Posibnik_do_lab_robit_ZMM_2

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ КОМП’ЮТЕРИЗОВАНИХ ТЕХНОЛОГІЙ МАШИНОБУДУВАННЯ ТА ДИЗАЙНУ
КАФЕДРА МЕХАНІКИ, ПОЛІГРАФІЧНИХ МАШИН І ТЕХНОЛОГІЙ








МЕТОДИЧНІ ПОСІБНИК
до виконання лабораторних робіт з дисципліни
«Схемотехніка»

змістовний модуль 2
«Архітектура компютерів»

денна форма навчання

















ЧЕРКАСИ 2016
Зміст

Вступ
Тема 1 Вивчення будови комп’ютера і материнської (системної) плати
Тема 4 BIOS
Тема 5 Компютерні шини
Тема 6 Карти розширення
Тема 7 Монітори
Тема 8 Компютерна память
Тема 9 Жорсткий диск
Тема 10 Відеоадаптери
Тема 11 Процесори
Тема 12 Принтери
Тема 13 Особливості тривимірної графіки
Тема 14 Переносні компютери
Тема 15 Приводи CD і DVD
Тема 16 Вивчення сканерів, відео-, фотопристроїв
Список літератури

























Вступ

Архітектура компютерів відноситься до числа найбільш важливих курсів для підготовки сучасних фахівців – електриків, електромеханіків, електроенергетиків, комп’ютерників та фахівців інших електротехнічних спеціальностей. Комп’ютерна схемотехніка охоплює широкий розділ науки і техніки, який пов’язаний з вивченням арифметичних і логічних основ схемотехніки, на базі яких функціонують різноманітні електронні пристрої.
У даному курсі майбутні спеціалісти вивчають: основні типи приладів і схем, що використовуються в схемотехніці; принцип дії і особливості комбінаційних вузлів комп’ютерної схемотехніки; послідовнісні (накопичувальні) вузли схемотехніки; принцип дії арифметико логічних пристроїв і пристроїв керування; типи, призначення і принцип дії мікропроцесорів; складові комютера; настройку і завантаження програмного забезпечення; установку драйверів тощо.
Головною метою дослідження запропонованих пристроїв є навчити студентів розуміти їх принцип дії, грамотно експлуатувати їх і формулювати завдання на розробку нових пристроїв; розуміти улаштуванні, принцип дії компонентів компютерів; установку і настроювання програмного забезечення компютера; завантаження і адміністратування Windows XP ; роботу з файлами.
























ТЕМА №1

БУДОВА КОМП’ЮТЕРА І МАТЕРИНСЬКОЇ (СИСТЕМНОЇ) ПЛАТИ

Основні визначення:

Комп'ютерна техніка це сукупність засобів для автоматизації процесів обробки інформації, а також галузь техніки, яка займається розробкою, виготовленням і експлуатацією комп'ютерів.
Комплекс електронного устаткування, яке призначене для автоматизації процесів обробки дискретної інформації і має загальне управління, називають цифровою електронною обчислювальною машиною (ЕОМ).

Загальна характеристика комп'ютерної техніки

Загалом нейманівська архітектура володіє наступними основними ознаками:
наявність одного обчислювача, що має процесор, пам'ять, засоби введення-висновку інформації, а також засоби управління;
застосування двійкової системи счислення, як для представлення інформації, так і для виконання арифметико-логічних операцій;
розміщення в єдиній загальній пам'яті команд і чисел фіксованої довжини;
лінійну структуру адресації елементів пам'яті, що вимагає наявності в процесорі лічильника команд;
централізоване послідовне автоматичне прочитування команд з пам'яті і інтерпретацію їх процесором; дані обробляються паралельно одночасно над всіма розрядами машинного слова;
низький рівень машинної мови.
Розвиток обчислювальної техніки відбувався у декілька етапів (рис. 1.1.).












Механічні калькулятори. Одним з найперших обчислювальних пристроїв є абак, який використовувався більше 2000 років тому. Абак є дерев’яною рамою, що містить ряд паралельних лозин з камінчиками або кісточками.
Перша європейська машина була створена Непером (творцем логарифмів) на початку XVII століття. Вона могла виконувати операцію множення двох чисел.
У 1642 році Блез Паскаль створив прообраз цифрової обчислювальної машини, що дозволяє проводити операції додавання чисел. У 1694 році з’явилася машина, розробником якої був Лейбніц і яка дозволяла виконувати операції додавання і множення чисел.
Перший механічний комп’ютер. Перший комерційний механічний калькулятор був створений Чарльзом Ксавьером Томасом в 1820 році. На той час це була досконала машина, яка виконувала операції додавання, віднімання, множення та ділення.
У 1812 році Чарльзом Баббаджем (професор математики Кембріджського університету) була розроблена машина, яка могла вирішувати поліноміальні рівняння різними методами. Аналітична машина Баббаджа на повну підставу зважає попередником сучасного комп’ютера, оскільки містить всі ключові елементи, з яких складається комп’ютер:
Пристрій введення даних. У машині Баббаджа був застосований принцип введення даних за допомогою перфокарт.
Блок управління. Для управління, або програмування обчислювального пристрою використовувався барабан, що містить безліч пластин і штифтів.
Процесор (або обчислювальний пристрій). Обчислювальна машина заввишки близько 10 футів, яка містить в собі сотні осей і декілька тисяч шестерень, які і були прообразом процесора.
Запам’ятовуючий пристрій. Це блок, що містить ще більше осей і шестерень і дозволяє зберігати в пам’яті до тисячі 50-розрядних чисел.
Пристрій виводу. Пластини, які були зв’язані з відповідною друкарською машиною, використовувалися для друку одержаних результатів.
У 1833 році був створений перший багатоцільовий комп’ютер, який отримав назву “аналітична машина”. Вона могла оперувати числами з 50 десятковими знаками і зберігала до 1000 чисел. Вперше у цій машині було реалізоване умовне виконання операцій – прообраз сучасного оператора IF.
Електронні комп’ютери. Використовування обчислювальної техніки під час другої світової війни послужило серйозним поштовхом для розвитку комп’ютерів. Фізик Джон Атанасов разом з Кліффордом Беррі (Clifford Berry) з 1937 по 1942 рік працювали в університеті штату Айова над створенням першої цифрової електронно-обчислювальної машини.
У 1943 році англієць Алан Тюрінг завершив роботу над створенням військового комп’ютера “Колос”, який використовувався для розшифрування перехоплених німецьких повідомлень.
В університеті штату Пенсільванія створили першу комплексну електронно-обчислювальну машину для військових цілей. Ця система одержала назву ENIAC (Electrical Numerical Integrator and Calculator). У комп’ютері ENIAC використовувалося близько 18 тисяч вакуумних ламп. Він займав корисну площу, яка дорівнювала приблизно 167 квадратних метрів, і споживав приблизно 180 тисяч Ват енергії. Для введення і виводу даних використовувалися перфораційні карти, регістри виконували роль суматорів, а також надавали доступ вигляду читання/запис до сховища даних.
В 1945 році, математик Джон фон Нейман (John von Neumann) довів, що комп’ютер є цілісною фізичною структурою і може ефективно виконувати будь-які обчислення за допомогою відповідного програмного управління без зміни апаратної частини. Цей принцип став основним і загальноприйнятим правилом для майбутніх поколінь швидкодійних цифрових комп’ютерів. Загалом нейманівська архітектура володіє наступними основними ознаками:
наявність одного обчислювача, що має процесор, блок пам’яті, засоби введення-виведення інформації, а також засоби управління;
застосування двійкової системи числення, як для представлення інформації, так і для виконання арифметико-логічних операцій;
розміщення в єдиній загальній пам’яті команд і чисел фіксованої довжини;
лінійна структура адресації елементів пам’яті, що вимагає наявності у процесорі лічильника команд;
централізоване послідовне автоматичне зчитування команд з пам’яті та інтерпретацію їх процесором; дані обробляються паралельно (одночасно над всіма розрядами машинного слова);
низький рівень машинної мови.
Після появи UNIVAC темпи еволюції комп’ютерів помітно зросли. У першому поколінні комп’ютерів використовувалися вакуумні лампи, на зміну яким прийшли менші за розмірами та більш ефективні транзистори.

Інтегральні схеми. У 1959 році співробітники компанії Texas Instruments винайшли інтегральну схему – напівпровідниковий пристрій, в якому без дротів з’єднується декілька розташованих на одному кристалі транзисторів. У першій інтегральній схемі їх було всього шість. Для порівняння, мікропроцесор Pentium Pro складається з 5,5 млн. транзисторів, а інтегрована кеш-пам’ять, вбудована в одну з мікросхем, містить ще 32 млн. транзисторів. Сьогодні в багатьох інтегральних схемах використовується декілька десятків мільйонів транзисторів.

Закон Мура. У 1965 р. Гордон Мур в ході підготовки доповіді про перспективи розвитку комп’ютерної пам’яті знайшов цікаву особливість: місткість кожної нової мікросхеми пам’яті подвоюється у порівнянні з її попередним аналогом, а сама нова мікросхема з’являється кожні 18-24 місяця. Побудувавши лінію тренда, Мур відзначив, що продуктивність комп’ютерів буде збільшуватися експоненціально за часом. Цю залежність стали називати законом Мура. Цей закон описує не тільки зростання місткості оперативної пам’яті, він часто використовується для визначення ступеня зростання швидкодії процесорів і місткості жорстких дисків.

Перший мікропроцесор. У 1971 Intel році розробила перший 4-розрядний мікрокомп’ютерний набір 4004 (термін мікропроцесор з’явився значно пізніше). Мікросхема розміром з ніготь великого пальця містила 2300 транзисторів та коштувала 200 доларів.
У 1972 році був випущений наступник 4004 – 8-розрядний мікропроцесор 8008. А в 1981 році сімейство процесорів Intel поповнилося новою 16-розрядною моделлю 8086 і 8-розрядної 8088. У 1982 році Intel представила мікропроцесор 286, що містить 134 тис. транзисторів. У 1985 році з’явився 32-розрядний процесор Intel 386. Він містив 275 тис. транзисторів і виконував більше 5 млн. операцій в секунду (Million Instruction Per Second – MIPS).
Комп’ютер DESKPRO 386 компанії Compaq був першим персональним комп'ютером, створеним на базі нового мікропроцесора. Наступним з сімейства Intel став процесор 486, що з’явився в 1989 році. Він містив вже 1,2 млн. транзисторів і перший вбудований співпроцесор.
У 1993 році Intel представила перший процесор Pentium, продуктивність якого виросла в п’ять разів в порівнянні з сімейством Intel 486. Pentium містив 3,1 млн. транзисторів і виконував до 90 млн. операцій в секунду, що приблизно в 1500 разів перевищувало швидкодію процесора 4004.
Процесор сімейства P6, названий Pentium Pro, з’явився на світ в 1995 році. Він містив 5,5 млн. транзисторів і був першим процесором, у якому кеш-пам’ять другого рівня якого була розміщена прямо на кристалі, що дозволяло значно підвищити швидкодію.
Компанія Intel в травні 1997 року представила процесор Pentium II. Він містить 7,5 млн. транзисторів, розміщених, на відміну від традиційного процесора, в картридж, що дозволило розмістити кеш-пам’ять L2 безпосередньо в модулі процесора.
У квітні 1998 року сімейство Pentium II поповнилося дешевим процесором Celeron, який використовувався у домашніх персональних комп’ютерах (ПК), і професійним процесором Pentium II Xeon, призначеним для серверів і робочих станцій.
У 1999 році Intel випустила процесор Pentium III, який був, по суті, Pentium II, що містить інструкції SSE (Streaming SIMD Extensions).
Тоді як процесор Pentium стрімко займав домінуюче положення на ринку, компанія AMD придбала компанію NexGen, що працювала над процесором Nx686. Результатом злиття компаній з’явився процесор AMD К6. Цей процесор як в апаратному, так і програмному відношенні був сумісний з процесором Pentium. У 1999 році AMD представила процесор Athlon, який склав гідну конкуренцію процесорам Intel на ринку професійних комп’ютерів.
У 2000 році відбулася ще одна знаменна подія, що має історичне значення: компанії Intel і AMD перетнули бар’єр в 1 ГГц, який до того часу багато чим здавався непереборним.
Після 2000 року розвиток комп’ютерної техніки продовжився дуже швидкими темпами.

Структура персонального комп’ютера

Комп’ютер класичної архітектури містить наступні блоки (рис. 1.2.):
арифметико-логічний пристрій (АЛП);
оперативну пам’ять (ОП);
засоби зберігання і введення-виведення інформації: зовнішні запам’ятовуючі пристрої (ЗЗП); пристрої введення інформації (ПВв); пристрої виводу інформації (ПВив). Всі ці пристрої називають зовнішніми або периферійними (ПП);
пристрій управління (ПУ). Разом з АЛП він утворює процесор.















