История развития и архитектурное строение компьютера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

История развития вычислительной техники уходит корнями в глубину веков, к тем временам, когда наши далекие предки начали вести товарно-денежные взаимоотношения. Тогда им и потребовался какой-либо инструмент для ведения вычислений.

Слово “компьютер” означает “вычислитель”, т.е. устройство для вычислений. Многие тысячи лет назад для счета использовались счетные палочки, камешки и т.д. Более 1500 лет тому назад (а может быть и значительно раньше) для облегчения вычислений стали использоваться счеты. Первая настоящая счетная машина появилась лишь в 1642г. Её изобрел французский математик Паскаль. Построенная на основе зубчатых колёс, она могла суммировать десятичные числа. В 1673г. немецкий математик Лейбниц изобрел машину, которая выполняла все четыре арифметических действия. Она стала прототипом арифмометров, использовавшихся с 1820г. до 60-х годов ХХ века. Начиная с XIX в. арифмометры получили очень широкое применение. На них выполняли даже очень сложные расчеты, например, расчеты баллистических таблиц для артиллерийских стрельб. Существовала и специальная профессия - счетчик, человек, работающий с арифмометром, быстро и точно соблюдающий определенную последовательность инструкций (такую последовательность инструкций впоследствии стали называть программой). Но многие расчеты производились очень медленно, даже десятки счетчиков должны были работать по несколько недель и месяцев. Причина проста при таких расчетах выбор выполняемых действий и запись результатов производились человеком, а скорость его работы весьма ограничена. Первая идея программно-управляемой счетной машины, имеющей арифметическое устройство, устройства управления, ввода и печати (хотя и использующей десятичную систему счисления), была выдвинута в 1822г. английским математиком Бэббиджем. Его проект опережал технические возможности своего времени и не был реализован. Английский математик попытался построить универсальное вычислительное устройство - аналитическую машину, которая должна была выполнять вычисления без участия человека. Для этого она должна была уметь исполнять программы, вводимые с помощью перфокарт (карт из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий), и иметь память для запоминания данных и промежуточных результатов. Бэббидж не смог довести до конца работу по созданию Аналитической машины - она оказалась слишком сложной для техники того времени. Однако он разработал все основные идеи, и в 1943 г. американец Говард Эйкен с помощью работ Бэббиджа на основе техники XX в. - электромеханических реле - смог построить на одном из предприятий фирмы IBM такую машину под названием “Марк-1”. Еще раньше идеи Бэббиджа были открыты немецким инженером Конрадом Цузе, который в 1941 г. построил аналогичную машину.

Лишь в 40-х годах ХХ века удалось создать программируемую счетную машину, причем на основе электромеханических реле, которые могут пребывать в одном из двух устойчивых состояний: “включено” и “выключено”. Это технически проще, чем пытаться реализовать десять различных состояний, опирающихся на обработку.

Глава 1. Системный блок

Наиболее “весомой” частью любого компьютера является системный блок (иногда его называют компьютером, что является недопустимой ошибкой). Основные компоненты системного блока это:

блок питания;

микропроцессор

жесткий магнитный диск;

видеоадаптер;

дисководы гибких дисков и др. устройства ввода / вывода информации;

звуковая карта, CD-ROM, DVD-ROM, (дисковод ZIP и Флешь память устройства для внешних накоплений).

1.1 Блок питания компьютера AT (PC)

Рисунок 1 - Два разъёма "мама" на жгуте проводов, выходящем из блока питания компьютера

Вид на контакты со стороны подключаемого ответного разъёма. Цвета проводов могут отличаться указанных. Включение источника питания без нагрузки не рекомендуется. Нагрузка источника питания должна составлять не менее 10% от мощности.

Основное правило при подключении разъёмов к материнской плате: "Чёрные провода всегда в центре".

Таблица 1 - Схема подключения проводов к разъемам на материнской плате. Рекомендуемый объем мощности питания. AT (PC)

Выводы	Наименование	Описание	Цвет
1	PowerGood	Сигнал готовности источника питания	Оранжевый
2	+5v	+5v	Красный
3	+12v	+12v	Жёлтый
4	-12v	-12v	Синий
5	GND	(Корпус, общий провод)	Черный
6	GND	(Корпус, Общий провод)	Чёрный
7	GND	(Корпус, Общий провод)	Чёрный

С появлением в 80-х годах первых персональных компьютеров, темпы развития резко возросли. Практически каждый день появляются новые разработки, и ПК становится все доступнее и более необходим. В настоящее время нет ни одной сферы деятельности, где не использовались бы компьютеры.

К началу XX века времени потребность в автоматизации вычислений, особенно для военных нужд - баллистики, криптографии стала настолько велика, что над созданием машин типа построенных Эйкеном и Цузе одновременно работало несколько групп исследователей.

В 1943 г. группа американских специалистов под руководством Джона Мочли и Преспера Экерта начала конструировать подобную машину уже на основе электронных ламп, а не реле. Их машина, названная ENIAC, работала в тысячу раз быстрее, чем Марк-1, однако для задания ее программы приходилось в течение нескольких часов или даже нескольких дней подсоединять нужным образом провода. Для упрощения процесса задания программ, Мочли и Экерт стали конструировать новую машину, которая могла бы хранить программу в своей памяти. В 1945 г. к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этой машине.

Этот доклад стал всемирно известным, так, как в нем фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования компьютеров. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но они соответствуют тем принципам, которые изложил в своем докладе в 1945 г Джон фон Нейман.

Для того чтобы быть универсальным и эффективным устройством обработки информации, компьютер должен иметь следующие устройства:

- арифметически-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;

- устройство управления, которое организует процесс выполнения программ;

- запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных;

- внешние устройства для ввода-вывода информации.

Память компьютера должна состоять из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково доступны для других устройств компьютера, линии показывают управляющие двойные информационные связи.

Рисунок 2 - Схема устройства обработки информации.

