Лекции 140400

Лекция 2 - 140400

установлены наиболее важные компоненты, называемые внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними или периферийными.

Упрощенная блок-схема ПЭВМ

Корпус системного блока может иметь горизонтальную (DeskTop) или вертикальную (Tower — башня) компоновку.

Кроме формы, для корпуса важен параметр, называемый форм-фактором который обязательно должен быть согласован с форм-фактором главной (системной) платы компьютера - материнской платы.

Материнская плата - основная плата персонального компьютера. На ней размещаются:

МП (микропроцессор), или центральный процессор [CPU, от англ. Central Processing Unit) — основной рабочий компонент компьютера;

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), набор микросхем,

предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен; предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационновычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени;

ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) микросхема,

предназначенная для длительного хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации, в том числе и когда компьютер выключен;

ГТИ (генератор тактовых импульсов), тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет);

Чипсет (ChipSets) (микропроцессорный комплект) набор микросхем,

управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих

21

Лекция 2 - 140400

основные функциональные возможности материнской платы; Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания,

принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал на выполнение прерывания процессору;

Прерывание — временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент более важной (приоритетной) программы.

Контроллер клавиатуры;

Таймер - внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени.

Контроллеры (адаптеры) служат для подключения периферийных устройств к шинам микропроцессора, обеспечивая совместимость их интерфейсов. Они осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора и реализуются, как правило, на отдельных печатных платах, вставляемых в унифицированные разъемы (слоты) на материнской плате. Через эти разъемы контроллеры устройств подключаются непосредственно к шине.

Системная шина — основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина включает в себя:

-шину данных (ШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда, обычно 64-разрядная;

-шину адреса (ША), состоящую из проводов и схем сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства, обычно 32-разрядная;

-шину команд (ШК), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки компьютера, в большинстве современных процессоров шина команд 32разрядная, хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже 128-разрядные.

В системном блоке расположен БП (блок питания), содержащий системы сетевого питания ПК и преобразующий переменное напряжение электросети в постоянное напряжение различной полярности и величины. Блок питания содержит вентилятор, создающий циркулирующие потоки воздуха для охлаждения системного блока.

Кроме сетевого, в компьютере имеется также автономный источник питания — аккумулятор. К аккумулятору подключается таймер — внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени. Таймер продолжает работать и при отключении компьютера от сети.

Дисковая память относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач, в ней, в частности, хранится все программное обеспечение компьютера. В качестве устройств внешней памяти,

22

Лекция 2 - 140400

размещаемых в системном блоке, используются накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках, накопители на оптических дисках (НОД) и др.

4.2 Видеосистема компьютера Видеосистема компьютера состоит из трех компонент:

-монитор (называемый также дисплеем);

-видеоадаптер;

-программное обеспечение (драйверы видеосистемы).

Видеоадаптер посылает в монитор сигналы управления яркостью лучей и синхросигналы строчной и кадровой развёрток.

Монитор преобразует эти сигналы в зрительные образы без их долговременной фиксации.

Программные средства обрабатывают видеоизображения — выполняют кодирование и декодирование сигналов, координатные преобразования, сжатие изображений и др.

Монитор - не единственно возможное, но главное устройство вывода. Мониторы бывают алфавитно-цифровые и графические, монохромные и цветного изображения. Современные компьютеры комплектуются, как правило, цветными графическими дисплеями на базе электронно-лучевой трубки, газоразрядными, жидкокристаллическими и сенсорными.

4.2.1 Монитор на базе электронно-лучевой трубки

Основной элемент дисплея — электронно-лучевая трубка. Её передняя, обращенная к зрителю часть с внутренней стороны покрыта люминофором — специальным веществом, способным излучать свет при попадании на него быстрых электронов.

Схема электронно-лучевой трубки

Люминофор наносится в виде наборов точек трёх основных цветов — красного, зелёного и синего (пикселов).

На противоположной стороне трубки расположены три (по количеству основных цветов) электронные пушки. Все три пушки "нацелены" на один и тот же пиксел, но каждая из них излучает поток электронов в сторону "своей" точки люминофора. Чтобы электроны беспрепятственно достигали экрана, из трубки откачивается воздух, а между пушками и экраном создаётся высокое электрическое напряжение, ускоряющее электроны.

Отклоняющая система монитора обеспечивает прохождение электронным

23

Лекция 2 - 140400

лучом поочередно всех пикселей — строчка за строчкой от верхней до нижней, затем возвращается в начало верхней строки и т. д.

4.2.2 Газоразрядные мониторы.

