Аппаратное обеспечение hardware. Что такое аппаратное и программное обеспечение. Внешняя память

Аппаратное обеспечение hardware. Что такое аппаратное и программное обеспечение. Внешняя память
15.01.2021

Является той основой, благодаря которой вычислительная машина может выполнять возложенные на нее задачи. Отчасти, это и есть сама электронная вычислительная машинка. Иногда пользователи-новички задают вопрос о том, что же такое аппаратное обеспечение компьютера? На самом деле ничего сложного нет - основная проблема в терминах. Громкое название ничем не лучше краткого, если смысл, стоящий за словами, одинаков. Так произошло и в этом случае. Так, вместо термина «аппаратное обеспечение компьютера» можно было бы использовать более емкое слово «компоненты». Ведь вряд ли кому-то придет в голову назвать программу компьютерным компонентом. Но раз в сообществе установился именно первый термин, то давайте ознакомимся с тем, что же он означает.

Пожалуй, начнем с поясняющего примера-аналогии. Представьте себе легковой автомобиль. В сумме это сложная конструкция, состоящая из корпуса, двигателя, вспомогательных устройств, топлива. Современные машины становятся все интеллектуальнее, научившись контролировать уровень топлива; «следят» за работой основных узлов. Но даже сейчас всей этой металлической системой управляет живой человек-водитель. Направление движения, двигатель, колеса - все послушно его воле. Поедет ли автомобиль самостоятельно, сможет ли принимать решения? Вряд ли. В данном примере машина - это компьютера. Соответственно, программное - это все те программы, которые определенным образом управляют работой всех «железных» узлов. Возвращаясь к аналогии с автомобилем, приложения можно сравнить с человеком-водителем. Конечно, есть ряд оговорок, например, человек может пойти пешком, а компьютерная программа без аппаратной части будет бессмысленным набором знаков.

Итак, аппаратное обеспечение компьютера представляет все те устройства, из которых состоит компьютер, а также другие, конструкция которых предусматривает их использование с ПК.

Сейчас в магазинах есть как стационарные ЭВМ, так и переносные (ноутбуки). Несмотря на внешние отличия, принципы работы компонентов в них одинаковы. Поэтому перечислим, что включает в себя аппаратное обеспечение персонального компьютера.

Одна из основных частей ЭВМ - это процессор. Функциями этой довольно крупной микросхемы является обработка цифровых данных и частичное обеспечение взаимодействия остальных подключенных компонентов. Основными производителями процессоров для настольных компьютеров являются компании Intel и AMD.

Главная плата (материнская, материнка, mainboard, системная), как следует из названия, является основой, к которой подключаются все внутренние и периферийные компоненты. Кроме того, она содержит специальные микросхемы, управляющие работой некоторых узлов. Раньше на системной плате их было две, сейчас же одна из них полностью интегрировалась в процессор.

Для пользователя и необходимых для работы программ используется винчестер. Ранее в данном типе устройств применялся магнитный принцип записи, но в последнее время появилась альтернатива в виде флеш-технологии, которой предрекают большие перспективы в будущем.

Сюда же входит дисковод для компакт-дисков, видеоадаптер, память. Также, как уже было сказано, кроме внутренних компонентов к аппаратному обеспечению относятся и внешние устройства. Так, мышка, колонки, монитор, принтер, сканер и т.д. То есть все те устройства, которые предназначены для работы в составе компьютерной системы. Можно сказать иначе: их можно увидеть, потрогать руками, отремонтировать с помощью отвертки, что совершенно немыслимо для программ.

Компьютер является универсальным инструментом, предназначенным для обработки информации. Он способен выполнять вычисления, обрабатывать тексты, распознавать и формировать изображения, преобразовывать и анализировать сигналы, управлять разнообразными объектами и технологическими процессами, решать логические задачи и т. п.

Персональный компьютер - это совокупность аппаратного и программного обеспечения , эти две взаимосвязанные части не могут функционировать друг без друга.

Технические средства, которые входят в состав компьютера, называются его аппаратным обеспечением (hardware).

С помощью одного и того же компьютера можно решать большое количество разнообразных задач. Функционирование компьютера обеспечивается целым комплексом программ, называемым программным обеспечением (software).

Американский ученый Дж. фон Нейман в 1946г. сформулировал общие принципы организации и функционирования компьютеров, другими словами -- описал архитектуру компьютеров, которую принято называть фон-неймановской.

Архитектуру современного компьютера, в которой используются идеи фон Неймана, иллюстрирует функциональная схема, приведенная на рис. 1. В соответствии с этой схемой, в состав аппаратной части компьютера должны входить такие основные устройства (функциональные блоки): центральный процессор, включающий устройство управления и арифметико-логическое устройство (АЛУ), оперативная память и устройства ввода и вывода.

Микропроцессор является самым главным элементом компьютера и представляет собой электронную схему, выполняющую все вычисления и обработку информации. Он осуществляет выполнение программ, работающих в компьютере, и управляет работой остальных устройств компьютера.

Программы и данные хранятся в единой, линейной памяти. Структурно оперативная память состоит из пронумерованных ячеек. Номер ячейки называется ее адресом. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Процессор выполняет команды одну за другой, т. е работает последовательно. После выполнения каждой команды, ее результат записывается в оперативную память.

Процессор современного персонального компьютера выполнен в виде микросхемы -- единого микроэлектронного устройства, созданного на кристалле полупроводника и помещенного в миниатюрный корпус (поэтому он и называется микропроцессором).

Скорость работы процессора характеризуется тактовой частотой, которая задается специальным генератором и измеряется в мегагерцах (МГц); 1 МГц -- это миллион тактов в секунду. Процессоры современных персональных компьютеров могут выполнять за такт несколько операций, а тактовая частота достигает тысяч мегагерц. Скорость работы процессора во многом определяет быстродействие компьютера.

Вся память компьютера делится на внутреннюю (основную) и внешнюю . К внутренней памяти относятся: оперативная память, регистры процессора, постоянная память и кэш-память.

Оперативная память представляет собой микросхемы, предназначенные для временного хранения информации обрабатываемой процессором . При этом выполняется следующее условие: в любой момент существует возможность работы с любой ячейкой оперативной памяти. Английское название оперативной памяти -- RAM (Random Access Memory -- память с произвольным доступом). При отключении питания компьютера вся информация, которая находилась в оперативной памяти, исчезает, если она не была сохранена на других носителях информации. Объем оперативной памяти также определяет вычислительную мощность компьютера, измеряется в мегабайтах (МГб). Объем оперативной памяти легко расширяется путем добавления необходимого количества микросхем. У современных компьютеров объем оперативной памяти достигает тысяч Мегабайт.

Регистры -- это сверхскоростная память процессора . Они сохраняют адрес команды, саму команду, данные для ее выполнения и результат.

Для увеличения производительности компьютера, временного сохранения содержимого ячеек оперативной памяти используется кэш-память (от английского cashe - состав, тайник). Кэш-память -- это промежуточное запоминающее устройство, используемое для ускорения обмена между процессором и RAM . В современных компьютерах применяются несколько уровней кэш-памяти. Кэш-память может размещаться как на кристалле микропроцессора, так и на системной плате. Системная (или материнская) плата -- это плата, на которой размещены процессор, оперативная и постоянная память, а также системная шина, через которую осуществляется связь со всеми другими устройствами компьютера.

Постоянная память -- это электронная память, предназначенная для длительного сохранения программ и данных. Используется она только для чтения данных. Как правило, эта информация записывается при изготовлении компьютера и служит для начальной загрузки операционной системы, проверки работоспособности компьютера. Эту память обозначают аббревиатурой ROM (Read Only Memory -- память только для чтения).

Внешняя память компьютера рассчитана на длительное хранение программ и данных. Она реализуется с помощью специальных устройств (накопителей). Основной характеристикой внешней памяти является ее объем.

Персональный компьютер - компьютер (вычислительная машина) предназначенный для личного использования, цена, размеры и возможности которого удовлетворяют запросы большого количества людей.

Современные ПК характеризуются:

· небольшими размерами,

· возможностью для пользователя работать с ПК лично, без посредничества профессионального программиста,

· малым потреблением электрической энергии,

· удобством и комфортностью общения пользователя и ПК.

ЭВМ выполняют две основные функции:

· обработка и хранение информации

· обмен информацией с внешними объектами.

Выполнение этих функций осуществляется с помощью двух компонентов ЭВМ: программного обеспечения и аппаратного обеспечения.

Под аппаратным обеспечением понимают обычно все узлы, модули и блоки, составляющие компьютер или компьютерную систему. В современных компьютерах используется так называемая «открытая архитектура», т.е. состав аппаратного обеспечения компьютера можно изменить, поменяв один из модулей, или расширить, вставив дополнительный модуль.

Аппаратное обеспечение современных ПК включает в себя следующее:

· системный блок,

· устройства ввода информации в ПК (например, клавиатура),

· устройства вывода информации из ПК (например, монитор).

Системный блок, клавиатура и монитор вместе составляют персональный компьютер в минимальной конфигурации, т.е. позволяют работать с информацией на компьютере

Корпуса системных блоков бывают нескольких типов: вертикальный (tower), горизонтальный (desktop), моноблок (системный блок и монитор в одном корпусе). Существуют переносные компьютеры типа Notebook (ноутбук), предназначенные для работы от автономной батареи.