1.2 DELL LATITUDE C510 / C610 (Ноутбук), разъём питания

Рисунок 3 - Вид на контакты, со стороны подключаемого ответного разъёма.

Разъём располагается на задней стенке ноутбука.

Таблица 2 - Схема подключения ноутбука. Рекомендуемый объем мощности питания.

Наименование	Описание
GND	Общий провод.
-	Не используется
+20v	+20v/3,5A (стабилизированное).
GND	(Корпус, Общий провод)	Чёрный
Power ON	Запуск блока питания.	Зелёный
GND	(Корпус, Общий провод)	Чёрный
GND	(Корпус, Общий провод)	Чёрный
GND	(Корпус, Общий провод)	Чёрный
-5v	-5v	Синий
+5v	+5v	Красный
+5v	+5v	Красный

1.3 Микропроцессор

Микропроцессор является "мозгом" компьютера. Он осуществляет выполнение программ, работающих на компьютере, и управляет работой остальных устройств компьютера. Скорость его работы во многом определяет быстродействие компьютера.

Важнейший компонент любого персонального компьютера - это его микропроцессор. Данный элемент в большей степени определяет возможности вычислительной системы и является его сердцем. До настоящего времени безусловным лидером в создании современных микропроцессоров остаётся фирма Intel.

Микропроцессор представляет собой сверхбольшую интегральную схему, реализованную в едином полупроводниковом кристалле и способную выполнять функции центрального процессора. Степень интеграции определяется размерами кристалла и количеством реализованных в нём транзисторов. Часто интегральными микросхемы называют чипами (chips).

К обязательным компонентам микропроцессора относятся арифметико-логическое (исполнительное) устройство и блок управления. Они характеризуются скоростью (тактовой частотой), разрядностью или длинной слова (внутренней и внешней), архитектурой и набором команд.

Архитектура микропроцессора определяет необходимые регистры, стеки, систему адресации, а также типы обрабатываемых процессором данных. Обычно используются следующие типы данных: бит (один разряд), байт (8 бит), слово (16 бит), двойное слово (32 бита). Выполняемые микропроцессором команды предусматривают, арифметические действия, логическое операции, передачу управления (условную и безусловную) и перемещение данных (между регистрами, памятью, портами ввода-вывода).

Под конвейерным режимом понимают такой вид обработки, при котором интервал времени, требуемый для выполнения процесса в функциональном узле (например, в арифметико-логическом устройстве) микропроцессора, продолжительнее, чем интервалы, через которые данные могут вводиться в этот узел. Предполагается, что функциональный узел выполняет процесс в несколько этапов, то есть когда первый этап завершается, результаты передаются на второй этап, на котором используются другие аппаратные средства. Разумеется, что устройство, используемое на первом этапе, оказывается свободным для начала новой обработки данных. Как известно, можно выделить четыре этапа обработки команды микропроцессора:

выборка,

декодирование,

выполнение

запись результата.

Иными словами, в ряде случаев пока первая команда выполняется, вторая может декодироваться, а третья выбираться.

С внешними устройствами микропроцессор может «общаться» благодаря шинам адреса, данных и управления, выведенных на специальные контакты корпуса микросхемы. Стоит отметить, что разрядность внутренних регистров микропроцессора может не совпадать с количеством внешних выводов для линий данных. Иначе говоря, микропроцессор с 32-разрядными регистрами может иметь, например, только 16 линий внешних данных. Объём физически адресуемой микропроцессорной памяти однозначно определяется разрядностью внешней шины адреса как 2 в степени N, где N - количество адресных линий.

Важнейшие определения:

1. Любое внешнее устройство, совершающее по отношению к микропроцессору операции ввода-вывода, можно назвать периферийным.

2. Регистр представляет собой совокупность бистабильных устройств (то есть имеющих два устойчивых состояния), предназначенных для хранения информации и быстрого доступа к ней. В качестве таких устройств в интегральных схемах используют триггеры. Триггер в свою очередь выполнен на транзисторных переключателях (электронных ключах). В регистре из N триггеров можно запомнить слово из N бит информации.

3. Порт - это некая схема сопряжения, обычно включающая в себя один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющая подключить, например периферийное устройство к внешним шинам микропроцессора. Практически каждая микросхема использует для различных целей несколько портов ввода-вывода. Каждый порт имеет свой уникальный номер. Заметим, что номера порта - это, по сути, адрес регистра ввода-вывода, причём адресные пространства основной памяти и портов ввода-вывода не пересекаются.

4. Под прерыванием понимается сигнал, по которому процессор узнаёт совершение некоторого асинхронного события. При этом исполнение текущей последовательности команд приостанавливается (прерывается), а в место неё начинает выполняться другая последовательность, соответствующая данному прерыванию. Прерывания можно классифицировать как аппаратные, логические и программные. Аппаратные прерывания обычно связаны с запросами от периферийных устройств (например, нажатие клавиши клавиатуры), логические возникают при работе самого микропроцессора (деление на ноль), а программные инициализируются выполняемой программой и используются для вызова специальных подпрограмм. Кроме того, прерывания могут быть маскируемыми, то есть при определённых условиях (например, запрете на определение прерывания), микропроцессор не обращает на них внимание. В последнем случае, как правило, должны обрабатываться почти катастрофические события (падение напряжения питания или ошибка памяти). В режиме прямого доступа (DMA, Direct Memory Access) периферийное устройство связано с оперативной памятью непосредственно, минуя внутренние регистры микропроцессора. Наиболее эффективна такая передача данных в ситуациях, когда требуется высокая скорость обмена при передаче большого количества информации (например, при загрузке данных в память с внешнего накопителя). Довольно часто для адресов, номеров портов, прерываний и т.д. используется шестнадцатеричная система счисления. В этом случае после соответствующего числа стоит буква `h' (hexadecimal).

