарт IEEE 802.11 предполагал возможность передачи данных по радиоканалу на скорости не более 1 Мбит/с и опционально на скорости 2 Мбит/с. В более поздней версии — IEEE 802.11b, фактически являющейся дополнением к основному стандарту, определяется скорость передачи 1, 2, 5,5 и 11 Мбит/с.

Стандарт IEEE 802.11b был принят уже в 1999 году в развитие принятого ранее стандарта IEEE 802.11. Продукты стандарта IEEE 802.11b, поставляемые разными изготовителями, тестируются на совместимость и сертифицируются организацией Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA), которая в настоящее время больше известна под названием Wi-Fi Alliance. Совместимые беспроводные продукты, прошедшие испытания по программе «Альянса Wi-Fi» могут быть маркированы знаком Wi-Fi.

В настоящее время IЕЕЕ 802.11b это самый распространённый стандарт, на базе которого построено большинство беспроводных локальных сетей.

Проект стандарта IEEE 802.11g был утверждён в октябре 2002 г. Этот стандарт предусматривает использование диапазона частот 2,4 ГГц, обеспечивая скорость передачи 54 Мбит/с и превосходя, таким образом, ныне действующий стандарт IEEE 802.11b. Кроме того, он гарантирует обратную совместимость со стандартом 802.11b. Обратная совместимость стандарта IEEE 802.11g может быть реализована в двух вариантах: с ограничением скорости, в 11 и в 54 Мбит/с. Таким образом, данный стандарт является наиболее приемлемым при построении беспроводных сетей.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

6243. Генетика как научный фундамент биотехнологии 93.5 KB
  Генетика как научный фундамент биотехнологии Основы биотехнологии. Задачи биотехнологии. Структура современной биотехнологии Клеточная инженерия: достижения и перспективы Генная инженерия: достижения и перспективы Генетические основы выс...
6244. Рынок капитала, рынок земли 80.5 KB
  Рынок капитала, рынок земли. 1. Понятие капитала и процента. 2. Долгосрочные инвестиции. Анализ эффективности инвестиций. 3. Рынок земельных ресурсов и земельная рента. 4. Прибыль как факторный доход. 1. Капитал - это определенная сумма благ в ...
6245. Язык программирования Паскаль 73.5 KB
  Язык программирования Паскаль План Основные сведения Основные элементы Паскаля Структура программы Организация и описание данных Основные сведения Язык Паскаль является одним из самых распространенных в настоящее время алгори...
6246. Абсолютизация идеализма у Г.В.Ф. Гегеля 102.5 KB
  Абсолютизация идеализма у Г.В.Ф. Гегеля. Вопрос 1 Истоки и основные параметры философской системы Гегеля. Всё действительное разумно, всё разумное действительно (Гегель). Жизнь и труды Гегеля. Немецкий философ Георг Вильгельм Фридрих Гегель (1770-18...
6247. Россия в начале XVII в. Смутное время 83.5 KB
  Россия в начале XVII в. Смутное время Борьба за власть в период правления Федора Ивановича (1584-1598). Борис Годунов (1598-1605). После смерти Ивана IV Грозного царствовать начал его сын Федор Иванович (род. 21 мая 1557). Власть фактически пе...
6248. Фармакопейный анализ кислоты борной и натрия тетрабората, железа сульфата, натрия гидрокарбоната 101 KB
  Фармакопейный анализ кислоты борной и натрия тетрабората, железа сульфата, натрия гидрокарбоната Бор и его соединения В природе бор встречается в виде борной кислоты, которая содержится в воде горячих источников. Соединения бора содержатся также в н...
6249. CD и DVD 104 KB
  CD и DVD Что такое СD? Конструкция диска CD-DA (Compact Disk - Digital Audio, компакт-диск - цифровой звук) и способ записи звука на нем описывается стандартом предложивших его фирм Sony и Philips, изданным в 1980 году под названием Red Book...
6250. Генетика популяций. Выполнение закона Харди–Вайнберга в природных популяциях 137.5 KB
  Генетика популяций 1. История понятия популяция. Современное определение популяции. Генетическая структура популяции 2. Закон Харди–Вайнберга - основной закон популяционной генетики 3. Выполнение закона Харди–Вайнберга в природных поп...
6251. От философии Гегеля к марксизму 93.5 KB
  От философии Гегеля к марксизму. Вопрос 1 Философия Л. Фейербаха и К. Маркса: поворот к материализму. Не Бог человека, а человек Бога создал по образу и подобию своему (Л. Фейербах). Философы различным образом объясняли мир, но дело за...