Внутри системного блока располагаются:

· источник питания,

· материнская (системная) плата

· процессор,

· оперативная память,

· жесткий диск,

· накопитель гибких дисков (устарев).

· привод CD–ROM, DVD-ROM, DVD-RW;

· звуковая карта,

· сетевая карта.

Также в состав компьютерных систем входят и внешние устройства, называемые периферийными.

Периферийными называют все устройства компьютера, расположенные вне материнской платы. Часть устройств хоть и расположены вне материнской платы, но также как и материнская плата находятся в системном блоке: винчестер, дисководы, CD–ROM, звуковая карта, сетевая карта и некоторые др.

По назначению периферийные устройства можно подразделить на:

· устройства ввода данных; в устройства вывода данных;

· устройства хранения данных;

· устройства обмена данными.

Теперь рассмотрим отдельные элементы более подробно.

Материнская плата - печатная плата, на которой монтируется чипсет и прочие компоненты компьютерной системы.



На материнской плате кроме чипсета 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 включаются в материнскую плату, или подключаются к ней с помощью слотов расширения.

Центральный процессор – это «мозг» любого компьютера. Процессор производит все вычисления (арифметические и логические операции), взаимодействует с памятью и осуществляет управление всеми компонентами ПК. Таким образом, процессор включает в себя следующие части:

· арифметико-логическое устройство (АЛУ),

· устройство управления (УУ).

· внутренние регистры – ячейки памяти внутри кристалла процессора, предназначенные для хранения промежуточной информации.

Важнейшими характеристиками процессора, определяющими его производительность (количество операций в единицу времени) являются: тактовая частота, разрядность, объем адресуемой памяти.

Тактовая частота определяет скорость выполнения операций в процессоре. При повышении тактовой частоты увеличивается производительность процессора. Современные процессоры имеют тактовые частоты 400-4000 МГц и более.

Разрядность обрабатываемых данных – количество бит информации, одновременно вводимой в процессор и выводимой из него. Чем больше разрядность, тем больше информации может обработать процессор в единицу времени. Разрядность современных процессоров – 32 и 64 бит.

Объем адресуемой памяти (адресное пространство)– максимальное число ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано процессором.

Мультипроцессор - это компьютерная система, которая содержит несколько процессоров и одно адресное пространство, видимое для всех процессоров. Он запускает одну копию ОС с одним набором таблиц, в том числе теми, которые следят какие страницы памяти свободны. Содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (на одном или нескольких кристаллах).

Внутренняя память – это память, расположенная на материнской плате. Внутреннюю память составляют два устройства: ОЗУ и ПЗУ.

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) предназначено для хранения текущих программ и текущей информации, т.е. программ и информации, с которыми в данный момент работает пользователь. В англоязычной литературе ОЗУ называют RAM (random access memory – память случайного доступа).

Основными характеристиками ОЗУ являются: объем и время доступа.

Объем ОЗУ (ед. измерения – Мбайт) – это общее количество ячеек памяти на всех кристаллах ОЗУ. В каждой ячейке может хранится либо «1» либо «0». Ячейки в кристаллах памяти объединены в блоки по 8 ячеек, и в каждый такой блок таким образом можно записать байт информации. От объема ОЗУ во многом зависит скорость работы компьютера: чем больше объем ОЗУ, тем быстрее работает компьютер.

Время доступа – время, за которое процессор может прочитать содержимое ячейки ОЗУ или записать в нее информацию. Чем меньше время доступа, тем быстрее общается процессор с ОЗУ и тем быстрее работает компьютер.

ОЗУ является энергозависимой памятью, т.е. при отключении питания оно «забывает» всю записанную в него информацию.

ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) – хранит программу первоначальной загрузки компьютера, информацию о системной плате и расположенных на ней устройствах, информацию о подключенных устройствах внешней памяти, текущее время др.

Внешняя (периферийная) память – это память, расположенная вне материнской платы. На устройствах внешней памяти хранятся тексты программ, документы и другая информация. Эту память часто называют долговременной. Если необходимо работать с какой-то программой, то она сначала копируется с устройств внешней памяти в оперативную память и затем запускается. Наиболее часто внешняя память ПК представлена накопителями на гибких магнитных дисках и накопителями на жестких дисках.

Накопитель на жёстких магнитных дисках, жёсткий диск, винчестер - энергонезависимое, перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство. Является основным накопителем данных практически во всех современных компьютерах.

Графическая плата или видеокарта - устройство, преобразующее изображение, находящееся в памяти компьютера, в видеосигнал для монитора. Обычно видеокарта является платой расширения и вставляется в специальный разъём для видеокарт на материнской плате, но бывает и встроенной, иначе говоря, интегрированной.

Современные видеокарты не ограничиваются простым выводом изображения, они имеют встроенный графический микропроцессор, который может производить дополнительную обработку, разгружая от этих задач центральный процессор компьютера.

Звуковая плата или звуковая карта - позволяет работать со звуком на компьютере. В настоящее время звуковые карты бывают как встроенными в материнскую плату, так и отдельными платами расширения или как внешними устройствами.

Сетевая плата или сетевая карта - периферийное устройство, позволяющее компьютеру взаимодействовать с другими устройствами сети.

Периферийные устройства для ввода информации в компьютер.

Клавиатура – устройство, с помощью которого осуществляется ввод данных и команд в ПК. Клавиатура снабжена специальным кабелем, посредством которого она подключается к специальному разъему на системном блоке.

Мышь – широко используемое в настоящее время устройство ввода информации. Позволяет быстро отметить какую-либо точку на экране монитора. Работа с некоторыми программами без мыши практически невозможна.

Сканер – устройство ввода графической информации (фотографий, изображений и др.) в компьютер.

Существуют и другие устройства ввода информации в компьютер: цифровые фотоаппараты, манипуляторы «световое перо» и пр. Некоторые манипуляторы, функционально аналогичны или дополняют мышь: трекбол, джойстик, виртуальный шлем и др.

Периферийные устройства для вывода информации из компьютера.

Монитор (дисплей) – устройство вывода алфавитно-цифровой и графической информации ПК. Монитор является основным техническим средством организации общения между пользователем и компьютером. Внешне напоминает телевизор.

Качество изображения монитора определяют следующие характеристики: размер диагонали, разрешение, палитра, частота кадров.

Изображение на экране монитора формируется с помощью точек (пикселей). Количество пикселей по горизонтали и вертикали и определяет разрешение экрана. Типичные значения: 800´600 для 14-дюймового монитора, 1600´1200 для 19-дюймового. Чем больше размер диагонали экрана и выше разрешение, тем качественнее изображение, так как лучше прорисовываются мелкие детали.

Цветовую гамму (палитру) выводимого изображения определяет размер видеопамяти – чем больше ее объем, тем больше цветов и оттенков может вывести монитор. Для обычного пользователя, как правило, достаточно 16 тысяч цветов и оттенков.

Комфортность работы за монитором во многом определяет такая характеристика монитора, как максимальная частота смены кадров (обычные значения: 75–100Гц, т.е. за секунду изображение на экране обновляется 75-100 раз).

Принтер – устройство вывода, обеспечивающее печать выдаваемой компьютером информации. В качестве носителя чаще всего используется бумага.

Принтеры делятся на следующие типы: матричные, струйные, лазерные.

Наиболее простые принтеры – матричные (дешевые, качество изображения низкое, уровень шума высокий). Принцип печати таких принтеров следующий: печатающая головка содержит ряд тонких металлических стержней (иголок). Головка движется вдоль печатаемой строки, а стержни в нужный момент ударяют по бумаге через красящую ленту.

В струйных принтерах изображение формируется микрокаплями специальных чернил, выдуваемых на бумагу с помощью сопел. Такие принтеры обеспечивают высокое качество при печати на специальную бумагу, удобны и для цветной печати. Однако струйные принтеры дороже матричных и требуют тщательного ухода и обслуживания.

Лазерные принтеры обеспечивают самое высокое качество печати. В этих принтерах используется принцип ксерографии: изображение переносится на бумагу со специального барабана, к которому электрически притягиваются частички краски, только в отличие от ксерокса печатающий барабан электризуется с помощью лазера по командам компьютера.

Графопостроитель (плоттер) – устройство вывода, позволяющее получить высококачественные чертежи.

Модем (аббревиатура, составленная из слов модулятор-демодулятор)- устройство, применяющееся в системах связи и выполняющее функцию модуляции и демодуляции. Модулятор осуществляет модуляцию, то есть изменяет характеристики несущего сигнала в соответствии с изменениями входного информационного сигнала, демодулятор осуществляет обратный процесс. Частным случаем модема является широко применяемое периферийное устройство для компьютера, позволяющее ему связываться с другим компьютером, оборудованным модемом, через телефонную сеть (телефонный модем) или кабельную сеть (кабельный модем).

Классификация компьютеров.

Предмет и задачи дисциплины.

Лекция №1.

Предмет и задачи дисциплины "Информационные технологии в фармации". Устройство персонального компьютера.

1. Главные трудности при решении различных задач в медицине и здравоохране­нии, помимо дефицита ресурсов, определяются недо­статком времени и информа­ции. В настоящее время скорость и качество получения и обработки информации стали условием су­ществования и прогресса отрасли. Эту проблему нельзя решить без использования компьютеров и компьютерных технологий.