1.3.1 Выбор микропроцессора

Быстродействие микропроцессора во многом определяет скорость работы всего компьютера и, тем самым, диапазон применения компьютера:

1. компьютеры на основе микропроцессоров Intel-8088 (или Intel-8086) работают очень медленно, они уже полностью устарели и почти вышли из употребления;

2. компьютеры на основе микропроцессора Intel-80286 обеспечивают необходимое быстродействие для набора текстов, ввода исходных данных для бухгалтерских и аналогичных задач, многих компьютерных игр и т.д. Однако новые компьютеры такого класса уже не выпускаются (поскольку считаются морально устаревшими), а покупать их вряд ли целесообразно даже по бросовым ценам, так как для работы с большинством современных программ с графическим интерфейсом (например, с программами, выполняемыми в среде Windows) они практически не пригодны;

3. компьютеры на основе микропроцессоров Intel - 80386SX и DX, Intel-80486SX обеспечивают приемлемую вычислительную мощность для большинства рабочих мест под управлением как DOS, так и Windows: для программирования, работы с не очень большими базами данных, макетирования (верстки) несложных изданий и т.д. Однако для комфортной работы в среде Windows лучше приобрести более мощный компьютер; микропроцессоры Intel-80486DX и DX2 применяются для тех задач, где требуется высокое быстродействие компьютера: для файл-серверов больших локальных сетей, для профессиональных издательских, графических или анимационных программ, для решения серьезных вычислительных задач и т.д. А для пользователей, постоянно работающих с компьютером, будет целесообразно приобретение компьютера на основе Intel-80486DX или DX2. Даже и в том случае, если они используют самые обычные программы типа Word for Windows 6.0, Excel 5.0 и т.д., поскольку эти микропроцессоры сейчас стоят не намного дороже Intel-80386 и 80486SX, а обеспечивают большую производительность; микропроцессоры Pentium и рассчитанные на его использование системные платы пока что стоят весьма дорого, поэтому их целесообразно применять для таких приложений, как воспроизведение видеоизображений в реальном времени, большие задачи трехмерного проектирования и моделирования, создания мощных файл-серверов и многопроцессорных систем.

4. Математический сопроцессор. Микропроцессоры Intel-80286 и Intel-80386 не содержат специальных команд для работы с числами с плавающей точкой. При проведении расчетов с такими числами каждая операция над ними моделируется с помощью нескольких десятков операций микропроцессора. Это сильно снижает эффективность применения компьютера для научных вычислений, при использовании машинной графики и для других применений с интенсивным использованием чисел с плавающей точкой. Поэтому в этих случаях следует использовать компьютеры IBM PC с установленным математическим сопроцессором Intel-8087, Intel-80287 или Intel-80387. Наличие сопроцессора может увеличить скорость выполнения операций с плавающей точкой в 5-15 раз. Микропроцессоры Intel-80486DX и DX2 и Pentium сами поддерживают операции с плавающей точкой, поэтому при их использовании математический сопроцессор не требуется.

1.3.2 Оперативная память

Оперативная память (RAM - random access memory, ОЗУ) - устройство, предназначенное для хранения обрабатываемой информации (данных) и программ, управляющих процессом обработки информации, и представляет собой набор микросхем, размещенных на одной небольшой плате (модуль, планка). Модуль (модули) оперативной памяти вставляется в соответствующий разъем материнской платы, позволяя таким образом связываться с другими устройствами ПК.

Для того чтобы какая-либо программа начала свое выполнение, она должна быть загружена в оперативную память. Оперативная память является энергозависимой, т.е. хранит информацию, пока компьютер включен (подано питание на модуль оперативной памяти). В оперативную память программа и данные для ее работы попадают из других устройств, загружаются из внешней памяти, энергонезависимых устройств памяти (жесткий диск, компакт-диск и т.д.). Таким образом, загрузить программу означает прочесть ее из файла, находящегося на одном из устройств внешней памяти, и прочитанную копию разместить в оперативную память, после этого микропроцессор начнет ее выполнение.

Оперативная память хранит загруженную, выполняющуюся в этот момент программу и данные, которые с ее помощью обрабатываются. Если после обработки предполагается дальнейшее использование данных (это может быть и текстовой документ, и графическое изображение, и табличные данные, и звук), то копию этого документа из оперативной памяти можно записать на одном из устройств внешней памяти (например, на жестком диске), создав на жестком диске файл, хранящий документ.

Для того чтобы осуществить процесс загрузки нужной программы в оперативную память для этого нужна программа-посредник, посредник между “железом” и человеком. Такой программой является операционная система.

1.3.3 Кэш-память

Кэш-память - это количество тактов в секунду, лишь один показатель, определяющий скорость процессора. Вторым элементом является архитектура микропроцессора и компьютерной системы в целом. В последние годы было сделано важное улучшение: процессор начали оснащать кэш-памятью. Кэш-память (с английского cash - запас)- устройство, имеющее очень короткое время доступа к данным. Встроенная в микросхему сверхбыстрая память. В ней хранятся наиболее часто используемые данные из оперативной памяти. Обычно имеет размер 256 или 512 Кбайт, в мощных компьютерах до 1 более Гб.

Наличие такой памяти позволяло микропроцессору всегда хранить инструкции или данные "под рукой", а сложные алгоритмы предугадывали, какая информация понадобится процессору перед тем, как он вызывал и извлекал ее. При этом, когда информация становилась необходимой, процессору не нужно было тратить циклы, ожидая выборки инструкции, передаче ее по системной шине в память, а затем возвращения. В усовершенствованные процессоры, включая почти все современные модели, добавлен кэш второго уровня L2, занимающий промежуточное положение между кэш-памятью (КЭШем первого уровня) процессора и памятью ОЗУ.

Специальные программно-аппаратные средства обеспечивают опережающее копирование данных из оперативной памяти в кэш и обратное копирование данных по окончании их обработки. Обработка данных в кэш-памяти производится быстрее, что приводит к увеличению производительности ПК. Непосредственного доступа из программы в кэш-память нет.