Арифметико-логічний пристрій призначений для виконання арифметичних і логічних операцій, передбачених системою команд даного комп’ютера. До складу АЛП входять регістри і комбінаційні схеми. Дані для обробки в АЛП поступають з ОП і називаються операндами. Результати операцій пересилаються в ОП або тимчасово зберігаються в регістрах АЛП.
Оперативна пам’ять (ОП) призначена для тимчасового зберігання програм і даних, у ній виконуються операції запису та читання інформації. Окрім ОП, використовують також постійну пам’ять (ПЗП), в якій виконуються тільки операції читання. Оперативну та постійну пам’ять, а також регістри АЛП називають внутрішньою пам’яттю (рис. 1.3.). Процесор і ОП разом утворюють ядро комп’ютера.












Пристрій управління (ПУ) прочитує та дешифрує команди у відповідній послідовності, формує і подає управляючі сигнали для інших пристроїв комп’ютера.
Операції введення-виведення – це обмін інформацією між ядром машини і ПУ. Операція вводу передає інформацію з ПУ в ядро комп’ютера, а операція виводу – навпаки.
Зовнішня пам’ять призначена для тривалого та незалежного зберігання великих об’ємів інформації (рис. 1.4.).










Фізично зовнішня пам’ять реалізують у вигляді накопичувачів:
на гнучких магнітних дисках (НГМД);
на жорстких магнітних дисках (НЖМД, вони називаються вінчестерами;
на оптичних (лазерних) дисках (НОД);
на магнітних стрічках (НМЛ).
Накопичувачі на дисках мають електромеханічний привід (дисковод), який забезпечує обертання диска, блок магнітних голівок для читання або запису, систему встановлення (позиціонування) магнітної голівки в необхідне положення та електронний блок управління.
До пристроїв введення інформації відносяться (рис. 1.5.):
клавіатура, призначена для введення команд і даних та управління роботою машини;
сканери, призначені для введення графічної інформації;
ручні маніпулятори (миша, кульковий маніпулятор і джойстик тощо) – призначені для швидкого переміщення курсору в задану точку екрану дисплея і виконання інших дій;
пристрої мовного введення, призначені для управління машиною за допомогою мовних команд.























До пристроїв виведення інформації відносять (рис. 1.6.):
принтери (матричні, струменеві, лазерні);
дисплеї (на електронно-променевих трубках (ЕЛТ), на рідких кристалах, плазмові, люмінесцентні), призначені для відображення інформації, яка вводиться з клавіатури (для контролю правильності набору даних) або з пам’яті машини; плоттери (графічні пристрої), призначені для друку креслень високої якості;
синтезатори звуку і мови, призначені для перетворення аналогових сигналів в цифровий код і навпаки;
пристрої виводу інформації на перфострічки і перфокарти між функціональними частинами машини здійснюють за допомогою інтерфейсу – сукупності шин, сигналів, допоміжних мікросхем і алгоритмів, призначених для обміну інформацією між пристроями комп’ютера.
Декілька слів слід сказати про шини. Виділяють три типи шин:
шина адреси (ША), призначена для передачі адреси осередків ОП і регістрів ПУ;
шина даних (ШД), призначена для передачі даних;
шина управління (ШУ), призначена для передачі управляючих сигналів від процесора до пристроїв і навпаки.























Нижче перераховані всі компоненти, які повинен містити сучасний персональний комп’ютер.
системна плата;
процесор;
пам’ять (оперативна пам’ять);
корпус;
блок живлення;
жорсткий диск;
накопичувач CD-ROM або DVD-ROM;
клавіатура;
миша;
відеоадаптер;
монітор (дисплей);
звукова плата;
акустичні системи;
модем тощо.

Принцип програмного управління

У комп’ютері реалізуються принцип програмного управління, який передбачає виконання наступних етапів. Для вирішення кожної задачі розробляють алгоритм на основі числових методів обчислень. Алгоритм перекладається на мову, властиву для даного комп’ютера, у вигляді програми – мовної конструкції, яка є впорядкованою послідовністю описів і команд, призначених для обробки інформації. Кожна команда визначає дії комп’ютера відносно виконання будь-якої операції, що реалізовує апаратні (технічні) і програмні засоби. Програма записується в оперативну пам’ять у вигляді машинних слів, які кодуються цифрами 0 і 1 і розрізняються тільки способом застосування. Код операції поступає в регістр команд IR (instruction register) і потім дешифрується, а дані – в регістри арифметико-логічного пристрою.
Безліч всіх операцій, що реалізовані в комп’ютері, складає його операційні ресурси. Комп’ютери, операційні ресурси яких забезпечують виконання будь-якого алгоритму обробки інформації, називають універсальними.
Загалом, в комп’ютерах використовують перелік команд, який забезпечує виконання наступних груп операцій:
пересилка даних між регістрами АЛП, регістрами і ОП;
арифметичні операції над двійковими числами з фіксованою та плаваючою комою: складання, віднімання, знакове та беззнакове множення і розподіл;
логічні операції заперечення, диз’юнкції, кон’юнкції, складання за модулем два;
встановлення співвідношень – більше, менше, нерівно, більше або дорівнює та інші;
зрушення ліворуч або праворуч – арифметичне, логічне, циклічне;
управління програмою: умовні та безумовні переходи та виклики процедур, безумовні та умовні повернення з процедур, переривання програм; деякі комп’ютери мають спеціальні команди для організації циклів;
вводу-виводу даних між ядром машини і ПУ;
спеціальні операції для машин із співпроцесорами (математичними розширювачами): обчислення квадратного коріння, синуса, косинуса, логарифмічні і др.;
перетворення з одного формату в іншій (наприклад, з 8-бітового в 16-бітовий);
системні операції – завантаження службових регістрів, захисту пам’яті;
мультимедійні операції для виконання дій із звуком, графікою, зображенням.
Комп’ютери, залежно від їх складності та призначення, працюють у наступних режимах (рис. 1.7.):
однопрограмному – кожна програма окремо завантажується в ОП і виконується до отримання результату;
багатопрограмному – у пам’ять завантажується декілька програм; коли виконання однієї з програм зупиняється через необхідність звернутися до ПУ, то машина перемикається на виконання іншої програми;
пакетному – у ЗЗП формується пакет задач, які потім прочитуються в ОП групами і виконуються у багатопрограмному режимі;
розподілу часу (колективного користування) – доступ до комп’ютера користувачів здійснюється за допомогою власного терміналу;
реального часу – забезпечується взаємодія комп’ютера із зовнішніми об’єктами у темпі, який визначає швидкодію об’єкту.











Основні характеристики комп’ютерів

Важливою характеристикою комп’ютера є продуктивність – це об’єктивна кількісна міра роботи машини. Використовують такі показники продуктивності: пікову, номінальну, системну та експлуатаційну (рис. 1.8.).




















Пікова продуктивність – середнє число коротких операцій типу “регістр-регістр” в секунду (оп./с) без операцій обміну з ОП. Пікову продуктивність оцінюють для команд типу “Немає операції” в мільйонах операцій в секунду (млн. оп./с) або в MIPS (Million Instruction per Second). Пікову потужність часто називають швидкодією комп’ютера.
Номінальна продуктивність – середнє число суміші команд з урахуванням їх статистичної ваги (частоти повторення), які виконує ядро комп’ютера у вибраному класі задач (залежить від швидкості ОП). Номінальну продуктивність часто називають швидкодією комп’ютера на суміші команд. Продуктивність могутніх машин часто вимірюють в мегафлопсах (MFLOPS) – в мільйонах операцій в секунду над операндами з плаваючою комою.
Системну продуктивність вимірюють за допомогою типових оцінних програм (бенчмарків), реалізованих на мовах високого рівня. Результати оцінки системної продуктивності комп’ютера конкретної архітектури представлені в числових таблицях.
Експлуатаційну продуктивність оцінюють даними про реальне робоче навантаження в основних областях застосування; при цьому враховують необхідну площу розміщення машини, механічні та кліматичні умови експлуатації, споживану потужність тощо.
До характеристик комп’ютерів також відносять:
розрядність машинного слова, яке зберігається, пересилається і обробляється як єдине ціле; вимірюється в бітах, байтах;
об’єм оперативної пам’яті в бітах, байтах, кілобайтах, мегабайтах, гігабайтах;
надійність, яка характеризує середнє напрацювання на відмову – не менше 15 тис. година; час відновлення працездатності, термін служби (не менше 10 років).
В операційній системі Windows 7 можна провести оцінку комп’ютера за допомогою програми Пуск – Панель управления – Система і безопасность – Система – Індекс продуктивности Windows. Слід відмітити, що дається вона завжди, по самому низькому по продуктивності пристрою. Оцінка продуктивності проводиться по наступних критеріях:
кількість ядер процесора;
об’єм оперативної пам’яті;
об’єм пам’яті відеокарти;
інтерфейс обміну даними жорсткого диска. Якщо SATA, оцінка буде більша.
Є деякі рекомендації при покупці комп’ютера. Наприклад, якщо користувач грає в тривимірні ігри та дивитися фільми у цифровому форматі без затримок, то оцінка повинна бути не нижче 5.0. Якщо комп’ютер потрібен для роботи з офісними додатками та виходу в Інтернет, оцінка 3.0-4.0 достатня. Слід відмітити, що оцінка, яка менше 3.0, зробить роботу за комп’ютером достатньо важкою. Справа в тому, що інтерфейс Aero накладає на швидкодію Windows 7 значне навантаження, тому його доведеться просто відключити.


Сучасні багаторівневі машини

Більшість сучасних комп’ютерів складається з двох і більш рівнів. Існують машини навіть з шістьма рівнями (рис. 1.9.). Наведемо їх коротку характеристику.
Рівень 0 – апаратне забезпечення машини. Його електронні схеми виконують програми, написані на мові рівня 1. Заради повноти відповіді потрібно згадати про існування ще одного рівня, розташованого нижче рівня 0. Він називається рівнем фізичних пристроїв. На цьому рівні знаходяться транзистори, які є примітивами для розробників комп’ютерів. На самому нижньому рівні, цифровому логічному рівні, об’єкти називаються логічними елементами (ЛЕ) або вентилями. У кожного вентиля є одне або декілька цифрових вхідних даних (сигналів, що представляють 0 або 1). Кожен вентиль формується з декількох транзисторів. Декілька вентилів, створюючи тригер, формують 1 біт пам’яті, який може містити 0 або 1. Біти пам’яті, об’єднані в групи, наприклад, по 16, 32 або 64, формують регістри. Кожен регістр може містити одне двійкове число до певної межі.


























Наступний рівень – мікроархітектурний рівень. На цьому рівні можна бачити сукупності 8 або 32 регістрів, які формують локальну пам’ять та схему, яка назівається АЛП (арифметико-логічний пристрій).
АЛП виконує прості арифметичні операції. Регістри разом з АЛП формують тракт даних, через який поступають дані. Основна операція тракту даних полягає у наступному. Вибирається один або два регістри, АЛП виробляє над ними яку-небудь операцію, наприклад складання, а результат поміщається в один з цих регістрів.
Другий рівень називається рівнем архітектури системи команд. Кожен виробник публікує керівництво для комп’ютерів, які він продає, під назвою “Керівництво з машинної мови” або “Принципи роботи комп’ютера Western Wombat Model 100X” або подібні назви. Таке керівництво містить інформацію саме про цей рівень. Коли описується набір машинних команд, насправді описуються команди, які виконуються мікропрограмою – інтерпретатором або апаратним забезпеченням.
Третій рівень операційної системи звично гібридний. Більшість команд в його мові є також і на рівні архітектури системи команд (команди, що є на одному з рівнів, цілком можуть знаходитися на інших рівнях). У цього рівня є деякі додаткові особливості: набір нових команд, інша організація пам’яті, здатність виконувати дві і більше програм одночасно та деякі інші. При побудові третього рівня можливе більше варіантів, ніж при побудові першого і другого. Нові засоби, що з’явилися на третьому рівні – рівні операційної системи, виконуються інтерпретатором, який працює на другому рівні. Команди третього рівня, ідентичні командам другого рівня, виконуються мікропрограмою або апаратним забезпеченням, але не операційною системою.
Четвертий рівень є символічною формою однієї з мов нижчого рівня. На цьому рівні можна писати програми в прийнятній для людини формі. Ці програми спочатку транслюються на мову рівня 1, 2 або 3, а потім інтерпретуються відповідною віртуальною або фактично існуючою машиною. Програма, яка виконує трансляцію, називається асемблером.
П’ятий рівень звичайно складається з мов, розроблених для прикладних програмістів. Такі мови називаються мовами високого рівня. Існує безліч мов високого рівня. Найвідоміші серед них – C++, Java, Prolog та інші. Програми, написані на цих мовах, звичайно транслюються на рівень 3 або 4. Транслятори, які обробляють ці програми, називаються компіляторами. Відзначимо, що іноді також використовується метод інтерпретації. Наприклад, програми на мові Java звичайно інтерпретуються.
Набір типів даних, операцій та особливостей кожного рівня називається архітектурою. Архітектура пов’язана з аспектами, які видно програмісту. Наприклад, відомості про те, скільки пам’яті можна використовувати при написанні програми, – частина архітектури. А аспекти розробки (наприклад, яка технологія використовується при створенні пам’яті) не є частиною архітектури. Вивчення того, як розробляються ті частини комп’ютерної системи, які видно програмістам, називається вивченням комп’ютерної архітектури.