Развитие компьютерных технологий, прежде всего в области персональных компьютеров (ПК), связанное с существенным по­вышением производительности вычислительных средств, при од­новременном снижении их стоимости, повыше­нии надежности, уменьшении габаритных размеров, привело к революционным из­менениям в области обработки медицинской информации.

Понятие о медицинской информатике.

Информационные процессы присутствуют во всех областях меди­цины и здравоохранения. От их упорядоченности зависит четкость функционирова­ния отрасли в целом и эффективность управления ею. Информационные процессы в медицине рассматривает меди­цинская информатика.

В настоящее время медицинская информатика признана как са­мостоятель­ная область науки, имеющая свой предмет, объект изуче­ния и занимающая место в ряду других медицинских дисциплин. С другой стороны, методоло­гия медицинской информатики основа­на на методологии общей информа­тики. Каковы же теоретические основания информатики?

Любые физические характеристики материи могут рассматри­ваться как сигналы. Следовательно, все процессы в природе сопро­вождаются сигна­лами. При взаимодействии сигналов с физически­ми телами, в последних мо­гут возникать определенные изменения свойств - это явление называется регистрацией сигналов. Зареги­стрированные сигналы образуют данные.

Ближе к повседневной практике, данные - это полученные в результате прямого наблюдения процесса или явления числа, сим­волы, слова, которые фиксируются в документах, передаются по сред­ствам связи, обрабатываются средствами вычислительной техники вне зависимости от их содержания. Данные, вследствие своего происхождения, несут в себе инфор­мацию о событиях (процессах или явлениях), произошедших в ма­териальном мире. Однако они не тождественны информации. Ин­формация извлекается из дан­ных с помощью определенных методов, т. е. информация - это результат извлечения из данных знаний с помощью адекватных методов. Отсюда можно вывести более близ­кое к рассматриваемым далее задачам понятие об информации.


Ин­формация - это полученная в ходе переработки данных со­вокуп­ность знаний (новых, ранее не известных сведений) об этих данных, за­висимостях между ними, описывающая отраженное в данных на­блюдаемое явление.

Информация - это одно из основных универсальных свойств материи, ее атрибутов. Все, что происходит в окружающем мире, так или иначе связано с информацией.

Наиболее важными свойствами информации являются объективность, полнота, достоверность, адекватность, доступность и актуаль­ность. Свойства информации зависят как от свойств данных, так и от свойств методов ее из­влечения.

Информация редко используется в том месте, где она возникает, и обычно не применяется в момент возникновения, ее приходит­ся передавать в про­странстве и во времени, пользуясь искусствен­но созданными или естест­венно возникшими каналами и средст­вами.

Процессы получения (создания) и преобразования информации (сбор, пе­редачу, обработку, накопление, хранение, поиск, распростра­нение и потреб­ление информации) называют информационными процессами.

В самом широком смысле область научно-технической деятель­ности, изу­чающую структуру и общие свойства информации, а так­же занимающуюся исследованием процессов ее получения, переда­чи, обработки, хранения, рас­пространения, представления и использования информационной техники и технологии во всех сфе­рах общественной жизни называют информатикой.

Более узко под информатикой понимают техническую науку, си­стематизи­рующую приемы и методы создания, хранения, воспроиз­ведения, обработки и передачи данных средствами вычислительной техники, а также принципы функционирования этих средств и ме­тоды управления ими.

Единицей информации в компьютере является один бит, т.е. двоичный разряд, который может принимать значение 0 или 1 (да или нет, истина или ложь, и т. п.). Как правило, команды компью­тера работают не с отдель­ными битами, а с восемью битами сразу. Восемь последовательных битов составляют байт. В одном байте можно закодировать значение одного сим­вола из 256 возможных (256 = 2 8). Следовательно, один символ или знак со­держит один байт. Тогда машинописная страница содержит 1800 байт, пе­чатный лист - 40 000 байт, газета - около 200 000 байт. По аналогии с другими единицами, более крупными единицами количества инфор­мации являются килобайт (сокращенно обозначаемый Кбайт), рав­ный 1024 байтам (1024 = 2 10), мегабайт (сокращенно обозначаемый Мбайт), равный 1024 Кбайт, и гигабайт (Гбайт), равный 1024 Мбайт;

2. При классификации по назначению различают большие ЭВМ (элек­тронно-вычислительные машины), мини-ЭВМ и персональные ком­пьютеры.

Персональные компьютеры (ПК) получили свое развитие в тече­ние последних двадцати лет. Персональный компьютер предназна­чен для об­служивания одного рабочего места, часто он связан с боль­шими ЭВМ по линиям, связи.

В свою очередь персональные компьютеры подразделяют на мас­совые, деловые, портативные, развлекательные и рабочие станции. Большин­ство компьютеров, присутствующих на рынке, относятся к массовым ПК. Для деловых ПК снижены требования к средствам воспроизведения графики и к средствам работы со звуковыми дан­ными. Для портативных ПК обязательным является наличие средств компьютерной связи. В раз­влекательных ПК повышены требования к средствам воспроизведения графики и звука. Наконец, в категории рабочих станций повышены тре­бования к устройствам хранения дан­ных.

При классификации по типоразмерам различают настольные ПК, пор­тативные и карманные. Настольные модели распространены наиболее широко. Портативные модели удобны для транспорти­ровки, но их воз­можности несколько ниже, а стоимость выше. Кар­манные модели вы­полняют функции «интеллектуальных записных книжек».

Портативные (ноутбуки) и карманные (палмтопы) модели полу­чили относительно широкое распространение как носимые компью­теры, так как эти компьютеры имеют размеры обычной книги или, соответственно, записной книжки. Тем не менее, они содержат все, что имеет настольный компьютер, за исключением экрана, который вы­полняется на жидкокри­сталлических индикаторах (черно-белый или цветной). Такие компью­теры могут работать 3-6 ч от встроенного блока аккумуляторов.

Компьютеры могут быть классифицированы по совместимости. В на­стоящее время существует большое количество различных ти­пов ПК, от­личающихся степенью совместимости. Различают аппаратную совмес­тимость, совместимость на уровне операционной сис­темы, программную совместимость, совместимость на уровне данных. Наиболее важной яв­ляется аппаратная совместимость. Сейчас наи­более широко распростра­нены две линии (платформы) персональ­ных компьютеров, не совмести­мых друг с другом по оборудованию. Это ПК фирмы IBM и ПК фирмы Apple.

3. В вычислительной технике принято рассматривать отдельно две основные и взаимосвязанные части: аппаратные и программные сред­ства.

К аппаратному обеспечению относятся устройства и приборы, входящие в состав вычислительной системы. Это компьютеры, систе­мы передачи данных и т. п.

К программному обеспечению относятся программы, обеспечива­ющие функционирование вычислительной системы. Программа пред­ставляет со­бой упорядоченную последовательность команд (инструк­ций) для компью­тера.

Программное и аппаратное обеспечение в компьютере работают в непо­средственной связи и в непрерывном взаимодействии.

В состав классического персонального компьютера (базовая кон­фигурация) входят системный блок, монитор, клавиатура (иногда некоторые из этих устройств могут быть совмещены) и мышь.

Системный блок представляет собой основной узел компьютера. В нем размещены: процессор, оперативная память, устройства дол­говременной (внешней) памяти, платы и порты для подключения принтера, модема и иных устройств. Это - внутренние устройства. Дополнительные устрой­ства, предназначенные для ввода, вывода и хранения данных, называют внешними или периферийными.

Монитор - устройство визуального представления данных.

Клавиатура служит для ввода алфавитно-цифровых данных, а также ко­манд управления компьютера. Стандартная клавиатура на­стольных машин имеет 101 и более клавиш, функционально распре­деленных по нескольким группам.

Стержень материнской платы - процессор, точнее главный процессор (Cen­tral Processing Unit, CPU).

Производительность CPU характеризуется следующими основными пар метрами:

Степень интеграции.

Внутренняя и внешняя разрядность обрабатываемых данных.

К аппаратному обеспечению ПК относятся, например:

  • датчики различных параметров (температуры, давления, влажности, а также оптические, звуковые и др.);
  • аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи;
  • модемы (модуляторы-демодуляторы);
  • факс-модемы;
  • сканеры;
  • клавиатура;
  • компьютерная мышь;
  • графические планшеты;
  • трекбол;
  • трекпойнт;
  • тачпад;
  • джойстик;
  • световое перо;
  • мониторы;
  • акустические системы;
  • принтеры;
  • плоттеры и др.

Перечисленные устройства представляют собой устройства ввода-вывода информации. Основные устройства обработки и хранения информации сосредоточены в системном блоке ПК.

Устройства ввода информации

Большинство параметров (температура, давление, звук и др.) воспринимаются человеком в аналоговой форме. Поэтому для обработки этих параметров в компьютере они предварительно должны быть преобразованы в цифровую форму с помощью аналого- цифрового преобразователя (АЦП).