Для управления всей кэш-памятью и ее использования применяются сложные алгоритмы. Алгоритм предсказания ветвлений предугадывает следующее направление для выборки инструкции перед тем, как она будет вызвана. Алгоритм спекулятивного выполнения идет на шаг впереди для выполнения предсказанной последовательности операций еще перед тем, как процессор запросит ее. Алгоритм нестандартного завершения работает с инструкциями нелогичным, но более эффективным способом.

1.3.4 CMOS-память

CMOS-память (изготовленная по технологии CMOS - complementary metal - oxide semiconductor) предназначена для длительного хранения данных о конфигурации и настройке компьютера (дата, время, пароль), в том числе и когда питание компьютера выключено. Для этого используют специальные электронные схемы со средним быстродействием, но очень малым энергопотреблением, питаемые от специального аккумулятора, установленного на материнской плате. Это полупостоянная память.

Данные записываются и считываются под управлением команд, содержащихся в другом виде памяти - BIOS.

BIOS - постоянная память, т.е. память, хранящая информацию при отключенном питании теоретически сколь угодно долго, в которую данные занесены при ее изготовлении. Такой вид памяти называется ROM (read only memory). BIOS (Basic Input-Output System) - базовая система ввода-вывода - содержит наборы групп команд, называемых функциями, для непосредственного управления различными устройствами ПК, их тестирования при включении питания и осуществления начального этапа загрузки операционной системы компьютера. В BIOS содержится также программа настройки конфигурации компьютера - SETUP. Она позволяет установить некоторые характеристики устройств ПК. BIOS как система непосредственно ориентирована на конкретную аппаратную реализацию компьютера и может быть различной даже в однотипных компьютерах.

1.4 Жесткий магнитный диск

Жесткий магнитный диск (винчестер, HDD - Hard Disk Drive) - постоянная память, предназначена для долговременного хранения всей имеющейся в компьютере информации. Операционная система, постоянно используемые программы загружаются с жесткого диска, на нем хранится большинство документов. Накопитель на жестком диске (HDD) является одним из ключевых компонентов современного ПК. От него напрямую зависит производительность и надежность системы. Технологии изготовления жестких дисков совершенствуются, размеры программ увеличиваются, данные на компьютере накапливаются...

Жесткий магнитный диск (он же винчестер) состоит из гермоблока и платы электроники. В гермоблоке размещены все механические части, на плате - вся управляющая электроника, за исключением предусилителя (предварительного усилителя), размещенного внутри гермоблока в непосредственной близости от считывающих головок.

В гермоблоке установлен шпиндель с одним или несколькими дисками. Диски изготовлены из алюминия (иногда - из керамики или стекла) и покрыты тонким слоем окиси хрома. В настоящее время объем информации, хранимой на одном диске, может достигать 100 Гбайт.

Сбоку шпинделя находится поворотный позиционер (подобен башенному крану со стрелой-коромыслом). С одной стороны коромысла расположены обращенные к дискам легкие магнитные головки, а с другой - короткий хвостовик с обмоткой электромагнитного привода. При поворотах коромысла позиционера головки совершают движение по дуге между центром и периферией дисков.

Под дисками расположен двигатель, который вращает их с большой скоростью. При вращении дисков создается сильный поток воздуха, который циркулирует по периметру гермоблока. Пыль губительна для поверхности дисков, поэтому блок герметизирован, воздух в нем постоянно очищается специальным фильтром. Для выравнивания давления воздуха внутри и снаружи в крышках гермоблоков делаются небольшие окна, заклеенные тонкой пленкой. В ряде моделей окно закрывается воздухопроницаемым фильтром.

Обмотку позиционера окружает статор, представляющий собой постоянный магнит. При подаче в обмотку тока определенной величины и полярности коромысло начинает поворачиваться в соответствующую сторону с соответствующим ускорением. Динамически изменяя ток в обмотке, можно устанавливать позиционер в любое положение. При вращении дисков аэродинамическая сила поддерживает головки на небольшом расстоянии от поверхности дисков. Головки никогда не соприкасаются с той зоной поверхности диска, где записаны данные. На хвостовике позиционера обычно расположена так называемая магнитная защелка - маленький постоянный магнит, который при крайнем внутреннем положении головок притягивается к поверхности статора и фиксирует коромысло в этом положении. Это так называемое парковочное положение головок, которые при этом лежат на поверхности диска, соприкасаясь с нею. В посадочной зоне дисков информация не записывается, поэтому прямой контакт с нею не опасен.

Практически все современные жесткие диски выпускаются по технологии, использующей магниторезистивный эффект. Благодаря этому в последний год емкость дисков растет быстрыми темпами за счет повышения плотности записи информации.

Появление в 1999 г. изобретенных фирмой IBM головок с магниторезистивным эффектом (GMR - Giant Magnetic Resistance) привело к повышению плотности записи до 6,4 Гбайт на одну пластину в уже представленных на рынке изделиях.

1.4.1 Основные параметры жесткого диска

1. Емкость - винчестер имеет объем от 40 Гб

2. Скорость чтения данных. Средний сегодняшний показатель - около 8 Мбайт/с.

3. Среднее время доступа. Измеряется в миллисекундах и обозначает то время, которое необходимо диску для доступа к любому выбранному вами участку. Средний показатель - 9 мс.

4. Скорость вращения диска. Показатель, напрямую связанный со скоростью доступа и скоростью чтения данных. Скорость вращения жесткого диска в основном влияет на сокращение среднего времени доступа (поиска). Повышение общей производительности особенно заметно при выборке большого числа файлов.

5. Размер кэш-памяти - быстрой буферной памяти небольшого объема, в которую компьютер помещает наиболее часто используемые данные. У винчестера есть своя кэш-память размером до 8 Мбайт.