1.2. Будова материнської плати

На системній платі містяться змонтовані:
Слоти DIMM для установки модулів пам’яті типу SDRAM, DDR, DDR2 (різні для кожного типу пам’яті). Найчастіше їх 3-4, хоча на компактних платах можна зустріти тільки 1 або 2 таких слоти.
Спеціалізований роз’єм типу AGP або PCI-Express для встановлення відеокарти. Втім, останнім часом, з переходом на відеоінтерфейс останнього типу, часто зустрічаються плати з двома, а то і з трьома відеороз’ємами. Також зустрічаються і системні плати без відеороз’ємів взагалі – їхні чипсети мають вбудоване (інтегроване) графічне ядро, і зовнішня графічна карта для них необов’язкова.
Слоти для підключення додаткових карт розширення стандартів PCI або PCI-Express х1.
Інтерфейси (IDE і/або Serial ATA) для підключення дискових накопичувачів – твердих дисків і оптичних приводів.
Роз’єми для підключення живлення.
Задню частину системної плати займає панель з роз’ємами для підключення додаткових зовнішніх пристроїв – монітора, клавіатури і миші, мережних-, аудіо- і USB-пристроїв тощо.
Окрім перелічених слотів і роз’ємів, на будь-якій системній платі є велика кількість допоміжних джамперів (перемичок) і роз’ємів: це можуть бути контакти для підключення системного динаміка, кнопок і індикаторів на передній панелі корпусу, роз’єми для підключення вентиляторів, контактні колодки для підключення додаткових аудіороз’ємів і роз’ємів USB і FireWire тощо.
Сучасна материнська плата персонального комп’ютера, як правило, включає чипсет, який здійснює взаємодію центрального процесора з ОЗП і основною оперативною пам’яттю, з портами вводу/виводу, із слотами розширення PCI Express, PCI, а також, зазвичай, з USB, SATA і IDE/ATA. Більшість пристроїв приєднуються до материнської плати за допомогою одного або декількох слотів розширення або сокетів, а деякі сучасні материнські плати підтримують безпровідні пристрої, що використовують протоколи IRDA, Bluetooth, або 802.11(WI-Fi).
Чипсет – це основа материнської плати, що складається із двох частин (звідси й назва - chіp - чип, set - набір) – північного мосту і південного мосту. Чипсет реалізує зв’язок між основними компонентами: процесором, пам’яттю, відео картою, пристроями зберігання інформації та іншими вузлами. Від типу чипсету залежать такі характеристики як швидкість всієї системи в цілому, число підтримуваних моделей процесорів, параметри роботи з пам’яттю та ін. Кожний чипсет, як правило, працює з конкретним поколінням процесорів. Чипсети виготовляють в основному великі виробники, наприклад Іntel та AMD (виготовляють чипсети тільки для своїх процесорів), VІА та SІS (виготовляють чипсети як для AMD так і Іntel), Nvіdіa і ATІ.
Розглянемо структуру системної плати на платі Socket 775 від Foxconn, у яку можна встановити процесори Pentіum 4 (рис. 2.1.).
























1
– роз’єм, призначений для встановлення процесора;

2, 3
– чипсет материнської плати;

4, 5
– роз’єм для підключення модулів пам’яті;

6
– роз’єм для підключення дисководу для гнучких магнітних дисків;

7
– роз’єм для підключення жорстких дисків по паралельному інтерфейсу;

8
– роз’єм для підключення жорстких дисків Serial ATA (SATA);

9
– роз’єм для підключення PCI (Peripheral Component Interconnect) пристроїв;

10,11
– роз’єм PCI Express x16 (10), PCI Express x1 (11);

12,13
– роз’єм для підключення живлення до материнської плати;

14
– додатковий роз’єм для живлення відео карти;

15
– трифазний стабілізатор напруги;

16
– контролер IEEE-1394 / FireWire / i.Link. Під офіційною назвою ІEEE-1394 ховається послідовний інтерфейс, що повсюдно використовується для цифрових відеокамер, зовнішніх жорстких дисків і різних мережних пристроїв;

17
– контролер звуку (аудіо кодек);

18
– мережевий контролер;

19
– BIOS ROM (CMOS);

20
– BIOS Clock Battery.


Роз’єм для підключення жорстких дисків Serial ATA (SATA) зображено на рис. 2.2.
SATA є послідовним інтерфейсом для підключення накопичувачів. Стандарт Serіal ATA першого покоління сьогодні використається дуже широко й забезпечує високу швидкість передачі даних. SATA використовує підключення типу “крапка-крапка”, коли один кінець кабелю SATA приєднується до материнської плати ПК, а другий – до жорсткого диска.




PCІ є стандартною шиною для підключення периферійних пристроїв. Серед них можна відзначити мережеві карти, модеми, звукові та відеокарти. Роз’єм для підключення PCI пристроїв зображено на рис. 2.3.
















PCІ Express (PCіe) (рис. 2.4.) є сучасним послідовним інтерфейсом для графічних карт. У той же час, він підходить і для встановлення інших карт. Слоти PCІ Express x1 націлені на заміну старих слотів PCІ, вони забезпечують у два рази більшу пропускну здатність та ідеально підходять для таких карт, як контролери гигабітного Ethernet, ATA-контролери та ТВ-тюнери.
На рис. 2.5. показаний роз’єм для підключення живлення до материнської плати.











Основні функції системної плати забезпечують логічні елементи, інтегровані на двох мікросхемах, утворюючи набір мікросхем системної логіки (НМСЛ). НМСЛ для настільних комп’ютерів у більшості випадків реалізовані на двох мікросхемах. Одна з них, традиційно називається північним мостом, відповідає за підтримку системної шини, шини пам’яті і шини графічного контролера. Друга мікросхема, традиційно називається південним мостом, підтримує інтерфейси накопичувачів, пристроїв вводу/виводу і шини для підключення мультимедіа і периферії.
Крім мікросхем набору системної логіки розробники комплектують системні плати мікросхемами вузької спеціалізації для підтримки того чи іншого інтерфейсу.
Системна плата оснащена великою кількістю дискретних та аналогових елементів, що забезпечують електричне та механічне підключення компонентів (роз’єми, слоти, розетки, перемикачі), стабільне електричне живлення (стабілізатори, лінії розв’язки), зручний монтаж на шасі корпуса. У цілому системна плата представляє собою достатньо складний, але технологічний виріб, виробництво якого порівняно легко піддається автоматизації.


Класифікація материнських плат за форм-фактором

Форм-фактор материнської плати – стандарт, що визначає розміри материнської плати, місце її кріплення до корпусу персонального комп’ютера; розташування на ній інтерфейсів шин, портів введення/виводу, сокета центрального процесора (якщо він є) і слотів для оперативної пам’яті, а також тип роз’єму для підключення блоку живлення. Форм-фактор (як і будь-які інші стандарти) носить рекомендаційний характер.
Специфікація форм-фактора визначає обов’язкові компоненти. Вона також містить вимоги до електричних і механічних параметрів блока живлення і корпуса. Вимоги до максимальних розмірів системних плат наведені у таблиці 2.1.
Таблиця 2.1
Параметри системних плат
Найменування
Ширина, мм
Глибина, мм

AT
305
330

Baby AT
216
330

ATX
305
244

Mini-ATX
284
208

Micro ATX
244
244

Flex ATX
229
191

BTX
325
266,7

Micro BTX
264
266,7

Pico BTX
203
266,7

ITX
215
191

MINI ITX
170
170

Nanol ITX
120
120

NLX
229
345

LPX
229
330

Mini-LPX
229
279


Системні плати випускаються у декількох варіантах. Вони відрізняються розмірами, що, у свою чергу, визначають тип корпусу, в якому їх можна встановити. На сьогоднішній день існує чотири переважаючих типорозміри материнських плат – AT, ATX, LPX і NLX. Крім того, є зменшені варіанти формату AT (Baby-AT), ATX (Mini-ATX, microATX) і NLX (microNLX). Також було випущене розширення до специфікації microATX, що додає до цього списку новий форма-фактор – FlexATX. Усі ці специфікації, що визначають форму і розміри материнських плат, а також розташування компонентів на них і особливості корпусів, і описані нижче.

Повнорозмірна плата AT. Плата AT за своїм габаритам відповідає системній платі оригінального комп’ютера IBM AT. Це велика плата розміром 12"х13" (приблизно 30,5х33 см), роз’єми клавіатури і слотів якої повинні збігатися з отворами в корпусі. Така плата поміщається лише в повнорозмірний корпус AT або Tower.
Переваги: добре організована стандартизація, широко розгорнене виробництво дозволяли використовувати великий вибір корпусів і блоків живлення; простий і дешевий у виробництві дизайн.
Недоліки: неефективне охолоджування сучасних компонентів, може виникнути потреба в додаткових вентиляторах; розташування процесора може викликати проблеми з установкою плати розширення великої довжини (наприклад повнорозмірних плат 330х120 мм); роз’єми введення/виводу підключаються до материнської плати за допомогою великого числа відповідних кабелів мають декілька стандартів распаювання. Виробництво таких плат практично припинилося.

Форм-фактор BABY-AT. Розміри плати BABY-AT відповідають розмірам системної плати XT, але розташування кріпильних отворів дещо змінене, аби її можна було встановити в корпусі типа AT. Розташування роз’ємів клавіатури та слотів на цих системних платах також повинне відповідати отворам в корпусі. Майже у всіх повнорозмірних платах і платах BABY-AT для підключення клавіатури використовується стандартний 5-контактний роз’єм DIN. Системні плати BABY-AT можна встановити практично в будь-який корпус, за винятком корпусів із зменшеною висотою і Slimline. Сьогодні формати AT і BABY-AT вже не випускаються.

Форм-фактор LPX. Типорозмір материнських плат для низьких корпусів SLIM називається LPX. Замість того, щоб вставляти карти розширення безпосередньо в материнську плату, у цьому варіанті вони розміщуються у вертикальну стійку, що підключається до плати, паралельно материнській платі. Це дозволило помітно зменшити висоту корпуса, оскільки звичайно саме висота карт розширення впливає на цей параметр. Розплатою за компактність стала максимальна кількість карт, що підключаються – 2-3 штуки. Ще одне нововведення, що почало широко застосовуватися саме на платах LPX – це інтегрований на материнську плату видеочип. Розмір корпуса для LPX становить 9 х 13'', для Mini LPX – 8 x 10''.
Платформи такого форм-фатора широкого розповсюдження не набули.

Форм-фактор NLX. Системна плата відповідно цього фактора розділена на дві частини. В спеціальний роз’єм, безпосередньо розміщений до блоку живлення, встановлюється процесорна плата. Крім контактів живлення, роз’єм має інформаційну шину. Інша плата встановлюється в корпусі комп’ютера стаціонарно, яка може мати слоти інтерфейсів PCI, USB, Ieee1394 та будь-яких інших, що є в наявності. Таким чином, після встановлення процесорна плата автоматично є підключеною до живлення і до шин інтерфейсів.
Особливості NLX:
Стійка для карт розширення, що знаходиться на правому краю плати. Причому материнська плата вільно від’єднується від стійки і висувається з корпусу, наприклад, для заміни процесора або пам’яті.
Процесор, розташований в лівому передньому кутку плати, навпроти вентилятора.
Угрупування високих компонентів, на зразок процесора і пам’яті, в лівому кінці платі дозволяє розміщення на стійці повнорозмірних карт розширення.
Знаходження на задньому кінці платі блоків роз’ємів введення/виводу одинарної (у області плати розширення) і подвійної висоти, для розміщення максимальної кількості конекторів.