Примером такого преобразования служит перевод звука, представляющего собой переменное звуковое давление, в цифровую форму при записи на оптический компакт-диск. Полученный при записи звука с микрофона аналоговый сигнал - переменное электрическое напряжение - преобразуется в цифровой код с помощью АЦП. Для этого АЦП непрерывно с очень высокой частотой измеряет уровень этого аналогового сигнала - напряжения: и каждый раз кодирует его числом в двоичном коде, т.е. оценивает и выражает его наиболее близким по значению двоичным числом. Таким образом, вместо непрерывного аналогового сигнала образуется последовательность двоичных чисел, а сама операция называется квантованием. Последовательность двоичных чисел значительно устойчивее к помехам и искажениям, чем аналоговый сигнал. Точность такой оценки аналогового сигнала с помощью двоичного кода зависит от частоты и числа разрядов квантования. Для получения высокого качества звучания компакт-диска используется частота 44,1 кГц и 16 разрядов квантования. Это дает возможность получить 2 16 , или 65 536 уровней квантования. Эти 16-разрядные двоичные числа записываются последовательно с частотой 44,1 кГц, одно за другим, с помощью лазерного луча на оптический диск в виде впадин и гладких участков.

Человек способен слышать только аналоговые сигналы звукового давления. Поэтому при воспроизведении звука происходит обратный процесс. С помощью лазерного луча эти двоичные числа последовательно считываются, затем с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП) преобразуются в аналоговые сигналы (с точностью до 1/65 536), усиливаются и в громкоговорителе превращаются в звук. Для улучшения качества звука используются специальные фильтры.

Подобное преобразование с помощью АЦП и ЦАП происходит и в модеме (модуляторе-демодуляторе) персонального компьютера. Модем (от англ, modulator и demodulator) - устройство для обмена информацией между компьютерами. Оно осуществляет преобразование дискретных сигналов в непрерывные модулированные сигналы для передачи по телефонной линии связи и обратное преобразование (с демодуляцией) при приеме.

Режим работы модемов, когда передача данных осуществляется только в одном направлении, называется полудуплексом (half duplex), в обе стороны - дуплексом (full duplex). Модемы бывают внутренними (в виде электронной платы, подключаемой к шине ISA или PCI компьютера) и внешними (в виде отдельного устройства). Отличаются модемы поддерживаемыми протоколами связи и скоростью модуляции (modulation speed). Она определяет физическую скорость передачи данных, которая измеряется количеством бит в секунду (бит/с).

Устройство, сочетающее возможности модема и средства для обмена факсимильными изображениями, называется факс-модемом. Факс-модем осуществляет электронную передачу обычного текста, чертежей, фотографий и схем. Он обеспечивает сканирование документа на передающей стороне, преобразование информации в форму, пригодную для передачи по имеющемуся каналу связи, и формирование на бумажном носителе на приемной стороне дубликата - факсимиле - исходного документа. В состав любого телефакса входят сканер для считывания документа, модем, передающий и принимающий информацию по телефонной линии, а также принтер, печатающий принимаемое сообщение на термо- или обычной бумаге.

Сканер (scaner) представляет собой устройство ввода в компьютер графических изображений (текстов, рисунков, слайдов, фотографий, чертежей). В большинстве сканеров для преобразования изображения в цифровую форму применяются светочувствительные элементы на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС, CCD). По способу перемещения считывающей головки и изображения относительно друг друга сканеры подразделяются на ручные, рулонные, планшетные и проекционные. Разновидностью проекционных сканеров являются слайд-сканеры, предназначенные для сканирования фотопленок.

Принцип работы однопроходного планшетного сканера состоит в том, что вдоль сканируемого изображения, расположенного на прозрачном неподвижном стекле, движется сканирующая каретка с источником света. Отраженный свет через оптическую систему сканера (состоящую из объектива и зеркал или призмы) попадает на три расположенных параллельно друг другу фоточувствительных полупроводниковых элемента на основе ПЗС. Каждый элемент принимает информацию о компонентах изображения.

Клавиатура - основное устройство ввода информации в компьютер, представляет собой совокупность механических датчиков, при нажатии на клавиши замыкающих определенную электрическую цепь. Наиболее распространены два типа клавиатур: с механическими и мембранными переключателями. Внутри корпуса любой клавиатуры, помимо датчиков клавиш, расположены электронные схемы дешифрации и микроконтроллер клавиатуры.

Мышь (mouse) - это компьютерный манипулятор, указательное устройство для ввода информации в компьютер. Легко умещается в ладони, на поверхности имеет кнопки. При перемещении мыши по столу или иной поверхности происходит аналогичное перемещение курсора на экране монитора. С помощью кнопок мыши можно подавать команды компьютеру. Мышь делает очень удобным манипулирование такими широко распространенными в графических пакетах объектами, как окна, меню, пиктограммы.

Подавляющее число компьютерных мышей используют оптикомеханический принцип кодирования перемещения. С поверхностью стола соприкасается тяжелый, покрытый резиной шарик сравнительно большого диаметра. Ролики, прижатые к поверхности шарика, установлены на перпендикулярных друг другу осях с двумя датчиками. Более точного позиционирования курсора позволяет добиться оптическая (лазерная) мышь. С помощью мыши можно создавать простые рисунки. Однако рисовать на экране компьютера гораздо удобнее с помощью графического планшета.

Графический планшет (digitizer) - кодирующее устройство, позволяющее вводить в компьютер двумерное, в том числе и многоцветное, изображение в виде растрового образа. Графические планшеты применяют в основном в области компьютерной графики. В состав графического планшета входит специальный указатель (перо) с датчиком. Контроллер планшета посылает импульсы по расположенной под поверхностью планшета сетке проводников. Полученные сигналы контроллер преобразует в координаты, передаваемые в персональный компьютер, который переводит эту информацию в координаты точки на экране монитора. Планшеты, предназначенные для рисования, обладают чувствительностью к силе нажатия пера, преобразуя эти данные в толщину или оттенок линии.

Трекбол (trackball) - шаровой манипулятор, является разновидностью мыши, применяемой в портативных ПК - ноутбуках (notebook). Рука приводит в движение не корпус мыши, а шарик, а он занимает меньше места, что важно при малых габаритах ноутбука. Обычно шарик трекбола встроен в клавиатуру.

Трекпойнт (trackpoint) представляет собой миниатюрный рычаг с шершавой вершиной диаметром 5-8 мм. Трекпойнт расположен на клавиатуре между клавишами и управляется нажатием пальца.

Тачпад (touchpad) представляет собой сенсорную панель, движение пальца по которой вызывает перемещение курсора. В подавляющем большинстве современных ноутбуков применяется именно тачпад, так как отсутствие в нем движущихся частей обусловливает его высокую надежность.

Джойстик (joystick), или рычажный манипулятор, является аналоговым координатным устройством ввода информации. Рукоятка джойстика связана с двумя резисторами, изменяющими свое сопротивление при ее перемещении. Один резистор определяет перемещение по координате X, другой - по Y. Адаптер джойстика преобразует изменения параметра сопротивления в цифровой код. Джойстик используется в компьютерных играх и различных тренажерах.

Световое перо - светочувствительное устройство для снятия координат точек экрана и ввода их в компьютер. По форме оно напоминает пишущую ручку. Световое перо предназначено для взаимодействия с экраном монитора. В наконечнике пера установлен фотоэлемент, который реагирует на световой сигнал, передаваемый экраном в точке прикосновения пера. Световое перо не требует создания специального экрана или его покрытия; как у сенсорного устройства. Оно позволяет выделять точку, указываемую пользователем, и вводить информацию в компьютер. Таким образом, можно записать и затем осуществить распознавание рукописного текста, сделать рисунок. Если же на экране изображено меню символов, пиктограмм, то можно указывать пером на выбранный символ или пиктограмму. Например, можно использовать псевдоклавиатуру, изображенную на экране.

Системный блок персонального компьютера

Современные персональные компьютеры выпускают в настольном и в портативном исполнении. Настольные ПК в большинстве случаев состоят из отдельного системного блока, к которому подсоединяются внешние устройства: клавиатура, манипуля- тор-мышь, джойстик, сканер, внешний модем, монитор, акустические системы и др.

Системный блок ПК имеет металлический корпус, в котором размещаются источник питания, материнская (системная, или основная) плата с процессором и оперативной памятью, платы расширения (видеокарта, звуковая карта), различные накопители (жесткий диск, дисководы, приводы CD-ROM), дополнительные устройства (рис. 2.2).

В состав системного блока входят:

  • процессор (микропроцессор), который выполняет поступающие на его вход команды, проводит вычисления и управляет работой остальных элементов компьютера. Он состоит из ячеек-регистров, в которых Данные могут не только храниться, но и изменяться;
  • постоянная память (ПЗУ - постоянное запоминающее устройство), в которой записана информация, необходимая постоянно, и программы, без которых компьютер вообще не запускается;
  • оперативная память (ОЗУ - оперативное запоминающее устройство), служащая для временного хранения программ, данных;
  • электронные схемы, управляющие элементами компьютера и обменом данными между памятью и другими средствами запоминания и отображения информации (например, монитором, принтером);
  • блок питания;
  • накопители - дисководы для чтения-записи дискет (флоппи- дисководы);
  • накопители на жестких дисках - винчестеры;
  • дисководы оптических дисков CD-ROM и CD, записываемых CD-R и перезаписываемых CD-RW, DVD, DVD-RW оптических дисков
  • внутренний модем - устройство для ввода и вывода с использованием телефонной сети для связи.

Системный блок обычно имеет несколько параллельных и последовательных портов, которые используются для подключения устройств ввода и вывода, таких как клавиатура, мышь, монитор, принтер.

Рис. 2.2.