6. Фирма-производитель. Освоить современные технологии могут только крупнейшие производители, потому что организация изготовления сложнейших головок, пластин, контроллеров требует крупных финансовых и интеллектуальных затрат. В настоящее время жесткие диски производят семь компаний: Fujitsu, IBM-Hitachi, Maxtor, Samsung, Seagate, Toshiba и Western Digital. При этом каждая модель одного производителя имеет свои, только ей присущие особенности.

1.4.2 Геометрия жесткого диска

Пластины накопителя изготовляются из металла или стекла и имеют с одной или обеих сторон магнитный слой, на который и происходит запись информации. Сторона пластины с нанесенным магнитным слоем называется рабочей поверхностью. Поверхности пластин тщательно отполированы и покрыты ферримагнитным слоем. Материал покрытия и количество слоев (магнитный слой может состоять из нескольких слоев разных материалов) может быть различным для разных накопителей. На каждую рабочую поверхность приходится по одной головке (на самом деле в современных накопителях для увеличения плотности записи применяются отдельные головки записи и чтения, изготовленные по различным технологиям). Поверхность пластины разбивается на тонкие концентрические кольцевые зоны, называемые дорожками. А каждая дорожка, в свою очередь, делится на несколько участков, получивших названия секторов. Сектор можно условно разделить на две области: область данных и область служебной информации. Служебная информация записывается на пластину один раз на заводе-изготовителе и в дальнейшем не подлежит изменению. Служебная область включает уникальный адрес сектора в накопителе, по которому его опознает контроллер при записи или считывании информации. Область данных содержит полезную информацию, записываемую на накопитель. Эта область может быть многократно изменена в период эксплуатации. Объем области данных несколько превосходит информационную емкость сектора за счет дополнительной информации - для верификации и, возможно, исправления ошибок. Область данных сектора может быть обновлена только целиком. Т.е. на накопитель нельзя записать один или десять байт - только сектор целиком.

Все головки перемещаются синхронно, и этот процесс занимает некоторое время. Совокупность дорожек на разных пластинах доступных одновременно при неизменном положении головок называется цилиндром. С точки зрения производительности дисковой системы целесообразно последовательные данные располагать в пределах одного цилиндра.

В старых накопителях все дорожки содержали одинаковое количество секторов. В этом случае уникальный адрес каждого сектора (т.е. минимальной порции информации, хранимой на накопителе) мог быть задан тремя числами: номерами цилиндра, головки и сектора. Таким образом, на жестком диске была введена трехмерная система координат, очень напоминающая цилиндрическую форму в трехмерном пространстве: радиусу соответствует номер цилиндра, высоте - номер головки, а углу - номер сектора.

Если представить такую конструкцию в декартовой системе координат (например, считать, что наш "диск" собран из нескольких плат с флэш-памятью), то она будет представлять собой по форме параллелепипед, разбитый на ячейки - сектора. При такой разметке жесткого диска плотность записи на внешних дорожках примерно втрое ниже, чем на внутренних, одно и то же количество информации на втрое превосходящую длину дорожки. Поэтому в современных накопителях используется так называемая зонная запись, при которой поверхность пластин разделяется вдоль радиуса на несколько зон (обычно около десятка), в каждой из которых количество секторов на дорожку постоянно, однако, это количество меняется от зоны к зоне. На внешних дорожках размещено большее количество секторов, чем на внутренних. Это позволяет увеличить информационную емкость накопителя примерно вдвое без изменения максимальной плотности записи. Но, будучи представленной в декартовой геометрии, такая фигура будет иметь достаточно сложную форму, с которой не сможет работать BIOS. Поэтому из всего многообразия интерфейсов жестких дисков (ST506/412, ESDI, IDE, SCSI) остались только два последних, отличающихся наибольшей "интеллектуальностью", что выражается в способности осуществлять такое "преобразование координат" при котором фигура неправильной формы превращается в аккуратный "кирпичик". Заодно такое преобразование позволяет обойти или, по крайней мере, несколько смягчить ограничения, налагаемые BIOS на максимальные значения некоторых параметров. Например, BIOS не может работать более чем с 63 секторами на дорожке, в то время как на современных дисках их примерно на порядок больше. В то же время, BIOS может "думать", что у жесткого диска 16 или даже 255 головок, в то время как в реальных накопителях это число лежит в пределах, как правило, от 1 до 6. Проблема емких и надежных накопителей, являющихся внешними для компьютерной системы, стоит сегодня достаточно остро.

1.4.3 Стримеры

Классическим способом резервного копирования является применение стримеров - устройств записи на магнитную ленту. Однако возможности этой технологии, как по емкости, так и по скорости, сильно ограничены физическими свойствами носителя. Стример по принципу действия очень похож на кассетный магнитофон. Данные записываются на магнитную ленту, протягиваемую мимо головок.

Недостатком стримера является слишком большое время последовательного доступа к данным при чтении. Емкость стримера достигает нескольких Гбайт, что меньше емкости современных винчестеров, а время доступа во много раз больше.

1.4.4 Видеоадаптеры EGA, VGA

Видеоадаптеры EGA и VGA условно делятся на шесть логических блоков, описание которых приведены ниже:

1. Видеопамять. В видеопамяти размещаются данные, отображаемые адаптером на экране дисплея. Для EGA и VGA видеопамять обычно имеет объем 256 Кбайт, на некоторых моделях SVGA и XGA объем видеопамяти может быть увеличен до 2Мбайт. Видеопамять находится в адресном пространстве процессора и программы могут непосредственно производить с ней обмен данными. Физически видеопамять разделена на четыре банка, или цветовых слоя, использующих совместное адресное пространство.

2. Графический контроллер. Посредством его происходит обмен данными между центральным процессором и видеопамятью. Аппаратура графического контроллера позволяет производить над данными, поступающими в видеопамять и расположенными в регистрах-защелках простейшие логические операции.

3. Последовательный преобразователь. Выбирает из видеопамяти один или несколько байт, преобразует их в поток битов, затем передает их контроллеру атрибутов.

4. Контроллер ЭЛТ. Контроллер генерирует временные синхросигналы, управляющие ЭЛТ.