Такие мониторы часто называют панелями. Газоразрядную панель образуют два плоскопараллельных стекла, между которыми размещены миниатюрные газоразрядные элементы. Каждая ячейка плазменного дисплея представляет собой флуоресцентную мини-лампу, которая способна излучать только один цвет из схемы RGB. В инертном газе в газоразрядном элементе под действием управляющих сигналов, формируемых микропроцессором устройства синхронизации и подаваемых на прозрачные электроды одного или обоих стекол, возникает разряд с ультрафиолетовым излучением. Это излучение вызывает свечение нанесенного на переднее или заднее стекло люминофоров красного, зеленого или синего цветов.

97 % ультрафиолетовой составляющей излучения, вредного для глаз, поглощается наружным стеклом.

Особенностью плазменных дисплеев является их высокое энергопотребление, что делает невозможным их использование в портативных устройствах (ноутбуках, карманных компьютерах).

4.2.3 Жидкокристаллические мониторы LCD (Liquid Crystal Display)

Жидкие кристаллы — это особое состояние некоторых органических веществ, в котором они обладают текучестью и свойством образовывать пространственные структуры, подобные кристаллическим. Жидкие кристаллы могут изменять свою структуру и светооптические свойства под действием электрического напряжения.

Основой жидкокристаллической панели служат две плоскопараллельные стеклянные пластины. На одну из них нанесены прозрачные горизонтальные и вертикальные токопроводящие электроды. В местах их пересечения укреплены пленочные транзисторы, два вывода которых соединены с электродами на стекле, а третий образует обкладку конденсатора. Экран при этом разделен на независимые ячейки, каждая из которых состоит из четырех частей (для трёх основных цветов и одна резервная). Вторую пластину конденсатора представляет прозрачный металлизированный слой на второй стеклянной пластине, расположенной параллельно первой на расстоянии, измеряемом микронами. Между пластинами помещено органическое вещество (жидкий кристалл), поворачивающее под действием электрического поля плоскость поляризации проходящего через него света. С двух сторон панели укреплены поляроидные пленки, плоскости поляризации которых повернуты на 90° относительно друг друга

При подаче на электроды напряжения в точке их пересечения конденсатор заряжается, и возникает электрическое поле между соответствующими обкладками конденсатора. В зависимости от величины напряжения изменяется угол поляризации жидкого кристалла между обкладками конденсатора от 90° до 0°. При отсутствии напряжения и соответственно электрического поля жидкий кристалл поворачивает угол

24

Лекция 2 - 140400

поляризации света от лампы подсветки на 90°, в результате чего свет свободно проходит через поляроидные пленки. Панель цветного дисплея содержит красный, зеленый и синий светофильтры, образующие триаду элемента разложения изображения.

Жидкокристаллический дисплей

4.2.4 Сенсорный экран

Сенсорный экран (от англ. touch screen) — это специальное устройство, которое крепится к экрану отображающего устройства и выполняет функции определения координат точки касания, что позволяет производить выбор необходимого элемента данных, меню или осуществлять ввод данных в какоелибо ЭВМ, то есть попадает в класс устройств ввода/вывода. Устройство ввода полностью интегрировано в монитор.

4.3 Клавиатура

Клавиатура - клавишное устройство управления персональным компьютере. Служит для ввода алфавитно-цифровых (знаковых) данных, а также команд управления. Комбинация монитора и клавиатуры обеспечивает простейший интерфейс пользователя. С помощью клавиатуры управляют компьютерной системой, а с помощью монитора получают от нее отклик.

Клавиатура относится к стандартным средствам персонального компьютера. Ее основные функции не нуждаются в поддержке специальными системными программами (драйверами). Необходимое программное обеспечение для начала работы с компьютером уже имеется в микросхеме ПЗУ в составе базовой системы ввода-вывода (BIOS), и потому компьютер реагирует на нажатия клавиш сразу после включения. Клавиатура содержит встроенный микроконтроллер (местное устройство управления).

Принцип действия клавиатуры:

При нажатии на клавишу (или комбинацию клавиш) специальная микросхема, встроенная в клавиатуру выдаёт скан-код.

Скан-код поступает в микросхему, выполняющую функцию порта

25

Лекция 2 - 140400

клавиатуры.

Порт клавиатуры выдаёт процессору прерывания с фиксированным номером. Для клавиатуры номер прерывания - 9.

Получив прерывание, процессор откладывает текущую работу и по номеру прерывания обращается в специальную область оперативной памяти, в которой находится вектор прерываний.

Определив адрес начала программы, обрабатывающей возникновение прерываний, процессор переходит к её исполнению.

Программа-обработчик прерывания по скан-коду определяет, какой код символа ASCII соответствует данному скан-коду.

Далее обработчик прерываний отправляет полученный код символа в небольшую область памяти - буфер клавиатуры, и прекращает свою работу, известив об это процессор.