В портативном ПК - ноутбуке - все внешние и внутренние устройства объединены в одном корпусе. Жидкокристаллический дисплей размещается в откидной крышке корпуса, имеющего форму и размеры плоского чемоданчика. Так же как и к стационарному ПК, к ноутбуку могут быть подсоединены дополнительные внешние устройства ввода и вывода данных, устройства хранения данных и т.п.

Микропроцессор (МП) (или центральное процессорное устройство) представляет собой сверхбольшую интегральную схему, выполненную на кристалле кремния. В персональном компьютере микропроцессор выполняет функции управления и обрабатывает большую часть информации.

Базовыми элементами микропроцессора являются транзисторные переключатели, на основе которых строятся регистры - совокупность устройств, имеющих два устойчивых состояния и предназначенных для хранения информации и быстрого доступа к ней. Выполняемые микропроцессором команды обеспечивают арифметические действия, логические операции, передачу управления и перемещение данных (между регистрами, оперативной памятью и портами ввода и вывода).

Микропроцессор предназначен для обработки сигналов в двоичном коде и представляет собой целую сверхминиатюрную цифровую вычислительную машину, помещенную на одном кристалле. Микропроцессоры различаются между собой разрядностью и тактовой частотой. Разрядность - это число битов, воспринимаемых микропроцессором как единое целое, 4, 8, 16, 32, 64 (целые степени числа 2). От разрядности зависят производительность персонального компьютера и максимальный объем его внутренней памяти. Тактовая частота, измеряемая в герцах (мега- и гигагерцах), в основном определяет быстродействие компьютера.

Основные типы и характеристики микропроцессоров фирмы Intel, являющейся лидером по производству микропроцессоров для PC совместимых ПК, приведены в табл. 2.1.

Микропроцессор связан с остальными устройствами системного блока сетью электронных проводников, так называемой системной шиной. Она состоит из трех групп: адресной (обычно 32-разрядные) с адресами регистров, шины данных и командной шины.

В корпусе системного блока размещается материнская (системная) плата. На ней располагаются микропроцессор, модули оперативной памяти (ОЗУ), системная шина, микросхемы-контроллеры, управляющие работой системной шины, портов, винчестера и других устройств хранения информации, а также микросхема постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), в которую записывается

BIOS - программа, управляющая взаимодействием отдельных частей компьютера. На материнской плате имеются разъемы для подключения плат (или карт) других устройств.

Таблица 2.1. Типы и характеристики МП (Intel)

Тип МП

Марка ПК

Макс.

тактовая

частота,

Макс.

объем

Мбайт

создания

Оперативная память используется для хранения программ, выполняемых в текущий момент, и используемых в них цифровых данных. Она представляет собой совокупность специальных электронных ячеек, каждая из которых может хранить конкретную комбинацию из нулей и единиц - один байт. Каждая такая ячейка имеет адрес (адрес байта) и содержимое (значение байта). Адрес нужен для обращения к содержимому ячейки: для записи и считывания информации. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) хранит информацию только во время работы компьютера, другими словами, оно является энергозависимым. При отключении или временном нарушении электропитания компьютера ОЗУ тут же «забывает» заложенную в нем информацию. Емкость оперативной памяти современного ПК составляет 2-8 Гбайт и более.

При выполнении микропроцессором вычислительных операций в любой момент должен быть обеспечен доступ к любой ячейке оперативной памяти. Поэтому ее называют памятью с произвольной выборкой (random access memory, RAM). RAM выполняется на микросхемах двух типов - динамического (dynamic RAM DRAM) и статического (static RAM SRAM).

Кроме оперативной памяти в персональном компьютере для согласования работы быстродействующего микропроцессора с более

«тихоходными» оперативной памятью и долговременными запоминающими устройствами используется сверхоперативная память, так называемая кэш-память. Для ее реализации используется статическая память.

Чтобы процессор не простаивал, пока идет медленное считывание из ОЗУ или запись в него, вводится небольшая, но сравнительно быстродействующая кэш-память. Пока процессор занят другими операциями, она считывает из ОЗУ заранее заказанную информацию, а затем быстро сбрасывает ее процессору. С введением кэшпамяти сократились вынужденные простои процессора, а значит, увеличилось его реальное быстродействие. Описанная память - так называемая кэш-память второго уровня. Но есть и кэш-память первого уровня: она сформирована на самом кристалле процессора, т.е. находится в его корпусе. Из ОЗУ информация поступает в кэшпамять второго уровня, затем с возрастающей скоростью - в кэшпамять первого уровня и, наконец, еще быстрее - в процессор.

В компьютере есть и постоянная память (ПЗУ), хранящая информацию при отключении питания. В ней содержатся наиболее важные данные - базовая система ввода-вывода (basic input output system, BIOS). Запись информации в постоянную память выполняют «аппаратно» - с помощью специальных устройств. Микросхемы постоянной памяти разделяются на программируемые изготовителем (read only memory, ROM), однократно программируемые пользователем (programmable ROM, PROM) и многократно программируемые пользователем (erasable PROM, EPROM).

Еще один вид постоянной памяти (complimentary metal-oxide- semicondactdr CMOS, или CMOS RAM - служит для сохранения некоторых характеристик ПК и среды. Микросхемы CMOS питаются от аккумуляторов и поэтому энергонезависимы. Это дает возможность постоянно сохранять важные характеристики, используемые при загрузке операционной системы.

Внешние запоминающие устройства

Для долговременного хранения, накопления и считывания цифровой информации используются долговременные запоминающие устройства - носители и накопители. Все они являются энергонезависимыми, т.е. хранят информацию вне зависимости от того, включен или выключен компьютер.

Накопители и носители информации делятся на устройства с прямым и последовательным доступом. Все магнитные диски (дискеты, винчестеры) имеют прямой доступ - информация почти мгновенно доступна из любой части диска. Ленточные накопители имеют последовательный доступ: данные, содержащиеся в произвольном участке ленты, могут быть считаны только после ее перемотки к этому участку.

Носитель данных (информации) - это физическое тело или среда, используемые для записи и постоянного хранения информации. Накопитель - устройство для записи и считывания информации. Так, бумага или звуковой компакт-диск СО - это носители, а дискета и стример представляют собой накопители.

Дискета - это кассета с гибким магнитным диском (флоппи- диском), устройство для записи, хранения информации и для ее перемещения с одного персонального компьютера на другой. Современная дискета представляет собой гибкий флоппи-диск диаметром 3,5 дюйма из искусственной пленки - майлара с магнитным покрытием, заключенный в жесткий пластмассовый футляр. Емкость ее памяти - 1,44 Мбайт. Для чтения и записи информации дискета помещается в специальное электронно-механическое устройство - дисковод. Гибкий диск разбит на концентрические дорожки, а они, в свою очередь, разбиты на секторы. Чтение и запись производятся с помощью блока магнитных головок дисковода. Они перемещаются с помощью привода позиционирования дисковода по радиусу гибкого диска для доступа к различным дорожкам. Доступ к различным секторам внутри каждой дорожки происходит за счет вращения гибкого диска с помощью привода дисковода со скоростью от 300 до 360 об/мин.

Информацию на флоппи-диск можно записывать неоднократно, поэтому дискеты широко используются, несмотря на недостаточную надежность и сравнительно небольшую емкость. На корпусе дискеты имеется переключатель, разрешающий или запрещающий запись информации на флоппи-диск. Запись разрешена, если отверстие в корпусе дискеты перекрыто переключателем, и запрещена, если это отверстие открыто. Запись производится на обе стороны поверхности флоппи-диска.

Перед первым использованием дискеты ее необходимо отформатировать. При форматировании проверяется пригодность к записи поверхности флоппи-диска. Скорость чтения или записи для современного 3,5-дюймового дисковода составляет около 63 Кбайт/с, среднее время поиска информации - примерно 80 мс.

Жесткий диск (винчестер ) - устройство для постоянного хранения информации, используемой при работе персонального компьютера. Конструктивно такой накопитель содержит пакет из нескольких дисков, смонтированных на одной общей оси - шпинделе. Он вращается вместе с дисками со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту.

Каждый диск представляет собой алюминиевую или стеклокерамическую пластину с магнитным покрытием - тонким слоем оксида железа или оксида хрома. Весь пакет дисков заключен в герметичный корпус, обеспечивающий необходимую чистоту и постоянное давление очищенного от пыли воздуха с помощью сложной системы специальных фильтров. Чтение и запись информации осуществляются головками чтения и записи, укрепленными на поворотных рычагах- позиционерах. Головки не касаются поверхностей дисков, а перемещаются над ними на расстоянии не более 0,07 мкм.

Каждый диск разбит на последовательно расположенные дорожки - концентрические окружности, соответствующие зонам остаточной намагниченности, созданной головками. На каждом диске пакета - одинаковое число дорожек, а каждая из них разбита на последовательно расположенные секторы вместимостью 512 байт. Емкость винчестеров современных персональных компьютеров достигает 500 Гбайт и в настоящее время приближается к 1 Тбайт.

Винчестер содержит гермоблок и отдельно от него - плату электроники. В гермоблоке расположена механика и предварительный усилитель, а на плате - управляющая электроника. Электронная плата расшифровывает команды контроллера жесткого диска, стабилизирует скорость вращения двигателя, генерирует сигналы для головок записи и усиливает их от головок чтения.

Одной из основных характеристик жесткого диска является среднее время, в течение которого винчестер находит нужную информацию. Это время обычно представляет собой сумму времени, необходимого для позиционирования головок на нужную дорожку и ожидания требуемого сектора. Современные винчестеры обеспечивают доступ к информации за 8-10 мс.