5. Контроллер атрибутов. Преобразует информацию о цветах из формата, в котором она хранится в видеопамяти, в формат, необходимый для ЭЛТ.

6. Синхронизатор. Управляет всеми временными параметрами видеоадаптера. Синхронизатор также управляет доступом процессора к цветовым слоям видеоадаптера.

Видеопамять адаптеров EGA и VGA разделена на четыре банка, или на четыре цветовых слоя. Эти банки размещаются в одном адресном пространстве таким образом, что по каждому адресу расположено четыре байта (по одному байту в каждом банке). Какой из банков памяти используется для записи или чтения данных процессором, определяется при помощи установки нескольких регистров адаптера.

Так как все четыре банка находятся в одном адресном пространстве, то процессор может производить запись во все четыре банка за один цикл записи. Благодаря этому некоторые операции, например, заполнение экрана, происходят с большей скоростью. В том случае, когда запись во все четыре банка не требуется, можно разрешать или запрещать запись во все четыре банка при помощи регистра разрешения записи цветового слоя. Для операции чтения в каждый момент времени может быть разрешен с помощью регистра выбора читаемого цветового слоя только один цветовой слой. В большинстве режимов видеоадаптера видеопамять разделена на несколько страниц. При этом одна из них является активной и отображается на экране. При помощи функций BIOS или программирования регистров видеоадаптера можно переключать активные страницы видеопамяти. Вывод информации может производиться как в активные, так и в неактивные страницы видеопамяти.

В текстовых режимах на экране могут отображаться только текстовые символы. Стандартные текстовые режимы позволяют выводить на экран 25 строк по 40 или 80 символов. Для кодирования каждого знакоместа экрана используется два байта: первый из них содержит ASCII код отображаемого символа, второй - атрибуты символа. ASCII коды символов экрана располагаются в нулевом цветовом слое, а их атрибуты - в первом цветовом слое. Атрибуты определяют цвет символа и цвет фона. Благодаря такому режиму хранения информации достигается значительная экономия памяти. При отображении символа на экране происходит преобразование его из формата ASCII в двумерный массив пикселей, выводимых на экран. Для этого преобразования используется таблица трансляции символов (таблица знакогенератора). Таблица знакогенератора хранится во втором слое видеопамяти. При непосредственном доступе к видеопамяти нулевой и первый цветовые слои отображаются на общее адресное пространство с чередованием байтов из слоев. Коды символов имеют четные адреса, а их атрибуты - нечетные.

При установке текстовых режимов работы видеоадаптеров EGA и VGA BIOS загружает таблицы знакогенератора из ПЗУ во второй цветовой слой видеопамяти. Впоследствии таблицы используются при отображении символов на экране. Благодаря этому можно легко заменить стандартную таблицу знакогенератора своей собственной. Это широко применяется при русификации компьютеров.

EGA и VGA обеспечивают возможность одновременной загрузки соответственно четырех и восьми таблиц знакогенераторов в память. Каждая таблица содержит описание 256 символов. Одновременно активными могут быть одна или две таблицы знакогенератора. Это дает возможность одновременно отображать на экране до 512 символов. При этом один бит из байта атрибутов указывает, какая из активных таблиц знакогенератора используется при отображении данного символа. Номера активных таблиц знакогенератора определяются регистром выбора знакогенератора.

EGA поддерживает два размера для матриц символов: 8х8 и 8х14 пикселей. Один из этих наборов символов автоматически загружается BIOS в видеопамять при выборе текстового режима. Так как VGA имеет большую разрешающую способность, то его матрица символа имеет размеры 9х16. На каждый символ отводится 32 байта. Первая таблица имеет в видеопамяти адреса: 0000h-1FFFh, вторая: 2000h-3FFFh,..., восьмая: E000h-FFFFh.

Каждый символ, отображаемый на экране в текстовом режиме, определяется не только своим ASCII кодом, но и байтом атрибутов. Атрибуты задают цвет символа, цвет фона, а также некоторые другие параметры. Биты D0-D2 байта атрибутов задают цвет символа, D4-D6 цвет фона. Если активной является одна таблица знакогенератора, то D3 используется для управления интенсивностью цвета символа, что позволяет увеличить количество воспроизводимых цветов до 16. Если одновременно определены две таблицы знакогенератора, то D3 задает таблицу знакогенератора, которая будет использована для отображения данного символа. Бит D7 выполняет две различные функции в зависимости от состояния регистра режима контроллера атрибутов. Данный бит либо управляет интенсивностью цвета фона, увеличивая количество отображаемых цветов до 16, либо разрешением гашения символа, в результате чего символ на экране будет мигать. По умолчанию данный бит управляет разрешением гашения символа.

Видеопамять в графических режимах: Распределение видеопамяти в графических режимах работы адаптеров отличается от распределения видеопамяти в текстовых режимах. Ниже рассмотрена структура распределения видеопамяти отдельно для каждого графического режима.

Режимы 4 и 5.

Это режимы низкого разрешения (320х200) , используются 4 цвета. Поддерживаются видеоадаптерами CGA, EGA и VGA. У EGA и VGA видеоданные расположены в нулевом цветовом слое, остальные слои не используются. Для совместимости с CGA отображение видеопамяти на экране не является непрерывным: первая половина видеопамяти (начальный адрес В800: 0000) содержит данные относительно всех нечетных линий экрана, а вторая (начальный адрес В800: 2000) - относительно всех четных линий. Каждому пикселю соответствует два бита видеопамяти. За верхний левый пиксель экрана отвечают биты D7 и D6 нулевого байта видеопамяти. В режимах 4 и 5 имеются два набора цветов: стандартный и альтернативный: 00 - черный; 01 - светло-синий (зеленый); 10 - малиновый (красный); 11 - ярко-белый (коричневый).

Режим 6.