Форм-фактор WTX. У 1998 році народилася специфікація WTX – орієнтована на підтримку двохпроцесорних материнських плат будь-яких конфігурацій, підтримку сьогоднішніх і завтрашніх технологій відеокарт і пам’яті. Особливостями цього форм-фактору є покращена система охолодження, розміщення великих обсягів пам’яті, зручна підтримка багатопроцесорних конфігурацій, велика потужність блоку живлення, розміщення більшого кількість портів та контролерів.
Особливу увагу варто приділити двом новим компонентам – Board Adapter Plate (BAP) і Flex Slot. У специфікації WTX материнська плата кріпиться до BAP, а стандартний BAP кріпиться до корпуса. Крім розмірів плати (14 х 16.75''), характеристик блоку живлення тощо, специфікація WTX описує архітектуру Flex Slot. Flex Slot призначений для поліпшення зручності обслуговування, додання додаткової гнучкості розроблювачам, скороченню виходу материнської плати на ринок. На подібних картах можуть розміщатися будь-які PCI, SCSI чи IEEE 1394 контролери, звук, мережний інтерфейс, рівнобіжні та послідовні порти, USB, засоби для контролю за станом системи.

Форм-фактор FlexATX. FlexATX є доповненням до специфікації microATX. Дивлячись на успіх iMac, виробники персональних комп’ютерів вирішили також піти цим шляхом. І першою стала компанія Intel, яка у лютому на Intel Developer Forum оголосила про FlexATX – материнську плату, за площею на 25-30 % меншу, чим microATX.
Більша частина материнських плат виробляється тайванськіми виробниками (які втім активно переносять виробництво у континентальний Китай). П’ять найбільших постачальників плат – це Asus, Micro-Star (MSI), Gigabyte, Elitegroup, Intel. В класі серверних материнських плат найбільшими виробниками є Intel та Supermicro.

1.3 Призначення та принципи роботи блоків живлення

Комп’ютерний блок живлення – блок живлення (вторинне джерело живлення), призначений для забезпечення вузлів комп’ютера електричною енергією постійного струму.
У завдання комп’ютерного блоку живлення входить перетворення мережевої напруги до заданих значень напруги живлення, її стабілізація та захист від незначних завад з боку електричних мереж живлення. Блок живлення перетворює мережеву змінну напругу 220 В, 50 Гц (120 В, 60 Гц) в постійні напруги +3,3, +5 і +12 В.
Також, забезпечений вентилятором, він бере участь в охолоджуванні системного блоку.
Найпоширенішими типами блоків живлення персонального комп’ютера є блоки живлення стандарту ATX (рис. 2.6.). Компанія FSP Group (Fortron/Source Power) є великим і дуже відомим на наших просторах виробником джерел живлення. Невисока вартість і досить якісне виготовлення – це головні переваги, які характерні для продукції цієї компанії. Крім того, джерела живлення виробництва FSP можна зустріти під емблемами торгових марок Nexus, Zalman і OCZ.
Включення та виключення живлення таких блоків знаходиться під контролем системної плати, що забезпечує підтримку режиму очікування.
Габаритні та приєднувальні розміри блоків живлення типу ATX уніфіковані, що дає можливість проводити їх заміну без додаткових труднощів.
Блок живлення для портативних персональних комп’ютерів (ноутбуків), зазвичай, застосовується для зарядки акумуляторних батарей, а також для забезпечення ноутбука живленням без акумулятора. За типом виконання, блок живлення ноутбука найчастіше виконаний у вигляді зовнішнього блока. На зовнішні блоки живлення ноутбуків немає єдиного стандарту, і самі блоки зазвичай не є взаємозамінними, тож, виробники ноутбуків часто використовують різні роз’єми живлення.
Основним параметром комп’ютерного блоку живлення є максимальна потужність, що споживається з мережі. В наш час існують блоки живлення із заявленої виробником потужністю від 50 (вбудовані платформи малих форм-факторів) до 1600 Вт.
Другим за важливістю параметром є напруга живлення від електричної мережі (100-127 В у Північній Америці, Південній Америці, Японії і на Тайвані, 220-240 В в іншому світі). Деякі джерела живлення мають перемикач зміни вхідної напруги від 230 В до 115 В, інші можуть автоматично налаштовуватися під будь-яку напругу в цьому діапазоні.
Позитивна напруга. Як правило, цифрові електронні компоненти та інтегральні схеми комп’ютера (системна плата, плата розширення, логічні схеми дисководів) використовують напруги +3,3 і +5 В. Для того, щоб система нормально працювала, джерело живлення повинне забезпечувати безперервну подачу постійного струму. Пристрої, робоча напруга яких відрізняється від тієї, що подається, повинні живитися від вбудованих регуляторів напруги.
Негативна напруга. Хоча напруги -5 і -12 В подаються на системну плату через роз’єми живлення, для її роботи потрібне тільки 5-вольтне джерело живлення. Живлення -5 В надходить на контакт B5 шини ISA, а на самій системній платі вона не використовується. Ця напруга призначалася для живлення аналогових схем в старих контролерах накопичувачів на гнучких дисках, тому вона і підведена до шини. У сучасних контролерах напруга -5 В не використовується; вона зберігається лише як частина стандарту шини ISA.
Блок живлення не тільки виробляє необхідну для роботи вузлів комп’ютера напругу, але і припиняє функціонування системи до тих пір, поки величина цієї напруги не досягне значення, достатнього для нормальної роботи. Іншими словами, блок живлення не дозволить комп’ютеру працювати при “нештатному” рівні напруги живлення. У кожному блоці живлення перед отриманням дозволу на запуск системи виконується внутрішня перевірка та тестування вихідної напруги. Після цього на системну плату посилається спеціальний сигнал PowerGood (живлення у нормі). Якщо такий сигнал не надійшов, комп’ютер працювати не буде. Рівень напруги сигналу Power Good складає приблизно +5 В (нормальною вважається величина від +3 до +6 В). Він виробляється блоком живлення після виконання внутрішніх перевірок і виходу на номінальний режим і звичайно з’являється через 0,1-0,5 с після включення комп’ютера. Сигнал подається на системну плату, де мікросхемою тактового генератора формується сигнал початкової установки процесора. За відсутності сигналу PowerGood мікросхема тактового генератора постійно подає на процесор сигнал скидання, не дозволяючи комп’ютеру працювати при нештатній або нестабільній напрузі живлення. Коли PowerGood подається на генератор, сигнал скидання відключається і починається виконання програми, записаної за адресою: FFFF:0000 (звично в ROM BIOS) . Якщо вихідні напруги блоку живлення не відповідають номінальним (наприклад, при зниженні напруги в мережі), сигнал PowerGood відключається і процесор автоматично перезапускається. При відновленні вихідної напруги знову формується сигнал PowerGood і комп’ютер починає працювати так, як ніби його тільки що включили. Завдяки швидкому відключенню сигналу PowerGood комп’ютер не “помічає” неполадок в системі живлення, оскільки зупиняє роботу раніше, ніж можуть з’явитися проблеми, пов’язані з нестійкістю напруги живлення.
Кожен блок живлення містить спеціальні з’єднувачі, що підключаються до відповідних роз’ємів системної плати (рис. 2.7.), подаючи напругу на центральний процесор, модулі пам’яті і встановлену плату розширення (ISA, PCI, AGP). Неправильне підключення роз’ємів може привести до вельми небажаних наслідків, аж до згорання блоку живлення і системної плати.
Більшість роз’ємів живлення ноутбуків виконуються з позитивним внутрішнім провідником, але існують також з’єднувачі зі зворотною полярністю. Зазвичай ноутбуки живляться від постійної напруги 18,5 В або 19 В, хоча досить часто зустрічаються варіанти з напругою 15; 16; 19,5; 20 або навіть 24 В (Apple). Крім того, блоки живлення відрізняються максимальною вихідною потужністю (зазвичай до 100 Вт).

Параметри блоків живлення

Блок живлення має багато електричних та неелектричних параметрів, більшість з яких не відзначаються у технічному паспорті. На бічній наклейці блоку живлення відзначається звичайно тільки декілька основних параметрів – робочі напруга та потужність. До електричних параметрів блоків живлення відносяться:
потужність. Ця характеристика часто позначають на етикетці великим шрифтом. Потужність блоку живлення характеризує, скільки він може віддати електричної енергії приладам, що підключають до нього;
припустимий максимальний струм лінії. При перевищенні припустимого струму на лінії блок живлення вимикається, тому що спрацьовує захист;
діапазон робочих напруг – інтервал значень сіткової напруги, при якому блок живлення зберігає працездатність та значення своїх паспортних параметрів. Зараз все частіше виробляються блоки живлення з АККП (активний коректор коефіцієнта потужності), який дозволяє розширити діапазон робочих напруг від 110В до 230В. Також є блоки живлення з малим робочим діапазоном напруг, наприклад блок живлення компанії FPS FPS400-60THN-P має діапазон від 220В до 240В;
внутрішній опір – характеризує внутрішні втрати блоку живлення при протіканні струму. Внутрішній опір можна розділити на два види: звичайний за постійним струмом та диференціальний за змінним струмом;
крос-навантажувальна характеристика блоку живлення – використовується для комплексного відображення розміру осідання напруги. Це кольорове відображення рівня відхилення напруги обраної лінії при навантаженні двох ліній: обраної та +12В;
пульсації вихідних напруг. Блок живлення являє собою перетворювач, що не одноразово перетворює напругу зі змінної в постійну. Внаслідок цього на виході його ліній присутні пульсації. Пульсації являють собою різку зміну напруги протягом короткого проміжку часу. Головна проблема пульсацій у тому, що якщо в схемі або пристрої не буде фільтру у ланцюзі живлення або він поганий, то ці пульсації проходять за всією схемою, спотворюючи її робочі характеристики;
стабільність напруги. В процесі роботи, який ідеальний не був би блок живлення, його напруга змінюється. Збільшення напруги викликає в першу чергу збільшення струмів спокою всіх схем, а також зміну параметрів схем. Зниження напруги, навпаки, зменшує струм спокою, і також погіршує характеристики схем, наприклад амплітуду вихідного сигналу. При зниженні нижче певного рівня деякі схеми перестають працювати. Особливо до цього чутлива електроніка жорстких дисків. Припустимі відхилення напруги на лініях блоку живлення описані в стандарті ATX та в середньому не повинні перевищувати ±5% від номіналу лінії;
коефіцієнт корисної дії. ККД показує скільки спожитої енергії перетворилося в корисну енергію. Більшість якісних блоків живлення мають схожий ККД, який варіює в діапазоні не більше 10%, але ККД блоків живлення з ПККП (PPFC) і АККП (APFC) значно вище;
коефіцієнт потужності. При малому значенні коефіцієнта потужності буде і мале значення ККД. Більший коефіцієнт потужності обумовить зниження струму в мережі.
Як і електричні характеристики, неелектричні параметри в паспорті вказуються теж не всі, хоча вони також важливі. Перелічимо основні з них:
діапазон робочих температур;
надійність блоку живлення (час наробітку на відмову);
рівень шуму, який створюється блоком живлення при роботі;
частота обертання вентилятора блоку живлення;
вага блоку живлення;
довжина живильних кабелів;
зручність у використанні;
екологічність блоку живлення;
відповідність державним і міжнародним стандартам;
розміри блоку живлення.

Вдосконалена система управління живленням

Стандарт вдосконаленої системи управління живленням (Advanced Power Management – APM) розроблений компанією Intel спільно з Microsoft, визначає ряд інтерфейсів між апаратними засобами управління живленням і операційною системою комп’ютера. Повністю реалізований стандарт APM дозволяє автоматично перемикати комп’ютер між п’ятьма станами залежно від поточного стану системи.
Кожен стан в приведеному нижче списку характеризується зменшенням споживання енергії:
Full On – система повністю включена;
APM Enabled – система працює, деякі пристрої є об’єктами управління для системи управління живленням. Невживані пристрої можуть бути вимкнені, може бути також зупинена або сповільнена (тобто понижена тактова частота) робота тактового генератора центрального процесора.
APM Standby (резервний режим) – система не працює, більшість пристроїв знаходиться в стані споживання малої потужності. Робота тактового генератора центрального процесора може бути сповільнена або зупинена, але необхідні параметри функціонування зберігаються в пам’яті. Користувач або операційна система можуть запустити комп’ютер з цього стану майже миттєво.
APM Suspend (режим припинення) – система не працює, більшість пристроїв пасивна. Тактовий генератор центрального процесора зупинений, а параметри функціонування зберігаються на диску і при необхідності можуть бути зчитані у пам’ять для відновлення роботи системи. Щоб запустити систему з цього стану, потрібен деякий час.
Off (система відключена) – система не працює. Джерело живлення вимкнене.
Для реалізації режимів APM потрібні апаратні засоби і програмне забезпечення. Операційні системи (такі, як Windows), які підтримують APM, при настанні відповідних подій запускають програми управління живленням, “спостерігаючи” за діями користувача і прикладних програм. Проте операційна система безпосередньо не посилає сигнали управління живленням апаратним засобам.