Другой характеристикой винчестера является скорость чтения и записи: она зависит не только от самого диска, но и его контроллера, шины, быстродействия процессора. У стандартных современных жестких дисков эта скорость составляет 15-17 Мбайт/с.

Стример (streamer) - компьютерное устройство для записи информации на кассеты (картриджи) с магнитной лентой. Используется для создания резервных копий информации, размещенной на жестких дисках профессиональных компьютеров. Стримеры представляют собой кассеты - картриджи с двумя или с одной бобиной. Разные типы стримеров отличаются по емкости (от 20 Мбайт до 40 Гбайт), интерфейсу, скорости чтения и записи данных (от 100 Кбайт/с до 5 Мбайт/с и более).

Широкое применение в современных компьютерах нашли оптические диски - носители и накопители. Основным отличием оптической записи является полное отсутствие физического контакта механизма дисковода с поверхностью оптического диска. Запись и считывание информации производится бесконтактно с помощью лазерного луча. К тому же этот луч фокусируется не на поверхности, а в глубине прозрачного диска. Поэтому оптической записи не страшны неглубокие царапины на поверхности диска. Это обеспечивает очень высокую долговечность и надежность хранения информации на оптических дисках. К тому же их отличает от магнитной записи полная независимость от внешних магнитных полей.

К оптическим дискам относятся прежде всего звуковые компакт-диски и CD-ROM. Они изготавливаются на поточном производстве с помощью штампов и предназначены только для чтения.

Звуковые компакт-диски могут проигрываться как в музыкальных центрах, CD-проигрывателях и плеерах, так и с помощью дисководов персональных компьютеров. Время звучания этих дисков составляет 74 мин.

За последние годы стало возможным объединить на ПК текст и графику со звуком и движущимися изображениями на одном носителе или накопителе. В качестве носителей информации в таких мультимедийных компьютерах используются оптические компакт- диски (compact disk read only memory, CD-ROM) - память на компакт-диске «только для чтения»). Внешне они не отличаются от звуковых компакт-дисков, используемых в проигрывателях и музыкальных центрах. Информация в них записывается также в цифровой форме.

Компакт-диски CD-ROM выпускаются двух диаметров - 12 и 8 см. Емкость одного CD-ROM диаметром 12 см достигает 650 Мбайт, т.е. по емкости он занимает промежуточное положение между дискетами и винчестером. Для чтения компакт-дисков используется CD-дисковод. Скорость чтения данных в нем зависит от скорости вращения диска. Сейчас используются уже 24, 32, 40 и 50- скоростные дисководы, а скорость считывания информации при этом приближается к скорости считывания с винчестера. Компакт- диск так же легко сменить, как и дискету. Информация на компакт-диск записывается только один раз в промышленных условиях, а на ПК ее можно только читать. С помощью CD-дисковода можно проигрывать и звуковые компакт-диски (разумеется, при наличии в ПК звуковой карты и звуковых колонок).

Компакт-диск CD-ROM содержит три слоя: подложку из поликарбоната с отштампованным рельефом диска, напыленное на нее отражающее покрытие из алюминия, серебра или золота и тонкий защитный слой из поликарбоната или лака - на него наносятся рисунки и подписи. Некоторые «пиратские» диски имеют слишком тонкий защитный слой либо лишены его совсем.

В состав дисковода или привода CD-ROM входят плата электроники, шпиндельный двигатель, устройство загрузки диска и система считывающей оптической головки. Система загрузки диска, как правило, имеет горизонтальный выдвижной лоток (tray), на который кладется оптический диск. В лотке имеются два соосных углубления диаметром 8 и 12 см для дисков.

Информация на диске записана с постоянной линейной скоростью. Поэтому для достижения постоянной линейной скорости считывания скорость вращения диска изменяется в зависимости от перемещения считывающей головки. Стандартная скорость вращения диска - 500 об/мин при чтении информации с внутренних зон и 200 об/мин при чтении с внешних зон диска (информация на диск записывается от центра к периферии). При стандартной скорости вращения диска скорость передачи данных составляет приблизительно 150 Кбайт/с.

  • собственно цифровую, компьютерную информацию (до 670 Мбайт);
  • звуковую информацию в формате CD-Audio (продолжительность звуковой записи до 74 мин);
  • видеоинформацию в формате Video CD и CD-I (продолжительность видеозаписи до 1 ч);
  • библиотеки изображений, записанные в формате Kodak Photo CD;
  • множество других, в том числе комбинированных, видов информации, например звуковой и видео, записанной со сжатием по стандарту MP3.

На смену существующим компакт-дискам приходит новый стандарт носителей информации, цифровые диски общего назначения (digital versatile disc, DVD). Их геометрические размеры одинаковы. Основное отличие DVD-диска - значительно более высокая плотность записи информации. Он вмещает в 7-26 раз больше информации. Это достигнуто благодаря более короткой длине волны лазера и меньшему размеру пятна сфокусированного луча, что дало возможность уменьшить вдвое расстояние между дорожками. Кроме того, DVD-диски могут иметь один или два слоя информации.

У DVD-диска каждый слой информации вдвое тоньше, чем у CD-диска. Поэтому можно соединять два диска толщиной 0,6 мм в один со стандартной толщиной 1,2 мм, при этом емкость удваивается. Всего DVD-стандарт предусматривает 4 модификации: односторонний однослойный на 4,7 Гбайт (133 мин), односторонний двухслойный на 8,8 Гбайт (241 мин), двухсторонний однослойный на 9,4 Гбайт (266 мин) и двухсторонний двухслойный на 17 Гбайт (482 мин). Указанное в скобках время в минутах - время проигрывания видеопрограмм высокого цифрового качества с цифровым многоязычным объемным звуком.

Принцип однократной записи на диске CD-R (CD-recordable) основан на «выжигании» лучом лазера битов информации на записывающем слое диска, состоящем из органического красителя. Этот краситель способен однократно изменить отражающую способность диска. При считывании лазерным лучом фиксируется изменение отражательной способности. Записываемый CD-R, начиная с обратной (блестящей) стороны, состоит из пяти слоев.

Многократная запись на диске CD-RW (CD-rewritable) производится несколько по-другому. В этом случае применяется специальный комбинированный слой, который при нагреве лазерным лучом способен многократно менять свои характеристики. Вещество такого слоя при этом может многократно переходить из кристаллического состояния в аморфное и обратно. Изменение отражающей способности фиксируется лазерным лучом при считывании информации с диска. Перезаписываемый диск CD-RW содержит не пять слоев, а семь.

Записываемый диск CD-R читается с помощью любого дисковода CD-ROM. Запись информации на диски CD-R представляет собой самый дешевый и оперативный способ хранения больших объемов данных. Стоимость хранения 1 Мбайт на нем составляет менее 0,4 цента - это в 35 раз дешевле, чем на флоппи-диске. Емкость CD-R равна 650 Мбайт, что равно емкости 451 дискеты. Записывать на CD-R можно со скоростью 600 Кбайт/с (для скорости 4 х) и 1,2 Мбайт/с (для скорости 8 х). Скорость считывания - до 24 х (дисковода CD-ROM). Диск CD-R можно записывать либо весь сразу (за одну сессию), либо по частям (за несколько сессий записи). Но при этом нужно иметь в виду, что при каждой сессии теряется от 14 до 23 Мбайт, которые используются для записи заголовков.

Если записи делаются для длительного пользования и хранения, то лучше использовать более дешевые записываемые диски CD-R, цена которых составляет 5-15 руб. Для оперативного хранения информации больше подходят перезаписываемые диски CD-RW. Цена их выше, однако они быстро окупаются всего за несколько циклов записи.

Для записи выпускаются только дисководы CD-RW. Их можно использовать как для однократной записи на диски CD-R, так и для многократной перезаписи на диски CD-RW. Читать они могут все виды дисков - CD-ROM, CD-R, CD-RW. Скорость записи и перезаписи для дисководов CD-RW составляет 4 х, а чтения - 20 х.

Формат DVD-RAM с возможностью перезаписи был создан для записи видео- и компьютерной информации. Формат DVD-RAM обеспечивает быстрое преобразование информации и быстрый прямой доступ к ней. DVD-RAM можно переписывать 100 000 раз. Для их записи разработаны DVD-RAM - рекордеры. Диски DVD-RAM все шире используются в самых различных устройствах. Например, созданы видеокамеры, в которых они применяются для записи видео- и аудиоинформации вместо магнитной пленки.

В магнитооптических дисках (МОД) используют комбинацию магнитных и оптических методов записи и чтения. Магнитный слой применяется для записи и стирания информации. Для этого лазерным лучом нагревают этот слой выше точки Кюри, т.е. до температуры, при которой может изменяться ориентация намагниченности. После этого магнит записывает данные на диск. На магнитооптическом диске процесс перезаписи информации может быть повторен до 1 миллиона раз. Большим преимуществом магнитооптического метода записи по сравнению с магнитным является независимость от внешних магнитных полей при нормальных температурах, поскольку перемагничивание возможно только при температуре выше 150 °С.

Современные МО-диски сочетают в себе большую емкость, устойчивость к воздействию электромагнитных полей, температуры и влажности. Объединение двух технологий - магнитной и лазерной - является залогом высокой надежности хранения данных на МО- носителях.