Процессор прекращает обработку прерывания и возвращается к отложенной задачи.

Введённый символ хранится в буфере клавиатуры до тех пор, пока его не заберёт оттуда та программа, для которой он и предназначался, например текстовый редактор или текстовый процессор. Если символы поступают в буфер чаще, чем забираются оттуда, наступает эффект переполнения буфера. В этом случае ввод новых символов на некоторое время прекращается.

Средства настройки клавиатуры относятся к системным и обычно входят в состав операционной системы. Настройке подлежат: параметры режима повтора, используемые раскладки и органы управления, используемые для переключения раскладок.

4.4 Манипуляторы

Мышь - устройство управления манипуляторного типа.

Мышь не является стандартным органом управления, и персональный компьютер не имеет для нее выделенного порта. Для мыши нет и постоянного выделенного прерывания, а базовые средства ввода и вывода (BIOS) компьютера, размещенные в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), не содержат программных средств для обработки прерываний мыши.

В связи с этим в первый момент после включения компьютера мышь не работает. Она нуждается в поддержке специальной системной программы - драйвера мыши. Драйвер устанавливается либо при первом подключении мыши, либо при установке операционной системы компьютера. Хотя мышь и не имеет выделенного порта на материнской плате, для работы с ней используют один из стандартных портов, средства для работы с которыми имеются в составе BIOS.

В отличие от клавиатуры мышь не может напрямую использоваться для ввода знаковой информации - ее принцип управления является событийным. Перемещения мыши и щелчки ее кнопок являются событиями с точки зрения ее программы-драйвера. Комбинация монитора и мыши обеспечивает наиболее современный тип интерфейса пользователя, который называется графическим.

26

Лекция 3 140400

Лекция 3

ХРАНЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ

1 Основные виды памяти и классификация ЗУ

2 Структура хранения данных

1 ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ПАМЯТИ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЗУ

Под хранением информации понимают ее запись в запоминающее устройство (ЗУ) для последующего использования. Хранение является одной из основных операций, осуществляемых над информацией, с целью обеспечения ее доступности в течение некоторого промежутка времени.

Запоминающее устройство (память) — устройство, способное принимать данные и сохранять их для последующего считывания.

К основным параметрам, характеризующим запоминающие устройства, относятся емкость и быстродействие. Быстродействие памяти определяется продолжительностью операции обращения, то есть временем, затрачиваемым на поиск нужной информации в памяти и на ее считывание, или временем на поиск места в памяти, предназначаемого для хранения данной информации, и на ее запись.

В компьютерных системах обработки информации выделяют следующие основные типы памяти: регистровая память, основная память, кэш-память и внешняя память. Кроме того, в ЭВМ могут присутствовать различные специализированные виды памяти, характерные для тех или иных устройств вычислительной системы, например видеопамять.

Регистровая память предназначена для кратковременного хранения небольшого объема информации, непосредственно участвующей в вычислениях или операциях обмена (ввода-вывода).

Основная память в виде интегральных схем ИС предназначена для оперативного хранения и обмена данными, непосредственно участвующими в процессе обработки, она подразделяется на два вида: постоянное запоминающее устройство ПЗУ; и оперативное запоминающее устройство ОЗУ.

Кэш-память это очень быстрое ЗУ небольшого объема, являющееся буфером между устройствами с различным быстродействием служит для хранения копий информации, используемой в текущих операциях обмена. Обычно используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации. Как правило, часть кэш-памяти располагается непосредственно на кристалле микропроцессора (внутренний кэш), а часть - вне его (внешняя кэшпамять). Кэш-память программно недоступна. Для обращения к ней используются аппаратные средства процессора и компьютера.

Внешняя память используется для долговременного хранения больших объемов информации. В современных компьютерных системах в качестве устройств внешней памяти наиболее часто применяются:

-накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);

-накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);

-накопители на оптических дисках;

27

Лекция 3 140400

- магнитооптические носители информации и др.

МП не имеет непосредственного доступа к данным, находящимся во внешней памяти. Для обработки этих данных процессором они должны быть загружены в оперативную память.

Основным классификационным признаком ЗУ является способ доступа к данным: ЗУ с прямым доступом (адресные), ЗУ с последовательным доступом и ЗУ с ассоциативным доступом.

Прямой доступ реализует возможность непосредственного обращения к элементам памяти, содержащим искомую информацию или предназначенным для записи новой информации по адресу этих элементов памяти.

Последовательный доступ реализует последовательное считывание информации из ЗУ в порядке записи или в обратном порядке. Основной метод поиска данных в этом виде памяти - последовательный перебор записей.