Режим 6 является режимом наибольшего разрешения для CGA (640х200). Видеоадаптеры EGA и VGA используют для хранения информации только нулевой слой. Как и в режимах 4 и 5 первая половина видеопамяти отвечает за нечетные линии экрана, а вторая половина - за четные. В данном режиме на один пиксель отводится один бит видеопамяти. Если значение бита равно 0, то пиксель имеет черный цвет, а если единице - то белый.

Режимы 0Dh и 0Еh.

Разрешающая способность в режиме 0Dh составляет 320х200, а в режиме 0Eh 640х200 пикселей. Данный режим поддерживается только видеоадаптерами EGA и VGA. Для хранения видеоданных используются все четыре цветовых слоя. Адресу видеопамяти соответствуют четыре байта, которые вместе определяют восемь пикселей. Каждому пикселю соответствуют четыре бита - по одному из каждого цветового слоя. Четыре бита на пиксель, используемые в данных режимах, позволяют отображать 16 различных цветов. Запись в каждый из этих цветовых слоев можно разрешить или запретить при помощи разрешения записи цветового слоя. Управление доступом к цветовым плоскостям осуществляется при помощи регистров: Адресный регистр графического контроллера, порт вывода для этого 3CEh; биты 0-3 содержат адрес регистра, остальные не используются. Регистр цвета: для доступа к этому регистру значение адресного регистра должно быть 00h, адрес порта вывода для этого регистра 3CFh; биты 0-3 определяют значение для соответствующей плоскости, остальные не используются. Регистр разрешения цвета: для доступа к этому регистру значение адресного регистра должно быть 01h, адрес порта вывода для этого регистра 3CFh; биты 0-3 означают разрешение соответствующего слоя, а остальные не используются. Регистр выбора плоскости для чтения: для доступа к этому регистру значение адресного регистра должно быть 04h, адрес порта вывода для этого регистра 3CFh; биты 0-2 содержат номер плоскости для чтения, а остальные не используются.

Графический контроллер осуществляет обмен данными между видеопамятью и процессором. Он может выполнять над данными, поступающими в видеопамять, простейшие логические операции: И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩИЕ, ИЛИ, циклический сдвиг. Таким образом, видеоадаптер может выполнять часть работы по обработке видеоданных. Хотя процессор может читать данные только из одного цветового слоя, запись данных в регистры-защелки происходит из всех цветовых слоев. Эту особенность можно использовать для быстрого копирования областей экрана.

Во время цикла чтения данных из видеопамяти, графический контроллер может выполнять операцию сравнения цветов. В отличие от обычной операции чтения, когда читается только один цветовой слой, при операции сравнения цветов графический контроллер имеет доступ ко всем четырем слоям одновременно. В случае совпадения вырабатывается определенный сигнал.

Последовательный преобразователь.

Это устройство запоминает данные, читаемые из видеопамяти в течении цикла регенерации, преобразует их в последовательный поток бит, а затем передает их контроллеру атрибутов.

Контроллер атрибутов в графических режимах управляет цветами. Значениям цветовых атрибутов ставится в соответствие определенный цвет при помощи таблицы цветовой палитры. Эта таблица ставит в соответствие четырем битам из видеопамяти шесть битов цветовой информации. Для ЕGA эта информация поступает непосредственно на дисплей, а для VGA - преобразуется в соответствии с таблицей цветов тремя ЦАП в RGB-сигнал и передается на дисплей.

Контроллер ЭЛТ выполняет следующие функции: вырабатывает сигналы управления работой ЭЛТ, определяет формат экрана и символов текста, определяет форму курсора, управляет световым пером, управляет скроллингом содержимого экрана.

Синхронизатор управляет всеми временными параметрами видеоадаптера.

1.5 Гибкий диск

Использование 3,5' (1,44 Мбайт) гибких дисков уходит в прошлое. Бывают двух типов и обеспечивают хранение информации на дискетах одного из двух форматов: 5,25' или 3,5'. Дискеты формата 5,25' в настоящее время практически не встречаются (максимальная емкость 1,2 Мб). Для дискет формата 3,5' максимальная емкость составляет 2,88 Мб, самый распространенный формат емкости для них - 1,44 Мб.

Мб. Гибкие магнитные диски помещаются в пластмассовый корпус. В центре дискеты имеется приспособление для захвата и обеспечения вращения диска внутри пластмассового корпуса. Дискета вставляется в дисковод, который вращается с постоянной угловой скоростью.

Все дискеты перед употреблением форматируются - на них наносится служебная информация, обе поверхности дискеты разбиваются на концентрические окружности - дорожки, которые в свою очередь делятся на сектора. Одноименные сектора обеих поверхностей образуют кластеры. Магнитные головки примыкают к обеим поверхностям и при вращении диска проходят мимо всех кластеров дорожки.

Перемещение головок по радиусу с помощью шагового двигателя обеспечивает доступ к каждой дорожке. Запись/чтение осуществляется целым числом кластеров, обычно под управлением операционной системы. Однако в особых случаях можно организовать запись/чтение и в обход операционной системы, используя напрямую функции BIOS. В целях сохранения информации гибкие магнитные диски необходимо предохранять от воздействия сильных магнитных полей и нагревания, так как такие воздействия могут привести к размагничиванию носителя и потере информации.

1.6 Звуковая карта

Звуковая карта. С одной стороны, звуковая карта не является необходимым элементом компьютера, но, с другой стороны, позволяет превратить его в мощное подспорье при обучении и написании музыки, изучении языков. Простейшей картой является Adlib, которая позволяет воспроизводить только музыку без оцифрованной речи.

1.7 CD-ROM и CD-RW

Вторым по степени распространенности накопителем можно назвать дисководы CD-ROM и CD-RW (Compact Disc-ReWritable).

В качестве носителя программ и данных диски CD-ROM останутся актуальными и в обозримом будущем, поэтому, несмотря на появление записывающих устройств, продолжается совершенствование и классических (только с функцией чтения) приводов CD-ROM - они становятся все более быстродействующими и дешёвыми. Устройства с однократной (CD-R) и многократной (CD-RW) записью, хотя и получают все большее распространение, пока не вытесняют, а скорее дополняют обычные проводы CD-ROM.