Характеристики дисковых накопителей приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2. Характеристики дисковых накопителей

  • * Средние скорости передачи в режимах чтение/запись. ** Ч - чтение; 3 - запись.
  • *** Запись однократная.

Сменные твердотельные полупроводниковые носители - флэш- карты являются универсальными и используются для записи любой информации - текстов, звука, изображений.

Название флэш (flash) было введено фирмой Toshiba, так как содержимое памяти в них можно стереть мгновенно (in a flash). В отличие от магнитной, оптической и магнитооптической памяти она не требует применения дисководов с использованием сложной прецизионной механики и вообще не содержит ни одной подвижной детали. В этом состоит ее основное преимущество перед всеми остальными носителями информации. Флэш-память - это микросхема на кремниевом кристалле. Она построена на принципе сохранения электрического заряда в ячейках памяти транзистора в течение длительного времени с помощью так называемого плавающего затвора при отсутствии электрического питания.

Флэш-память находит широкое применение - МРЗ-проигры ватели, стереосистемы, цифровые фото- и видеокамеры, сотовые телефоны и т.д. используют в качестве носителя информации флэш-карту, на которой хранятся звук, изображения, документы и другая информация. Такие карты выпускаются целым рядом фирм и имеют различные габариты: Compact Flash, SmartMedia (selfmonitoring, analisys and reporting technology, SMART) и др. Общий стандарт для всех флэш-карт не выработан.

К твердотельной флэш-памяти относится память Memory Stick фирмы Sony. Она представляет собой универсальный носитель для самых различных приложений. Масса ее - всего 4 г, а габариты - не больше пластины жевательной резинки (21,5 х 50 х 2,8 мм). Предусмотрена возможность ее подключения к миниатюрным МРЗ- проигрывателям-плеерам, нескольким моделям видеокамер, цифровых фотоаппаратов, к цифровому принтеру и новой цифровой фоторамке. Вставив Memory Stick в такую фоторамку, можно воспроизвести изображение из ее памяти на высококачественном жидкокристаллическом экране размером 5,5 дюйма. Предусмотрена также возможность присоединения Memory Stick к последовательному и параллельному портам персонального компьютера с помощью специальных адаптеров.

Компании Matsushita Electric Со, SanDick Со и Toshiba Со разработали карты флэш-памяти SD (Secure Digital Memory Card/ В ассоциацию с этими компаниями входят такие гиганты, как Intel и IBM. Выпускает SD-память фирма «Panasonic», входящая в концерн Matsushita. Масса карты флэш-памяти равна 2 г, габариты - 24 х 32 х 2,1 мм, скорость записи - 2 Мбайт/с. В 2004 г. емкость SD Card доведена до 4 Гбайт, а скорость записи - до 20 Мбайт/с. Этой емкости памяти достаточно для 16 ч музыкальной записи или 36 мин видеозаписи. SD-память снабжена защитой.

Миниатюризация карт флэш-памяти продолжается. Компании «Olympus» и «FujiFilm» начали выпуск самых миниатюрных карт флэш-памяти xD-Picture (extreme digital). Размер этих носителей составляет 20 х 25 х 1,7 мм, масса - 2 г. Носитель нового формата xD- Picture должен прийти на смену морально устаревшим картам SmartMedia. В перспективе предусмотрено увеличение емкости этого носителя до 32 Гбайт. Столь значительный рост емкости миниатюрного носителя стал возможен благодаря использованию многослойной технологии. Основные технические характеристики карт xD- Picture: максимальная скорость чтения данных с карт xD-Picture составляет 5 Мбайт/с, скорость записи - 3 Мбайт/с; напряжение питания - 3,3 В; потребляемая при работе мощность - 25 мВт. Карты xD-Picture используются, в частности, в новых моделях цифровых фотокамер компании Olympus.

В условиях жесткой конкуренции, существующей сегодня на рынке сменных карт флэш-памяти, необходимо обеспечивать совместимость новых носителей с уже имеющимся у пользователей оборудованием, рассчитанным на другие форматы флэш-памяти. Поэтому одновременно с картами флэш-памяти осуществляется выпуск адаптеров-переходников и внешних считывающих устройств, так называемых карт-ридеров, подключаемых ко входу USB персонального компьютера. Выпускаются индивидуальные (для определенного типа карт флэш-памяти, а также универсальные картридеры на 3, 4, 5 и более различных типов карт флэш-памяти. Они представляют собой миниатюрную коробочку, в которой имеются слоты для одного или сразу для нескольких типов карт, и разъем для присоединения ко входу USB персонального компьютера.

Устройства вывода информации

деоадаптер чаще всего бывает выполнен в виде отдельной платы, вставляемой в разъем расширения материнской платы.

В текстовом режиме на экран можно вывести символы букв, цифр и специальных знаков из определенного набора, хранящегося в памяти ПК. В графическом режиме на экран можно вывести и текст и любые неподвижные и подвижные изображения. Современная видеоплата должна обеспечивать максимальное разрешение 1024 х 768, а рекомендовать можно разрешение 1280 х 1024 при отображении 16,8 млн цветов. Для этого ПК должен иметь не менее 2 Мбайт видеопамяти.

Видеоадаптеры, которые используются в ПК, бывают следующих типов:

  • MDA - монохромный адаптер, работает в текстовом режиме, 25 строк по 80 символов в строке, с разрешением 720x0350 точек, с двумя градациями яркости (черный-белый);
  • VGA (Video Graphics Array) - видеографическая матрица, графический режим 640x480 точек, 16 цветов, 4096 оттенков или 320x200 точек, 256 цветов;
  • SVGA (Super VGA) - до 1280x1024 точек при 16 Мбайт цветов и выше.

Базовые параметры основных типов видеоадаптеров приведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3. Характеристики видеоадаптеров

Характеристика

Разрешающая способность -

количество пиксел,

по горизонталих

по вертикали

Количество цветов

(цветовое разрешение)

Число символов,

строкахстолбец

Видеопамять, Кбайт

Емкость видеопамяти**

Матрица символа, пиксел по

горизонталихвертикали

Частота развертки, Гц

Текстовый режим.

  • * Число страниц в текстовом режиме.

Развитию графической подсистемы персональных компьютеров уделяется очень большое внимание. Это связано с постоянно возрастающими требованиями к разрешающей способности и цветовому разрешению видеоподсистемы ПК. Так, например, для работы с текстовыми документами формата А4 необходимо экранное разрешение не менее 1024x768 при размере экрана монитора 17 дюймов. При работе с компьютерной графикой и компьютерной версткой соответствующие параметры должны быть больше 1280x1024 и 19 дюймов. Нормальным цветовым разрешением в настоящий момент считается 65 тысяч цветов (режим High Color), а наиболее эргономичным - 16,7 млн цветов (режим True Color).

Для работы с такими параметрами требуются значительные объемы видеопамяти. Так, для работы в режиме True Color с разрешением 1280x1024 на экране 19 дюймов требуется 8 Мбайт видеопамяти.

Требования, предъявляемые к видеоподсистеме персонального компьютера, становятся еще более критичными при работе со ставшими в настоящее время стандартными мультимедийными приложениями и программами обработки трехмерной графики. В этом случае требуется введение в состав видеоадаптера специальных микросхем видеоускорителя (акселераторов), основная задача которых - освободить центральный процессор компьютера от работы по построению трехмерных изображений, которая связана с большим количеством вычислений с числами с плавающей запятой.

Мониторы используются трех типов: с электронно-лучевой трубкой, с жидкокристаллическим экраном и плазменные.

Монитор с электронно-лучевой трубкой (cathode ray tube, CRT) состоит из самой CRT-трубки и электронного блока управления лучом. Изображение на цветном экране формируется с помощью точек - пикселей, каждая из комбинации трех цветов - красного, зеленого и синего.

Выпускаются 15, 17-21-дюймовые (по диагонали экрана) мониторы.

Действие жидкокристаллического монитора (liquid crystal display, LCD) основано на использовании вещества, находящегося в жидком состоянии, но при этом обладающего некоторыми свойствами кристаллических тел. Молекулы таких жидких кристаллов под действием электрического поля способны изменять свою ориентацию и свойства проходящего сквозь них светового луча. Пользуясь этим свойством, в жидкокристаллических индикаторах, изменяя электрическое напряжение и ориентацию молекул, создают изображение.

LCD-монитор имеет несколько слоев, содержащих между собой тонкие слои жидких кристаллов. Панель монитора подсвечивается источником света. В зависимости от его расположения панели работают или на отражение, или на прохождение света. В цветных мониторах цвет получается с помощью трех фильтров.

В компьютерных LCD-мониторах используются так называемые нематические или супернематические жидкие кристаллы. Нематические элементы способны поворачивать плоскость поляризации на угол до 90 градусов, а супернематические - до 270 градусов. Супернематические кристаллы обладают высоким быстродействием и контрастностью. Они применяются для пассивных индикаторов. Нематические кристаллы используются в высококачественных цветных мониторах.

В пассивных индикаторах элементы располагаются на пересечениях сетки проводников, к которым подводится электрическое поле путем переключения транзисторов, подключенных к этим проводникам. Такие элементы имеют эффект последействия, поэтому движущиеся предметы на них расплываются.

В активных жидкокристаллических TFT-экранах (тонкопленочный транзистор, thin film transistor) каждый элемент снабжается транзистором. Эти транзисторы управляют приложенным напряжением и быстрее переключаются.