28

Лекция 3 140400

Ассоциативный доступ реализует поиск информации по некоторому признаку, а не по ее расположению в памяти (адресу — прямой доступ или месту в очереди — последовательный доступ). В этом случае все хранимые в памяти слова одновременно проверяются на соответствие признаку.На выход выдаются слова, удовлетворяющие признаку.

1.2 Оперативные запоминающие устройства

Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ, или RAM, Random Access Memory — память с произвольным доступом) предназначены для хранения переменной информации: программ и чисел, необходимых для текущих вычислений.

По типу используемого для хранения информации запоминающего элемента все ОЗУ подразделяются на статические (SRAM — Static RAM) и

динамические (DRAM — Dynamic RAM).

Встатических ОЗУ каждую ячейку образует запоминающий элемент в виде схемы с двумя устойчивыми состояниями, называемый триггером.

Современные запоминающие устройства статического типа с произвольным доступом (SRAM) отличаются высоким быстродействием, но в микропроцессорных системах применяются ограниченно из-за сравнительно высокой стоимости, они используются только в качестве кэш-памяти.

Cache (запас) обозначает быстродействующую буферную память между процессором и основной памятью, служащую для частичной компенсации разницы в скорости процессора и основной памяти. В нее заносятся наиболее часто используемые данные. Когда процессор первый раз обращается к ячейке памяти, ее содержимое параллельно копируется в кэш, и в случае повторного обращения может быть с гораздо большей скоростью из нее извлечено.

Кэш-памятью управляет специальное устройство — контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования.

Вдинамическом запоминающем элементе хранение данных связано с состоянием проводимости, которое определяется зарядом конденсатора. Это состояние не является самоподдерживающимся, поскольку конденсатор постепенно саморазряжается.

Из-за разряда запоминающих емкостей, вызванного током утечки, необходимо периодически подзаряжать емкости, хранящие заряд. Такой процесс называется регенерацией памяти (Refresh).

На регенерацию памяти затрачивается не более 1—2% всего времени ее работы. В процессе регенерации память недоступна для других устройств.

Ячейки динамической памяти имеют сравнительно малое быстродействие, но большую удельную плотность и меньшее энергопотребление. Динамические ЗУ с запоминающим конденсатором наиболее часто используются в качестве ОЗУ.

29

Лекция 3 140400

1.2 Постоянные запоминающие устройства

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ, или ROM, Read Only Memory — память только для чтения) — энергонезависимая память, используемая для хранения неизменяемых данных: подпрограмм, микропрограмм, констант и т. п.

ПЗУ в отличие от ОЗУ не теряют информации при выключении питания и допускают только считывание информации. Все микросхемы ПЗУ можно разделить на следующие категории:

-масочные ПЗУ;

-программируемые ПЗУ (ППЗУ);

-репрограммируемые (перепрограммируемые) постоянные

запоминающие устройства (РПЗУ) — постоянные запоминающие устройства с возможностью многократного электрического перепрограммирования.

Масочные ПЗУ, программируемые в процессе изготовления микросхем. Данная разновидность ПЗУ программируется однократно и не допускает последующего изменения информации.

ПЗУ с однократным электрическим программированием

пользователем при помощи плавких перемычек.

Вэтих микросхемах элементом связи между шинами является биполярный транзистор с выжигаемой перемычкой. При программировании для записи ноля через соответствующий переход транзистора пропускают импульс тока, необходимый для удаления перемычки.

Репрограммируемые ПЗУ устройства с возможностью многократного электрического перепрограммирования разделяют на микросхемы с электрическим программированием и ультрафиолетовым стиранием и микросхемы с электрическим программированием и электрическим стиранием.

ВРПЗУ установлены не диоды с плавкими перемычками, как в ППЗУ, а специальные транзисторы. После изготовления все транзисторы обладают очень большим сопротивлением (т. е. закрыты). Подачей импульса большой амплитуды транзистор переводится в проводящее состояние, которое он может сохранять даже по истечении 10 лет. Для возвращения транзисторов в исходное (закрытое) состояние их надо подвергнуть длительному воздействию (10—30 мин) ультрафиолетовых лучей. После этого БИС РПЗУ оказывается в исходном состоянии, и ее можно снова программировать.

ВРПЗУ с электрическим программированием и электрическим стиранием после программирования можно вернуть в исходное состояние (стереть) любой отдельно взятый транзистор. К этому типу перепрограммируемого ПЗУ относится и Flash Memory — энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого. Она подобна РПЗУ по запоминающему элементу, но имеет структурные и технологические особенности, позволяющие выделить ее в отдельный вид.

Конструктивно флэш-память часто выполняется в виде так называемых флэш-карт [Flash-cards] или модулей памяти, которые используются в различных устройствах.

30