На диске CD-ROM промышленным способом записывается информация, и произвести ее повторную запись невозможно. Наибольшее распространение получили 5-дюймовые диски CD-ROM емкостью 670 Мбайт. По своим характеристикам они полностью идентичны обычным музыкальным компакт-дискам. Данные на диске записываются в виде спирали (в отличие от винчестера, данные на котором располагаются в виде концентрических окружностей). С точки зрения физики лазерный луч определяет цифровую последовательность единиц и нулей, записанных на CD, по форме микроскопических ямок (пит, pit) на его спирали.

1.7.1 Лазерные накопители CD-R

Цены на средства записи компакт-дисков снизились, а это значит, что теперь даже частное лицо может попытаться выпустить небольшим тиражом свой диск.

Чтобы записать один-единственный компакт-диск, десять лет назад потребовались бы целая комната аппаратуры, два квалифицированных специалиста и восемь часов работы. Сегодня, имея компьютер с записывающим дисководом CD-R, можно сделать диск менее чем за час. Аббревиатурой CD-R (CD-Recordable) обозначена технология однократной оптической записи, которую можно использовать для архивирования данных, создания прототипов дисков серийного производства и для мелкосерийного выпуска изданий на компакт-дисках, записи аудио и видео. На CD-R, в частности, основана система Photo CD фирмы Kodak.

микропроцессор память жесткий диск монитор

1.7.2 Перезаписываемые накопители

Более десяти лет назад на компьютерном рынке появились накопители, которые дают возможность работать с перезаписываемыми CD-RW (CD-ReWritable), известными также как CD. Такие устройства позволяют заносить информацию на существующие недорогие компакт-диски с возможностью до записи CD-R, а при использовании перезаписываемых CD-RW-дисков могут стирать старые данные и записывать вместо них новые. Емкость носителя CD-RW составляют 650 Мбайт и равна емкости дисков CD-ROM и CD-R.

CD-RW-привод автоматически распознает тип загружаемого носителя. CD-R-диски совместимы с более чем 600 млн. различных CD-ROM-носителей и плейеров звуковых компакт-дисков, существующих сегодня в мире; они могут работать и в некоторых DVD-ROM-приводах (не во всех).

Диски CD-RW считываются только на современных универсальных CD-ROM-устройствах и DVD-ROM, рассчитанных на работу с различными носителями (удовлетворяющих спецификации MultiRead).

С помощью специальных программ на CD возможна одноразовая запись информации в домашних условиях. Запись производится мощным лазером, под воздействием которого материал CD частично теряет прозрачность. По внешнему виду, как сами дисководы, так и диски для CD-RW практически не отличаются от CD-ROM, DVD-ROM. Однако из-за меньшей прозрачности CD требуют лучшего отражающего покрытия. В целях сохранения информации CD необходимо предохранять от механических повреждений (царапин, сколов), а также от загрязнения. Накопители управляются контроллерами, размещенными на системной плате либо на мультикарте.

1.7.3 Накопители DVD-ROM, DVD-R, DVD-RW и др.

В конце 1997-го - начале 1998 года на рынке стали появляться диски и приводы DVD. Этот стандарт был создан с расчетом на то, чтобы заменить разные носители сразу в нескольких областях - в индустрии видео, в сфере информационных технологий, в звуковых записях и даже, возможно в индустрии игровых картриджей. По замыслу разработчиков, это должен быть некий “универсальный” носитель, необычайно вместительный и надежный.

DVD (Digital Versatile Disk, ранее Digital Video Disk), т.е. многоцелевой цифровой диск - тип компакт-дисков, хранящий от 4,7 до 17 Гбайт информации, что вполне достаточно для полнометражного фильма. Почти все уже уверены, что DVD скоро вытеснят как CD-ROM, так и обычные VHS-видеокассеты. Такой объем способен удовлетворить любого производителя компьютерных игр и энциклопедий, для выпуска которых обычно требовалось несколько CD-ROM, вызывая неудобства у пользователя.

По физическим размерам же диски CD и DVD абсолютно одинаковы - DVD лишь немного тоньше. Естественно, так же как и CD-диски, DVD производится в двух форм: 12 см и 8 см. Наиболее распространенным, как и в случае с CD, скорее всего, будет форм-фактор 12 см - ведь именно на него рассчитано большинство дисководов и DVD-плееров.

В первую очередь у DVD-дисков меньший диаметр углублений, на дорожке они расположены с меньшим “шагом” и самих дорожек на диске гораздо больше. Использование насечек меньшего размера стало возможным благодаря применению лазера с меньшей длиной волны, посылающего более “плотный” луч. В то время как лазер в обычном устройства CD-ROM имеет длину волны 780 нанометров, устройства DVD используют лазер с длиной волны 650 или 635 нм, что позволяет покрывать лучом в два раз больше насечек на одной дорожке и в два раза больше дорожек. Кроме того, поверхность диска, отведенная для хранения данных, немного больше, чем у CD-ROM; DVD также предусматривает другой формат секторов и более надежный код коррекции ошибок. Все эти нововведения позволили достичь примерно в семь раз большей емкости дисков DVD, чем традиционных CD.

Но семикратный прирост емкости диска - это далеко не предел. Пожалуй, самое интересное в спецификациях DVD - это возможность создания двухсторонних и двухслойных дисков.

Двухсторонний диск делается просто: так как толщина диска DVD может составлять лишь 0,6 мм (половина толщины обычного CD-ROM), появляется возможность соединить два диска тыльными сторонами и получить двухсторонний DVD.

Технология создания двухслойных дисков чуть более сложна: данные записываются в двух слоях - нижнем и полупрозрачном верхнем. Работая, на одной частоте лазер считывает данные с полупрозрачного слоя, работая на другой - получает данные “со дна”.