В цветных жидкокристаллических экранах элементы группируют по три (в вертикальный ряд). Каждые такие три элемента образуют пиксель. Каждый элемент имеет светофильтр. Транзисторы управляют количеством проходящего света, образуя нужную смесь цветов.

Недостатком пассивных мониторов является возможность смотреть на них только во фронтальной позиции, а экран с активной матрицей имеет угол обзора 120-160 градусов и обладает хорошей яркостью и контрастностью изображения. Первые LCD-дисплеи выпускались только для портативных ПК с диагональю экрана 8 дюймов. Сегодня LCD-панели имеют по диагонали 15 дюймов, а для настольных ПК - 17-19 дюймов и более.

LCD-мониторы являются полностью цифровыми приборами. Однако приходится обеспечивать их совместимость с аналоговыми CRT-мониторами. Для этого цифровой сигнал от системного блока компьютера сначала преобразуется в видеокарте в аналоговый сигнал, а затем снова в цифровой - уже в самом LCD-мониторе. Для преодоления этого неестественного положения уже созданы и используются цифровые видеокарты.

Несомненным преимуществом LCD-мониторов по сравнению с CRT-мониторами является почти полное отсутствие вредного излучения, которому подвергается человек, работающий перед экраном электронно-лучевой трубки, а недостатком - большая цена, которая, однако довольно быстро снижается по мере увеличения выпуска LCD-мониторов.

Стандарты безопасности, которым должны отвечать мониторы, - это ТСО или MPRII, разработанные в Швеции. При покупке монитора нужно обратить внимание на знаки этих стандартов в паспорте или на корпусе монитора.

Работа плазменного монитора (plasma display panels, PDP) похожа на работу неоновой лампы. Монитор выполнен в виде плоской стеклянной трубки, заполненной инертным газом под низким давлением. Внутри трубки помещены два электрода. При подаче напряжения между ними зажигается электрический (так называемый тлеющий) разряд и возникает свечение. В плазменных экранах пространство между двумя стеклянными поверхностями заполняется, как и в неоновой лампе, инертным газом (аргоном или неоном). На стеклянную поверхность помещают маленькие прозрачные электроды, на которые подается высокочастотное напряжение: образуется поле миниатюрных точечных неоновых ламп. Под действием напряжения в газовой области, прилегающей к электроду, возникает электрический разряд. Плазма этого разряда излучает свет в ультрафиолетовом диапазоне спектра, что вызывает свечение частиц люминофора в видимой человеком части спектра, т.е. каждый пиксель на экране работает подобно лампе дневного света.

Преимуществами плазменных экранов являются высокая яркость, контрастность и очень большой угол обзора - до 180 градусов. У них отсутствует дрожание картинки, так как она выводится не по строчкам, а прямо в цифровом виде. Размер плазменных экранов достигает 100 см при толщине всего 8,5-9,0 см.

Вывод информации из компьютера на бумагу осуществляется электромеханическими устройствами вывода информации - принтерами. Существуют принтеры монохромные (черно-белые) и цветные, ударного (impact) и безударного (non-impact) действия. Последовательные принтеры печатают на бумаге символ за символом, строчные - сразу всю строку, а страничные - целую страницу. В зависимости от технологии печати различают матричные, струйные, лазерные, светодиодные, сублимационные принтеры, принтеры на твердых красителях.

В 1970-1980-х гг. самыми распространенными были матричные принтеры, наиболее простые и дешевые. Они печатают с помощью набора миниатюрных игл, которые ударяют по красящей ленте. В этом они похожи на обыкновенную пишущую машинку и, подобно ей, позволяют печатать под копирку. Они являются монохромными, т.е. способны печатать только черно-белое изображение. Последовательные ударные матричные печатающие устройства (impact dot matrix) снабжены печатающей головкой с одним или двумя вертикальными рядами игл. Головка движется вдоль печатаемой строки, и в нужный момент иголки ударяют по бумаге через красящую ленту, формируя последовательно символ за символом. Для матричных принтеров можно использовать и форматную, и рулонную бумагу. Головка принтера оснащается 9, 18 или 24 иголками. Существуют модели принтеров с широкой (формата АЗ) и узкой (формата А4) каретками.

Матричные принтеры ударного действия дают невысокое качество печати, невысокую производительность и сильно шумят при работе. В последние годы они практически вытеснены более совершенными принтерами безударного действия, обеспечивающими монохромную и цветную печать высокого качества.

Более совершенные струйные принтеры относятся к устройствам безударного действия. Они печатают, разбрызгивая на бумагу микроскопические капельки специальных чернил, выбрасываемых на бумагу через сопла печатающей головки. Перед разбрызгиванием этим микрокапелькам дается электрический заряд, а после разбрызгивания они направляются в нужные точки бумаги с помощью электростатического поля. Число сопел у разных моделей струйных принтеров - от 12 до 256, а максимальная разрешающая способность массовых моделей - 1440 точек на дюйм. В отличие от матричных, струйные принтеры обеспечивают лучшее качество печати и работают с гораздо меньшим шумом.

В лазерных принтерах, подобно ксероксу, используется электрографический принцип: изображение переносится на бумагу с барабана, к которому с помощью электростатического потенциала притягиваются частички краски (тонера). В отличие от копировального аппарата, в лазерном принтере печатающий барабан электризуется с помощью полупроводникового лазера по командам компьютера. В состав лазерного принтера входят: фотопроводящий цилиндр (печатающий барабан), полупроводниковый лазер и прецизионная оптико-механическая система, которая перемещает лазерный луч.

Лазерные принтеры обеспечивают наилучшую, близкую к типографской монохромную и цветную печать. Они обеспечивают самую высокую среди принтеров скорость печати и не требуют специальной бумаги.

В светодиодных принтерах (light emitting diode, LED) вместо полупроводникового лазера используют «гребенку» мельчайших светодиодов. Для них не требуется сложная оптическая система вращающихся зеркал и линз, поэтому светодиодный принтер дешевле, чем лазерный.

Сублимационные принтеры (dye sublimation) применяются для получения цветных изображений сверхвысокого качества. В них красящие ленты нагреваются примерно до 400°С, при этом краситель испаряется и переносится на специальную бумагу. В принтерах на твердых красителях (solid ink) бруски краски каждого из четырех цветов, похожие на мыло или цветной воск, заправляются в принтер отдельно. В процессе разогрева в течение 10-15 мин эти краски- чернила частично расплавляются и подготавливаются к работе.

Плоттер (plotter), графопостроитель, - это устройство для автоматического вычерчивания рисунков, схем, чертежей, карт на бумаге. Первыми появились и традиционно широко используются перьевые плоттеры. Более современную технологию обеспечивают струйные плоттеры.

Перьевые плоттеры можно разделить на три группы: использующие фрикционный прижим для перемещения бумаги в направлении одной оси и движения пера по другой; барабанные (или рулонные); планшетные, в которых бумага неподвижна, а перо перемещается по обеим осям.

Различные модели плоттеров имеют одно или несколько перьев разного цвета (обычно 4-8). Перья бывают трех различных типов: фитильные (заправляемые чернилами), шариковые (аналог шариковой ручки) и с трубчатым пишущим узлом (инкографы). Связь с компьютером плоттеры, как правило, осуществляют через последовательный и параллельный порты.

В 1990-е годы перьевые плоттеры начинают вытесняться струйными, которые работают в 4-5 раз быстрее. Используя два чернильных картриджа, струйный плоттер обеспечивает разрешение не менее 300 dpi и имеет два режима работы: чистовой и эскизный. При работе в эскизном режиме почти вдвое сокращается расход чернил.

Для ввода и вывода звуковых сигналов служит звуковая система , состоящая из звуковой платы (или карты), встроенного динамика в системном блоке ПК и внешней звуковой системы. Ввод звука в систему осуществляется через микрофон, линейный выход магнитофона, радиоприемника или CD-проигрывателя. Простейшая внешняя система состоит из наушников или пассивных динамиков, а более сложная и качественная - из активных динамиков, имеющих собственное питание и снабженных усилителями.

Звуковые карты условно делятся на 8- и 16-разрядные. 8-разрядная звуковая карта (SoundBlaster) способна обеспечить качество звучания кассетного магнитофона, а 16-разрядная - более высокое качество, соответствующее CD-проигрывателю. Новые звуковые карты обеспечивают трехмерный, т.е. объемный звук. Для технологии DVD, в которой звуковое сопровождение фильмов поддерживает технологию Dolby Digital, звуковая карта должна уметь раскодировать DVD-звук с диска и иметь 6 каналов.

  • Очень важную роль в составе ПК играет видеоподсистема. Видеосистема служит для вывода на экран изображений текстов, рисунков и видеофрагментов и фильмов. Она состоит из монитора(дисплея) с экраном, на который выводятся изображения; видеоплаты, т.е. платы управления вывода изображения на экран монитора; набора специальных программ - драйверов. Основными параметрами видеоподсистемы являются: разрешающая способность - количество точек на экране монитора; цветовое разрешение - количество цветов, которое иметь отдельная точка;
  • частота развертки - скорость обновления изображения экрана. Видеоплата (или видеокарта, видеоадаптер,) служит для хранения видеоизображений, преобразования их из цифровой в аналоговую форму для вывода на экран монитора. Она способна поддерживать текстовый и графический режимы работы. Аппаратно ви-