Джерело резервного та безперебійного живлення

Джерело резервного живлення (SPS) включається тільки тоді, коли зникає або стає дуже низькою мережева напруга. В цьому випадку спрацьовує відповідний датчик, і до встановленого у блоці перетворювача постійної напруги в змінну підключається акумуляторна батарея. Починає вироблятися змінна напруга, яка, у свою чергу, поступає на вихід пристрою замість мережевої.
SPS у принципі працюють непогано, але в деяких моделях перемикання на резервне живлення відбувається недостатньо швидко. При цьому комп’ютер може відключитися або перезавантажитися. У високоякісних SPS встановлюються ферорезонансні стабілізатори. У даних блоках можуть встановлюватися фільтри-стабілізатори, але в дешевих моделях їх, як правило, не буває, і напруга в нормальних умовах поступає на комп’ютер безпосередньо з мережі, без жодної фільтрації та стабілізації. У SPS з ферорезонансними стабілізаторами вихідна напруга підтримується постійною, до інших же для більшої надійності слід додатково підключати фільтр-стабілізатор.
Кращим рішенням всіх проблем, що виникають в ланцюгах живлення, є встановлення джерела безперебійного живлення (UPS), яке одночасно виконує функції фільтру-стабілізатора і джерела аварійного живлення. Джерела безперебійного живлення працюють постійно, і напруга на комп’ютер поступає тільки від них.
У UPS постійна напруга 12 В від акумуляторної батареї перетворюється в змінну. У розпорядженні користувача фактично буде своє автономне джерело живлення, не залежне від електричної мережі. Від неї здійснюється тільки заряджання акумулятора, причому струм заряду або рівний споживаному навантаженням, або дещо більше (при частково розрядженій батареї).
Навіть якщо напруга в мережі пропадає, UPS продовжує працювати, оскільки при цьому лише припиняється процес заряджання батареї. Ніяких перемикань в схемі не відбувається, а тому не виникає навіть короткочасних провалів живлячої напруги. UPS функціонує безперервно, використовуючи заряджений акумулятор. Після відновлення мережевої напруги акумулятор відразу, без додаткових перемикань, знову починає заряджатися.
Всі 16-розрядні або більш сучасні системи мають мікросхему особливого типу, в якій знаходиться годинник реального часу (Real-Time Clock – RTC), а також 64 байти або більше (включаючи дані годинника) незалежного ОЗП (Non-Volatile RAM – NVRAM). Ця мікросхема офіційно називається мікросхемою RTC/NVRAM, але звичайно на неї посилаються як на мікросхему CMOS, або CMOS-пам'ять. Такі мікросхеми споживають живлення від батарей і можуть зберігати інформацію декілька років. Вона містить годинник реального часу, оповіщаючи програму про поточний час і дату, причому і час і дата представлятимуться правильно навіть при відключенні системи.

Стандарти та сертифікати блоків живлення

При покупці блоку живлення, в першу чергу необхідно подивитися на наявність сертифікатів і на відповідність його сучасним міжнародним стандартам. На блоках живлення найчастіше можна зустріти вказівку наступних стандартів:
RoHS, WEEE – не містить шкідливих речовин;
UL, cUL – сертифікат на відповідність своїм технічним характеристикам, а також вимогам безпеки для вбудованих електроприладів;
CE – сертифікат, який показує, що блок живлення відповідає найсуворішим вимогам директив європейського комітету;
ISO – міжнародний сертифікат якості;
CB – міжнародний сертифікат відповідності своїм технічним характеристикам;
FCC – відповідність нормам електромагнітних наведень (EMI) і радіонаведень (RFI), що генеруються блоком живлення;
TUV – сертифікат відповідності вимогам міжнародного стандарту ЕН ІСО 9001:2000;
ССС – сертифікат Китаю відповідності безпеки, електромагнітним параметрам і захисту навколишнього середовища.

Контрольні запитання

Що називається комп’ютерною технікою?
Що називається цифровою електронною обчислювальною машиною (ЕОМ)?
Які етапи розвитку обчислювальної техніки ви знаєте?
Що містять у собі етапи розвитку обчислювальної техніки?
Навести закон Мура. В якому році він був відкритий?
Що входить до складу сучасної системи РС ?
Описати ознаки нейманівської архітектури.
Навести визначення програми.
Навести визначення команди.
Описати структуру комп’ютера.
Описати внутрішню пам’ять комп’ютера.
Описати зовнішню пам’ять комп’ютера.
Описати пристрої вводу інформації.
Описати пристрої виводу інформації.
Пояснити принцип програмного управління.
Перерахувати і описати режими роботи комп’ютера.
Перерахувати основні характеристики комп’ютера.
Навести визначення такої характеристики комп’ютера як продуктивність.
Навести визначення такої характеристики комп’ютера як пікова продуктивність.
Навести визначення такої характеристики комп’ютера як номінальна продуктивність.
Навести визначення такої характеристики комп’ютера як системна продуктивність.
Навести визначення такої характеристики комп’ютера як експлуатаційна продуктивність.
Перерахуйте рівні сучасних обчислювальних машин.
Описати цифровий логічний рівень.
Описати мікроархітектурний рівень.
Описати рівень архітектури команд.
Описати рівень операційної системи.
Описати рівень мови асемблера.
Описати рівень мов високого рівня.
Що називають системною платою і чому її називають материнською?
Які компоненти встановлюються на материнську плату?
Перерахувати головні параметри материнської плати.
Описати призначення чипсету.
Описати структуру системної плати.
Описати призначення набору мікросхем системної логіки.
Навести визначення форм-фактора материнської плати.
Перерахувати форм-фактори материнських плат.
Описати форм-фактор повнорозмірної плати АТ.
Описати форм-фактор BABY-AT.
Описати форм-фактор LPX.
Описати форм-фактор NLX.
Яку роль виконують блоки живлення в комп'ютерній системі?
Які пристрої використовують позитивну напругу?
Які пристрої використовують негативну напругу?
Описати внутрішню перевірку блоку живлення.
Описати роз’єми живлення системної платні.
Описати систему управління живленням.
Описати джерело резервного живлення.
Описати джерело безперебійного живлення (UPS).
Для чого застосовуються батареї RTC/NVRAM?


ТЕМА №2

БАЗОВА СИСТЕМА ВВОДУ/ВИВОДУ BIOS

Основи BIOS

Базова система вводу-виводу (BIOS, Basic Input\Output System) – це набір комп’ютерних інструкцій нижнього рівня, який визначає цілий ряд функціональних можливостей ПК і виконує важливі задачі комп’ютера.
BIOS також запускає процедуру самотестування при включені живлення POST (Рower-On Self Test). Після того, як ПК завантажився, BIOS визначає основні функції інтерпретуємих сигналів клавіатури і обмінюється інформацією через порти.
BIOS записана в одній або декілька мікросхем ПЗП на системній платі. Вона є “проміжним шаром” між програмною та апаратною частинами системи. Більшість пристроїв працює з допомогою драйверів, які допомагають системі використовувати спеціальні функції цих пристроїв. Драйвери займають логічний рівень між системною BIOS і операційною системою. Подібна ієрархія передбачає, що операційна система виконує свої задачі, на звертаючись напряму до апаратних пристроїв. BIOS і відповідні драйвери інтерпретують необхідні команди для певного набору пристроїв.
Задачі, які вирішує BIOS:
початкова перевірка (тестування) компонентів комп’ютера (перевірка працездатності комп’ютера і всіх пристроїв;
настройка компонентів комп’ютера і системних ресурсів, тобто завдання режимів роботи;
розподіл ресурсів комп’ютера, які наявні у розпорядженні, тобто кому, що і скільки виділити для роботи;
розподіл взаємодій пристроїв комп’ютера між собою;
управління енергоспоживанням комп’ютера, тобто при яких умовах переходити у сплячий режим і виходити з нього.
Комп’ютер завдяки BIOS постійно опитує і тримає під контролем усі свої компоненти. На комп’ютери встановлюються різні моделі і версії BIOS. Розробкою BIOS займається декілька компаній:
AWARD BIOS – випускається компанією Award Software;
АMI BIOS – випускається компанією American Megatrends Inc;
Phoenix BIOS – випускався у минулому компанією Phoenix Technologies Ltd;
Phoenix-Award BIOS – випускається об’єднаною компанією Phoenix-Award;
Intel BIOS випускається компанією Intel
BIOS інших компаній аналогічні за своїм інтерфейсом і настроюванням.
Також є такий термін як CMOS. CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) являє собою енергонезалежну пам’ять для зберігання інформації про конфігурацію комп’ютера. Вона живиться від тієї самої батарейки, що і BIOS. BIOS – це набір програм, які застосовуються в роботі комп’ютера, а CMOS – це мікросхема для зберігання цих програм. Мікросхема CMOS містить інформацію, яка необхідна при старті (завантаженні) комп’ютера (типи жорсткого диску, чипсету, клавіатури, монітора тощо). При включенні комп’ютера проводиться його тестування, визначається поточна конфігурація та порівнюється з наявною в CMOS-пам’яті. Якщо виявляються відмінності, автоматично викликається вікно настроювань BIOS для проведення необхідних корегувань. Стандартні заводські настройки BIOS зберігаються в мікросхемі та записуються при першому включені комп’ютера або у тому випадку, коли обирається в настройках пункт: LOAD BIOS DEFAULT (або LOAD OPTIMIZED DEFAULTS), який значить перехід до стандартних установкам заводу-виготовника.
Головну роль BIOS відіграє при старті комп’ютера. Розглянемо за пунктами роботу BIOS:
ініціалізація пристроїв, системних ресурсів і управління електроживленням;
тестування оперативної пам’яті;
включення клавіатури;
тестування портів і підключених до них пристроїв;
тестування контролерів і дисководів;
розподіл ресурсів між пристроями;
відображення на моніторі результатів проведених тестів.
Після натискання кнопки Power на системному блоці виконується перевірка блоку живлення. Якщо все гаразд, на процесор подається напруга. Разом із живленням на процесор подається сигнал скидання пам’яті, і процесор обнулює вміст своєї пам’яті, після чого приступає до роботи. Процесор отримує від BIOS програму POST (Power-On-Self-Test). Вона починає тестувати усі компоненти комп’ютера. Якщо в ході перевірки виявляються помилки або несправності, системний динамік, який розташований усередині системного блоку, подає спеціальні звукові сигнали, а на екран монітора виводиться відповідне повідомлення. На наступному етапі BIOS виконує розподіл ресурсів між компонентами комп’ютера. Далі здійснюється пошук інших BIOS, так як підключені до материнської плати пристрої можуть мати свої власні BIOS. Після того, як тестування успішно завершено, подається один короткий звуковий сигнал системним динаміком, і управління передається позасистемному завантажувачу операційної системи. Завантажувач операційної системи NBR (Non-System Bootstrap) розташований на стартовому секторі жорсткого диску в головній завантажувальній області MBR (Master Boot Record). Завантажувач NBR запускає системний завантажувач SB (System Bootstrap), який установлюється разом з операційною системою і знаходиться на стартовому секторі логічного диску. Якщо на жорсткому диску не виявлений жоден активний розділ або розділ містить неправильну мітку, на екран монітора виводиться застереження, і завантаження операційної системи припиняється. Для користувача початок роботи комп’ютера відзначається появою на екрані монітора якого-небудь повідомлення. Перше повідомлення з’являється у лівому верхньому куті. Воно дає інформацію про відеокарту. Це повідомлення відображається на екані не більше однієї секунди, я щоби його прочитати, необхідно у цей момент натиснути клавішу Pause. У другому повідомлені приводиться повна інформація про виробника і версії BIOS, про встановлений процесор, розмір оперативної пам’яті, варіанти підключення лазерного дисководу і вінчестеру тощо. Третім повідомленням може бути (але не обов’язково) таблиця розподілу ресурсів між пристроями комп’ютера. Існує три види ресурсів, які підлягають розподілу: IRQ – переривання, DMA – канали, I/O – порти вводу і виводу.
Коректне настроювання BIOS дозволяє збільшити продуктивність комп’ютера на 30 %. Випадки, коли необхідно входити до BIOS і проводити корегування настроювань:
придбання нового комп’ютера;
підключення нового периферійного пристрою (принтера, сканера, модема тощо);
самостійна зміна конфігурації комп’ютера;
виникнення конфліктів між пристроями;
встановлення (переустановлення) операційної системи Windows;
встановлення нової материнської плати;
відключення ресурсів пристроїв, які не використовуються;
аварійні ситуації.
Для запуску BIOS програми необхідно під час завантаження системи натиснути певну клавішу або комбінацію клавіш. Нижче представлені клавіші запуску цієї програми для BIOS різних виробників, які необхідно натискати під час виконання процедури POST:
AMI BIOS – ;
Phoenix BIOS – ;
Award BIOS – або комбінація клавіш ;
Microid Research BIOS – ;
IBM Aptiva/Valuepoint – (під час виконання процедури POST);
Старі версії Phoenix BIOS – або (у режимі командного рядка);
Compaq – (під час виконання процедури POST).
Якщо жодна з цих клавіш не забезпечує запуску програми Setup BIOS, треба подивитися документацію до системної плати або зверніться до її виробника.
У випадку пошкодження BIOS комп’ютер не зможе запускатися. Якщо вийде з ладу батарейка, яка живить BIOS комп’ютера, він також не запуститься.

Розділи BIOS

Після завантаження BIOS з’явиться її основний екран з меню і підміню. Сучасні версії BIOS звичайно містять наступні розділи (таб. 4.1).
Таблиця 4.1
Розділи BIOS
Standard CMOS Features
Стандартні параметри CMOS

Advanced BIOS Features
Розширені настойки BIOS

Advanced Chipset Features
Розширені настройки чипсету

Integrated Peripherals
Інтегровані пристрої

Power Management Setup
Керування живленням

Pn\PCI Configuration
Конфігурація шини РСІ


Можливо зустріти наступні варіанти представлення розділів меню:
Mane (аналог Standard CMOS Features);
Advance (об’єднує функції меню Advanced BIOS Features, Advanced Chip set Features, Integrated Peripherals, Power Management Setup, Pn\PCI Configuration, Frequency/Voltage Control);
Security (установка паролів користувача і адміністратора);
Hardware Monitor (аналог меню PC Health Status);
Exit (завантаження “захисних” конфігурацій BIOS і варіанти виходу з засобів Setup).
Внутрішня організація у такому меню в принципі співпадає з іншими варіантами представлення параметрів BIOS, хоча назви деяких елементів можуть відрізнятися. Можливості кожного розділу наведені нижче.
Розділ Standard CMOS Features. В деяких версіях BIOS цей розділ називається BIOS Features Setup.
Параметр
Date (mm:dd:yy)

Опис
Дата

Призначення
Встановлення поточної дати в форматі: місяць, день, рік

Параметр
Time (hh:mm:ss)

Опис
Час

Призначення
Встановлення поточного часу в форматі: місяць, день, рік

Параметр
IDE Primary Master

Опис
Ведучий накопичувач на першому каналі IDE


Призначення
Встановлення параметрів ведучого накопичувача (жорсткого диску, CD-ROM), який підключений до першого контролера IDE. Натиснення клавіши ENTER відкриває параметри настройки IDE Primary/Secondary Master/Slave

Параметр
IDE Primary Slave

Опис
Другий накопичувач на першому каналі IDE

Призначення
Встановлення параметрів другого накопичувача, який підключений до першого контролера IDE

Параметр
IDE Secondary Master

Опис
Ведучий накопичувач на другому каналі IDE

Призначення
Встановлення параметрів ведучого накопичувача, який підключений до другого контролера IDE

Параметр
IDE Secondary Slave

Опис
Другий накопичувач на другому каналі IDE

Призначення
Встановлення параметрів другого накопичувача, який підключений до другого контролера IDE

Параметр
Access Mode

Опис
Режим представлення

Призначення
Вибір режиму представлення логічних блоків жорсткого диску ємкістю більше 528 Мбайт.

Параметр
Capacity

Опис
Ємність

Призначення
Указується ємкість жорсткого диску в мегабайтах

Параметр
Cylinder

Опис
Циліндри

Призначення
Вказується кількість циліндрів на жорсткому диску

Параметр
Head

Опис
Головки

Призначення
Кількість головок запису /зчитування

Параметр
Landing Zone

Опис
Зона паркування

Призначення
Задається номер доріжки, на яку паркуються головки диску

Параметр
Sector

Опис
Сектори

Призначення
Задається кількість секторів на диску

Параметр
Drive A

Опис
Дисковод гнучких дисків А

Призначення
Перераховані параметри гнучких дисків, що підтримують різні формати. Необхідно обрати те значення, яке підтримується дисководом, який встановлено в системі

Параметр
Floppy 3 Mode Support

Опис
Підтримка трьох форматів дисководом GDD

Призначення
Рекомендується значення: Disabled

Параметр
Video

Опис
Відеорежим

Призначення
Вибір режиму відображення меню SETUB BIOS

Параметр
Half on

Опис
Зупинка завантаження

Призначення
Вибір режиму видачі сигналу BIOS при тестуванні системи.


Розділ Advanced BIOS Features
Параметр
BIOS Flash Protection

Опис
Захист флеш-памяті BIOS

Призначення
Функція захисту ПЗП з образом BIOS від несанкціонованих змін. Рекомендується включити

Параметр
CPU Level 1 Cache

Опис
Кеш першого рівня процесора

Призначення
Цей параметр включена. використовується для включення або вимкнення кеша першого рівня процесора. Функція часто використовується для визначення компонентів, які перешкоджають розгону процесора.

Параметр
Virus Warning /Anti-Virus Protection

Опис
Попередження про віруси/захист від вірусів

Призначення
Якщо опція Virus Warning включена, BIOS видає попередження про спробу звернення до завантажу-вального сектора або до таблиці розділів. Захищається тільки завантажувальний сектор і таблиця розділів, а не весь диск. В багатьох випадках функція антивірусного захисту безкорисна або шкідлива. Тому її включення можна рекомендувати тільки на комп’ютерах офісного класу, де склад програмного забезпечення не змінюється.

Параметр
CPU Level 1 Cache

Опис
Кеш другого рівня процесора

Призначення
Цей параметр включена. використовується для включення або вимкнення кеша другого рівня процесора. Відключення кеша другого рівня сприяє розгону.

Параметр
Processor Number Feature

Опис
Номер процесора

Призначення
Цей параметр є в BIOS материнських плат для процесора Pentium III. Включення функції дозволяє деяким програмістам зчитувати серійний номер встановленого в системі процесора для підвищення безпеки трансакцій.

Параметр
Quick Power On Self Test

Опис
Швидкий тест системи при включені системи

Призначення
При включені зменшується час тестування компонентів системи при завантажені. Для повсякденної праці рекомендується включити.

Параметр
Boot Sequence

Опис
Послідовність завантаження

Призначення
Вибір послідовності завантаження для накопичувачів, на яких BIOS буде шукати операційну систему. Для швидкого завантаження установіть першим жорсткий диск, який містить операційну систему.

Параметр
Typematic Rate (Chars/Sec)

Опис
Частота повтору (знак./хвил)

Призначення
Визначає частоту повтору сигналів при натисненні клавіші

Параметр
Security Setup/ Security Option

Опис
Режим захисту настроювань

Призначення
Режим активний, якщо встановлений пароль за допомогою команди User Password в основному вікні BIOS. Вибір значення System настроює BIOS на запит пароля при кожному завантажені системи. При виборі значення Option пароль знадобиться при спробі доступу до настроювань BIOS

Параметр
Video BIOS Shadowing

Опис
Використання тіньового ПЗП для завантаження BIOS відеокарти

Призначення
При включені режиму система Video BIOS копіюється в системну плату. Цей параметр покращує продуктивність у старих системах.


Розділ Advanced Chip set Features
Параметр
FSB Frequency

Опис
Частота системної шини

Призначення
Встановлення користувачем частоти системної шини. Цю функцію застосовують при розгоні процесора, який має фіксований помножувач робочої частоти. Якщо система не призначена для розгону, поставте значення Авто (автоматично)

Параметр
System Performance

Опис
Параметри продуктивності

Призначення
Вибір настроювань чипсету з метою підвищення продуктивності. Рекомендується значення Оптимальній.

Параметр
Тор Performance

Опис
Параметри продуктивності

Призначення
Вибір значення Включено виставляє настройки чипсету так, щоби домогтися найкращої продуктивності. Відключення параметра переводить настройки в режим забезпечення стабільності. Рекомендується – включено.

Параметр
SDRAM Cycle Time Tras/Trc

Опис
Тривалість циклу пам’яті SDRAM

Призначення
Змінення мінімальної кількості циклів пам’яті, що необхідно для виконання процедур Tras та Trc в пам’яті SDRAM.

Параметр
Read/Around-Write

Опис
Виконання команди зчитування зі зміною послідовності

Призначення
Дозволяє процесору виконувати команди зчитування зі зміною послідовності, незалежно від команд запису.

Параметр
System BIOS Cacheable

Опис
Кешування області системного BIOS

Призначення
Якщо BIOS відображається в оперативній пам’яті, то можна включити кешування області пам’яті по адресах системного BIOS через кеш другого рівня. Це помітно прискорює доступ до BIOS.

Параметр
AGP Aperture Size MB

Опис
Розмір апертури AGP в мегабайтах

Призначення
Апертурою називається частина діапазону адрес оперативної пам’яті, відведену під адреси графічної пам’яті. Звернення до пам’яті, які потрапляють у цей діапазон, пересилаються по шині AGP до локальної відеопамяті. Розмір апертури також визначає максимальний розмір оперативної пам’яті, відведеної відеокарті для зберігання текстур.

Параметр
Spread Spectrum

Опис
Зниження електромагнітного випромінювання

Призначення
На материнській платі обов’язково є основний генератор синхронізуючих імпульсів і допоміжні компоненти, які задають частоту для різних типів шин і елементів комп’ютера. Високочастотні пульсації на шинах викликають електромагнітне випромінювання.

Параметр
BIOS Flash BIOS Protection

Опис
Захист даних в флеш-памяті BIOS

Призначення
Захист BIOS від випадків пошкодження користувачем або комп’ютерними вірусами. Рекомендується відключити цей параметр тільки перед операцією оновлення BIOS

Параметр
Video BIOS Cacheable

Опис
Кешування області BIOS відеоадаптера

Призначення
В сучасних системах відображення відео BIOS в системній пам’яті і кешування даної області є витратою ресурсів

Параметр
Video RAM Cacheable

Опис
Кешування відеопам’яті

Призначення
Безкорисна функція для сучасних систем

Параметр
Hardware Reset Protect

Опис
Захист від випадкового перезавантаження комп’ютера

Призначення
Визначає спосіб функціонування кнопки Reset. При включені параметра кнопка перезавантаження не працює. Це виключає випадковий скидання системи на комп’ютерах, які повинні працювати постійно


Розділ Integrated Peripherals
Параметр
IDE Function Setup

Опис
Встановлення параметрів інтерфейсу IDE

Призначення
Команда переходу в режим настройки параметрів каналів IDE

Параметр
Onboard Device

Опис
Установка параметрів інтерфейсів, інтегрованих на системній платі

Призначення
Команда переходу в режим настройки інтерфейсів інтегрованих пристроїв

Параметр
Super IO Device

Опис
Пристрої вводу-виводу

Призначення
Команді переводить в режим настройки інтерфейсів пристроїв вводу-виводу

Параметр
USB Controller

Опис
Контролер інтерфейсу USB

Призначення
Виділення переривань для портів інтерфейсу USB

Параметр
Onboard LAN

Опис
Інтегрований контролер локальної мережі

Призначення
Вибір режиму підключення вбудованого в системну плату контролера локальної мережі.

Параметр
Onboard Game Port

Опис
Вбудований контролер ігрового порту

Призначення
Підключення і адресація вбудованого ігрового порту. За замовчуванням встановлено значення 201Н.

Параметр
Case open Warning

Опис
Детектор розкриття корпусу

Призначення
Деякі системні плати мають механічний або оптичний датчик розкриття корпусу, який ініціює сигнал тривоги

Параметр
Duplex Select

Опис
Дуплексний режим

Призначення
Вибір режиму роботи інфрачервоного порту. При установці значення Повний дуплекс підтримується синхронний двонаправлений обмін даними

Параметр
Onboard IR Function

Опис
Функція інфрачервоного порту

Призначення
Вибір режиму роботи інфрачервоного порту

Параметр
Onboard Parallel Port

Опис
Вбудований паралельний порт

Призначення
Параметр дозволяє призначати адреси вводу-виводу і переривань для вбудованого паралельного порту.

Параметр
Parallel Port Mode

Опис
Режим роботи паралельного порту

Призначення
За замовчуванням встановлено значення Normal. Це дозволяє працювати з будь-якими пристроями, підключеними до паралельного порту, проте швидкість передачі даних у цьому випадку невисока.
Режим ECP – порт з розширеними можливостями;
ЕЕР – розширений паралельний порт – є двонаправленними.


Розділ Power Management Setup
Параметр
ACPI function

Опис
Підтримка ACPI

Призначення
Підключення розширеного інтерфейсу керування живленням і конфігурування системи (ACPI). Рекомендується встановити значення Включення для цих сучасних систем. Функція Відключено вимагається у тому випадку, якщо з’являються конфлікти з якими-небудь компонентами системи.

Параметр
Suspend Mode

Опис
Перехід у сплячий режим

Призначення
Вибір інтервалу часі, по проходженні якого комп’ютер переходить у сплячий режим (якщо не виникло за цей час звернення до комп’ютера)

Параметр
ACPI Suspend To RAM

Опис
Збереження стану системи в пам’яті

Призначення
Збереження стану системи в оперативній пам’яті

Параметр
Power On Function

Опис
Метод включення

Призначення
Вибір методу, за допомогою якого можна включити комп’ютер. При виборі Тільки кнопкою система буде включатися після натиснення кнопки живлення на корпусі. Інші варіанти дозволяють запускати систему, використовуючи клавіатуру і мишу.

Параметр
Soft-off By PWR-BTTN

Опис
Перехід в режим сну кнопкою Power

Призначення
Визначення реакції системи на держання кнопки Power системного блоку менше 4 секунд

Параметр
Video Off Method

Опис
Метод включення монітора

Призначення
Вибір метода переводу монітора у сплячий режим.

Параметр
Modem Use IRQ

Опис
Виділення переривань для модему

Призначення
Виділення переривань внутрішньому модему, який може використовуватися для оновлення нормального режиму роботи.


Системна та власна BIOS

У всіх системних плат є мікросхема, на яку записано програмне забезпечення BIOS або ROM BIOS. Ця мікросхема містить стартові програми та драйвери, необхідні для запуску системи і функціонування основного апаратного забезпечення. У ній також міститься процедура POST (самотестування при включенні живлення) і дані системної конфігурації. Всі ці параметри записані в CMOS-пам’ять. Цю CMOS-пам'ять часто називають NVRAM (Non-Volatile RAM).
Таким чином, BIOS є комплектом програм, що зберігаються в одній або декількох мікросхемах. Ці програми виконуються при запуску комп’ютера до завантаження операційної системи.
BIOS в більшості PC-сумісних комп’ютерів виконує чотири основні функції:
POST – самотестування при включенні живлення процесора, пам’яті, набору мікросхем системної логіки, відеоадаптера, контролерів диска, дисковода, клавіатури та інших життєво важливих компонентів системи;
програма встановлення параметрів BIOS (Setup BIOS) – конфігурація параметрів системи. Ця програма запускається при натисненні певної клавіші (або комбінації клавіш) під час виконання процедури POST;
завантажувач операційної системи – підпрограма, що виконує пошук діючого основного завантажувального сектора на дискових пристроях. Ця програма завантажує завантажувальний сектор операційної системи, який, у свою чергу, завантажує файли ядра операційної системи.
BIOS – набір драйверів, призначених для взаємодії операційної системи та апаратного забезпечення при завантаженні системи. При завантаженні DOS або Windows в режимі захисту від збоїв використовуються драйвери пристроїв тільки з BIOS.
Власна BIOS, як правило, встановлюється на наступній платі:
відеоадаптери – завжди мають власну мікросхему BIOS;
SCSI-адаптери – ця BIOS не підтримує всі SCSI-пристрої, тобто з диска необхідно завантажувати додаткові драйвери для накопичувачів CD-ROM, сканерів, пристроїв Zip і інших з інтерфейсом SCSI;
мережеві адаптери – для початкової ініціалізації пристрою або нормального функціонування у бездискових робочих станціях або терміналах;
плата оновлення IDE або дисковода – для підтримки функції завантажувального пристрою при запуску системи.

Мікросхеми ROM та Flash ROM

ROM (Read-Only Mеmory) – тип пам’яті, яка може постійно (або практично постійно) зберігати дані. Ці записані дані зберігаються в пам’яті навіть при відключенні живлення. Таким чином, для зберігання стартових процедур і BIOS пам’ять ROM найбільш підходить. Аналогічна пам’ять використовується і в інших пристроях з власною BIOS, наприклад у відеоадаптерах.
Звичайно першою адресою ROM системи є F0000h, розташований за 512 Кбайт від кінця першого мегабайта. Місткість сучасних мікросхем ROM досягає 512 Кбайт і вище. Такий збільшений об’єм дозволяє розташовувати драйвери інтегрованих на системній платні пристроїв.
Існує чотири різні типи мікросхем пам’яті ROM:
ROM (Read Only Memory) – тільки для читання;
PROM (Programmable ROM) – програмована ROM;
EPROM (Erasable PROM) – програмована ROM, що підлягає стиранню;
EEPROM (Electrically Erasable PROM) – програмована ROM, яка також називається Flash ROM, що підлягає енергостиранню.
Мікросхеми ROM дуже “повільна”: час доступу дорівнює 150 нс при часі доступу пристрою DRAM 60 нс або менше. Тому в багатьох системах ROM затінюється, тобто її вміст копіюється в мікросхеми динамічної оперативної пам’яті при завантаженні, щоб скоротити час доступу в процесі функціонування. Процедура затінювання копіює вміст ROM в оперативну пам’ять, привласнюючи їй адреси, що спочатку використалися для ROM, яка потім фактично відключається. Це підвищує швидкодію системи пам’яті. Втім, в більшості випадків достатньо затінити тільки базову систему вводу-виводу на системній платі і, можливо, на відеоплаті. Засіб управління затінюванням знаходиться в програмі Setup BIOS.
Оновлення ROM BIOS може знадобитися в наступних випадках:
при встановленні пристроїв: жорстких дисків об’ємом більше 8 Гбайт і Ultra-DMA/33 Ultra-DMA/66 IDE; накопичувачів CD-ROM з інтерфейсом AT API;
при додаванні або поліпшенні підтримки Plug and Play;
при виправленні відомих помилок або проблем сумісності з деякими апаратними засобами та програмним забезпеченням;
при заміні процесора;
при додаванні підтримки для системи управління режимом електроживлення (Advanced System Configuration and Power Interface – ACPI).
Настроювання BIOS записані на спеціальній мікросхемі постійної памяті на материнській платі. На сучасних материнських платах використовуються мікросхеми з можливістю оновлення (перезапису) вмісту. Цей процес перезапису називається перепрошивкою BIOS.
Починаючи з 1996 року на всіх комп’ютерах BIOS записується в мікросхему Flash ROM, або ще її називають Flash-bios. Інформацію у цій мікросхемі можна стирати та перепрограмувати безпосередньо в комп’ютері без спеціального устаткування.
Використання Flash ROM дозволяє завантажити нову версію BIOS з Internet або, маючи її на дискеті, завантажити в мікросхему Flash ROM на системній платі без видалення та заміни мікросхеми. Звичайно ці оновлення завантажуються з Web-серверу виробника; потім використовується прикладна програма для створення завантажуваної дискети з новим образом BIOS. Важливо виконати цю процедуру, скориставшись дискетою з програмою початкового завантаження.
Іноді мікросхема Flash ROM захищена від запису; тоді, перш ніж приступити до модифікації, потрібно відключити захист. Звичайно це робиться за допомогою перемикача, який управляє блокуванням модифікації ROM. Без блокування будь-яка програма може перезаписувати ROM у системі, а це небезпечно.

Контрольні запитання

Що називають базовою системою вводу-виводу?
Де міститься BIOS?
Перерахувати можливості запуску BIOS.
Які розділи містить сучасна BIOS?
Коротко описати параметри розділу Standard CMOS Features.
Коротко описати параметри розділу Advanced BIOS Features.
Коротко описати параметри розділу Advanced Chip set Features.
Коротко описати параметри розділу Integrated Peripherals.
Коротко описати параметри розділу Power Management Setup.
На яких платах встановлюється BIOS?
Які основні функції виконує системна BIOS?
Описати призначення ROM BIOS.
Який зв’язок між ROM і оперативною пам’яттю?
Перерахувати і охарактеризувати типи мікросхем пам’яті ROM.
Що означає “затінювання ROM”?
У яких випадках необхідне оновлення ROM BIOS?
Описати особливість використовування мікросхеми Flash ROM.




ТЕМА №3

КОМПЮТЕРНІ ШИНИ

Основні визначення:
Сукупність ліній (провідників на материнській платі), по яких обмінюються інформацією компоненти і пристрої PC, називаються шиною (Bus).
Шина призначена для обміну інформацією між двома і більш пристроями. Шина, що зв'язує тільки два пристрої, називається портом.
Під інтерфейсом (Interface Сполучення) розуміють сукупність різних характеристик якого-небудь периферійного пристрою PC, визначаючих організацію обміну інформацією між ним і центральним процесором


Класифікація комп’ютерних шин

Інформація передається по шині у вигляді груп бітів. До складу шини для кожного біта слова може бути передбачена окрема лінія (паралельна шина), або всі біти слова можуть послідовно в часі використовувати одну лінію (послідовна шина).
Лінії (шини) діляться на три групи залежно від типу даних, які передаються:
лінії даних (шина даних ШД);
лінії адреси (шина адреси ША);
лінії управління (шина управління ШУ).
Через шину даних відбувається обмін даними між CPU, картами розширення, встановленими в слоти, і пам’яттю. Особливу роль при цьому виконує режим DMA (Direct Memory Access) – режим обміну даними між пристроями чи ж між пристроєм і основною пам’яттю (RAM) без участі центрального Процесора (ЦП). В результаті швидкість передачі збільшується, оскільки дані не пересилаються в ЦП і назад.
Управління обміном даними в цьому режимі здійснюється відповідним контролером, минувши CPU. DMA-контролер інтегрується в одну з мікросхем Chipset, наприклад 82443ВХ. DMA-контроллер може діставати доступ до системної шини незалежно від центрального процесора. Контроллер містить декілька регістрів, доступних центральному процесору для читання і запису. Регістри контроллера задають порт (який повинен бути використаний), напрям перенесення даних (читання/запис), одиницю перенесення (побайтно/пословно), число байтів, яке слід перенести.
ЦП програмує контроллер DMA, встановлюючи його регістри. Потім процесор дає команду пристрою (наприклад, диску) прочитати дані у внутрішній буфер. DMA-контроллер починає роботу, посилаючи пристрою запит читання (при цьому пристрій навіть не знає, чи прийшов запит від процесора або від контроллера DMA). Адреса пам’яті вже знаходиться на адресній шині, так що пристрій знає, куди слід переслати наступне слово з свого внутрішнього буфера. Коли запис закінчений, пристрій посилає сигнал підтвердження контроллеру DMA. Потім контроллер збільшує використовувану адресу пам'яті і зменшує значення свого лічильника байтів. Після чого запит читання повторюється, поки значення лічильника не стане рівне нулю. Після закінчення циклу копіювання пристрій ініціює переривання процесора, що означає завершення перенесення даних. Контроллер може бути багатоканальним, здатним паралельно виконувати декілька операцій.
Комп’ютери з процесором 80286 мали 16-розрядну шину даних, з CPU 80386 і 80486 – 32-розрядну, а комп’ютери з CPU сімейства Pentium мають вже 64-розрядну шину даних.
Дані, що передаються через адресну шину, трактуються як адреси комірок оперативної пам’яті. Саме з цієї шини процесор зчитує адреси команд, які необхідно виконати, а також дані, із якими оперують команди. Призначення шини адреси полягає у наступному. Процес обміну даними можливий лише у тому випадку, коли відомий відправник і одержувач цих даних. Кожен компонент ПК, кожен регістр введення/виводу і осередок RAM мають свою адресу та входять в загальний адресний простір. Для адресації до якого-небудь пристрою ПК і служить шина адреси, через яку передається унікальний ідентифікаційний код (адреса).
Для прискорення обміну даними використовується пристрій проміжного зберігання даних – RAM, при цьому вирішальну роль має об’єм даних, які можуть тимчасово зберігатися у ній. Об’єм залежить від розрядності адресної шини (числа ліній) і, тим самим, від максимально можливої кількості адрес, що генеруються процесором на адресній шині, іншими словами, від кількості осередків RAM, яким може бути привласнений адреса.
Шина управління. Для успішної передачі даних не достатньо встановити їх на шині даних і задати адресу на шині адреси. Для того, щоб дані були записані в регістри пристроїв, підключених до шини, адреси яких вказані на шині адреси, необхідний ряд службових сигналів: запису/читання, готовності до прийому/передачі даних, підтвердження прийому даних, апаратного переривання, управління та ініціалізації контролера DMA і ін. Всі ці сигнали передаються через шину управління.
Шини в PC розрізняються за своїм функціональним призначенням:
системна шина (або шина CPU) використовується мікросхемами Chipset для пересилки інформації до і від CPU;
шина кеш-пам’яті призначена для обміну інформацією між CPU і кеш-пам’яттю;
шина пам’яті використовується для обміну інформацією між оперативною пам’яттю і CPU.
Архітектура будь-якої шини включає наступні компоненти: лінії для обміну даними (шини даних); лінії для адресації даних (шини адреси); лінії для управління даними (шини управління); контролер шини.
Зовнішні пристрої до шин підключаються за допомогою інтерфейсу.
Інтерфейс – це електричні та тимчасові параметри, набір управляючих сигналів, протокол обміну даними та конструктивні особливості підключення. При цьому обмін даними між компонентами ПК можливий тільки у разі сумісності їх інтерфейсів.
Принцип IBM-сумісності має на увазі стандартизацію інтерфейсів окремих компонентів ПК, що, у свою чергу, визначає гнучкість системи в цілому, тобто можливість у міру необхідності змінювати конфігурацію системи та підключати різні периферійні пристрої. У разі несумісності інтерфейсів (наприклад, інтерфейс системної шини та вінчестера) використовуються контролери.

Основні характеристики шини

До головних характеристик комп’ютерних шин належать тактова частота, розрядність, пропускна спроможність.
Робота будь-якого комп’ютера залежить від тактової частоти, яку визначає кварцовий резонатор. Він є олов’яним контейнером, в який поміщений кристал кварцу. Під впливом електричної напруги в кристалі виникають коливання електричного струму. Ось ця сама частота коливання і називається тактовою частотою. Всі зміни логічних сигналів в будь-якій мікросхемі комп’ютера відбуваються через певні інтервали, які називаються тактами. Звідси зробимо висновок, що найменшою одиницею вимірювання часу для більшості логічних пристроїв комп’ютера є такт або ще по іншому – період тактової частоти. На кожну операцію потрібний мінімум один такт (хоча деякі сучасні пристрої встигають виконати декілька операцій за один такт). Тактова частота персональних комп’ютерів вимірюється у Мгц, де Герц – це одне коливання в секунду, відповідно 1 Мгц – мільйон коливань в секунду. Доречно зауважити, зовсім не обов’язково, що б кожен компонент системи обов’язково що-небудь виконував з кожним тактом. Існують так звані порожні такти (цикли очікування), коли пристрій знаходиться в процесі очікування відповіді від якого або іншого пристрою. Так, наприклад, організована робота оперативної пам’яті і процесора (СPU), тактова частота якого значно вище за тактову частоту ОЗА.
Важливою характеристикою шини є розрядність шини, яка визначається кількістю даних, що паралельно “проходять” через неї. Перша шина ISA для IBM PC була 8-розрядною, тобто по ній можна було одночасно передавати лише 8 біт. Шина ISA – 16-розрядна, а шини введення/виводу VLB і PCI – 32-розрядні. Системні шини сучасних PC на базі процесорів п’ятого і шостого покоління – 64-розрядні.
Наступною характеристикою шини є пропускна спроможність, яка визначається кількістю біт інформації, що передаються по шині за секунду.
Для визначення пропускної спроможності шини необхідно помножити тактову частоту шини на її розрядність. Наприклад, для 16-розрядної шини ISA пропускна спроможність визначається так:
(16 біт х 8,33 Мгц) : 8 = (133,28 Мбіт/с) : 8 = 16.66 Мбайт/с

Системні шини

Системна шина – це набір провідників (металізованих доріжок на материнській платі), по яких передається інформація у вигляді електричних сигналів. Системна шина призначена для обміну інформацією між CPU, пам’яттю та іншими пристроями, що входять в систему. Основною функцією системної шини є передача інформації між базовим мікропроцесором і рештою електронних компонентів комп’ютера. Через цю шину так само здійснюється не тільки передача інформації, але і адресація пристроїв, а також обмін спеціальними службовими сигналами.
Системна шина GTL+(Р6) розроблена корпорацією Intel для процесорів шостого покоління. Розрядність шини – 64 біти, а тактова частота – 66, 100 та 133 Мгц. Пропускна спроможність шини складає 528. 800 і 1,06 Мбайт/с відповідно. Шиною GTL+ підтримуються CPU, модулі оперативної пам'яті, шина РСI і AGP (при їх наявності в системі).
Шина EV6 розроблена компанією Digital Equipment для CPU Alpha 21264. В світі PC вона використовується корпорацією AMD для систем з CPU K-7. Передача інформації здійснюється на обох фронтах сигналу, що дозволяє удвічі збільшити пропускну спроможність шини. Специфікація шини дозволяє підвищити її тактову частоту до 377 Мгц. Шина є каналом взаємодії CPU і Chipset, причому для багатопроцесорних систем кожному CPU виділяється окремий канал. Тому розрядність і тактова частота шини пам’яті не залежать від аналогічних характеристик шини EV6. Оскільки багато сучасних систем “спілкуються” з пам’яттю, минувши CPU, то з’являється можливість використовувати 128-розрядну шину пам’яті, що працює з тактовою частотою. визначуваною характеристикою використовуваних модулів пам’яті.

Шини введення-виведення

До шин введеня-виведення відносять шину ISA, шину VLB (VESA local bus); шину PCI; шину АGР; шину USB; шину FSB та ін. Наведемо коротку характеристику основних шин.
Шина ISA (Industry Standard Architecture ) – промислова стандартна архітектура, вважається “найстарішою” в сіме’ї шин, проте дотепер використовується навіть в новітніх моделях PC. Річ у тому, що є ще безліч периферійних пристроїв, що використовують стандарт ISA (миша, клавіатура, модеми, ручні сканери, FDD і т. п.), для яких швидкодії цієї шини більш ніж достатньо. Основна проблема шини ISA полягає у тому, що при оптимальній тактовій частоті процесорів 80386 і 80486 вона є як би “шийкою пляшки” (Boutleneck – вузьке місце), оскільки дані не можуть передаватися через шину з тією ж швидкістю, з якою їх обробляє CPU. Тому процесор в очікуванні даних вимушений простоювати (цикл очікування). Це і з’явилося причиною появи шин інших стандартів.
Шина VLB (VESA local bus) – локальна шина, що електрично виходить безпосередньо на контакти мікропроцесора, тобто це шина процесора. Вона зазвичай об’єднує процесор, пам’ять, схеми буферизації для системної шини та її контролер, а також деякі інші допоміжні схеми.
Перевагою VLB є висока швидкість обміну інформації (шина могла працювати в системі з процесором 80486DX-50). Але виникає залежність від частоти роботи процесора (конструювання плат з широким частотним діапазоном). Електричне навантаження не дозволяє підключати більше трьох плат (на практиці часто дві). Крім того, VLB не розрахована на використання з процесорами, що прийшли на заміну 486-у або що паралельно існували з ними: Alpha, PowerPC тощо. Тому в середині 1993 року з асоціації VESA вийшли ряд виробників на чолі з Intel. Ці фірми створили спеціальну групу для розробки нового альтернативного стандарту, названого Peripheral Component Interconnect (PCI).
Шина PCI (Peripheral Component Interconnect) була розроблена фірмою Intel для свого нового високопродуктивного процесора Pentium. Основоположним принципом, встановленим в основу шини PCI, є застосування так званих мостів (Bridges), які здійснюють зв’язок між шиною PCI і іншими шинами (наприклад, PCI to ISA Bridge).
У сучасних материнських платах тактова частота шини PCI задається як половина тактової частоти системної шини, тобто при тактовій частоті системної шини 66 Мгц шина PCI працюватимуть на частоті 33 Мгц, при частоті системної шини 75 Мгц – 37,5 Мгц.
Шина PCI не є локальною, а відноситься до класу mezzanine bus, оскільки має між собою і локальною шиною процесора спеціальний вузол – узгоджуючий міст. При цьому стандарт PCI передбачає використання контролера, який піклується про розділення управляючих сигналів шини та процесора, і здійснює арбітраж по шині PCI, а також акселератор. Це робить шину процесорно-незалежною.
Важливою особливістю шини PCI є те, що в ній реалізований принцип Bus Mastering, який має на увазі здатність зовнішнього пристрою при пересилці даних управляти шиною (без участі CPU). Під час передачі інформації пристрій, що підтримує Bus Mastering, захоплює шину та стає головним. При такому підході центральний процесор звільняється для виконання інших задач, поки відбувається передача даних.
Стандарт PCI передбачає кілька способів підвищення пропускної спроможності. Один з них – блокова передача послідовних даних (наприклад графіка, дискові файли), що не вимагає часу на встановлення адреси кожного елементу. Більш того, акселератор може накопичувати інформацію у буферах, що забезпечує одночасний з читанням даних з пам’яті блоковий обмін з периферійним пристроєм. Другий спосіб прискорення передачі – мультиплексування – передбачає передачу послідовних даних через адресні лінії, що подвоює пропускну спроможність шини. Шина PCI використовує встановлення переривань за рівнем, що робить її надійнішою та більш привабливою, на відміну від VLB. Ще одна відмінність – PCI працює на 33 Мгц, незалежно від частоти процесора. Теоретично пропускна спроможність шини 132 Мбайт/с. Реальна ж пропускна спроможність дещо більша половини від теоретичної. Стандарт PCI передбачає і 64-розрядну версію. Для 32-розрядної шини PCI використовується 124-контактний роз’єм, причому в ньому передбачені ключі та контакти, призначені для оцінки необхідного для роботи плати розширення напруги живлення (5В або 3,3В).
Шина AGP (Advanced Graphic Port) – це локальна високошвидкісна шина введення/виводу, призначена винятково для потреб відеосистеми. Вона пов’язує відеоадаптер (3 D-акселератор) з системною пам’яттю PC, тому на материнській платі є тільки один роз’єм (слот) AGP. Шина AGP була розроблена на основі архітектури шини PCI, тому вона також є 32-розрядною. Разом з тим, у неї є ряд важливих відмінностей від шини PCI, що дозволяють у декілька разів збільшити пропускну спроможність:
використовування вищих тактових частот (режими 2, 4);
демультиплексування (режим sba);
пакетна передача даних;
режим прямого виконання в системній пам’яті (DiME).
Специфікація периферійної шини USB (Universal Serial Bus) розроблена для підключення периферійних пристроїв поза корпусом ПК. Шина USB підтримує технологію Plu&Play. Швидкість обміну інформацією по шині USB складає 12 Мбіт/с. На нових материнських платах є спеціальний роз’єм для підключення концентратора USB (USB-Hab). К комп’ютерам, обладнаним шиною USB, можна під’єднувати периферійні пристрої (клавіатуру, мишу, джойстик, принтер та ін.), не вимикаючи живлення. Як тільки пристрій буде підключений, автоматично здійснюється його конфігурація. Всі периферійні пристрої повинні бути обладнані роз’ємами USB, і підключатися до ПК через окремий виносний блок, іменований USB-хабом або концентратором, за допомогою якого до ПК можна підключити до 127 периферійних пристроїв.
PCI Express, або PCIe, або PCI-E – комп’ютерна шина, що використовує програмну модель шини PCI і високопродуктивний фізичний протокол, заснований на послідовній передачі даних. Розвитком стандарту PCI Express займається організація PCI Special Interest Group. Розробка стандарту PCI Express була почата фірмою Intel після відмови від шини InfiniBand. Офіційно перша базова специфікація PCI Express з’явилася в липні 2002 року.
На відміну від шини PCI, що використала для передачі даних загальну шину, PCI Express, в загальному випадку, є пакетною мережею з топологією типу зірка, пристрої PCI Express взаємодіють між собою через середовище, утворене комутаторами, при цьому кожен пристрій безпосередньо зв’язаний з’єднанням типу крапка-крапка з комутатором.
Крім того, шиною PCI Express підтримується:
гаряча заміна карт;
гарантована смуга пропускання (QoS);
управління енергоспоживанням;
контроль цілісності переданих даних.
Шина PCI Express націлена на використання тільки як локальна шина. Оскільки програмна модель PCI Express багато в чому успадкована від PCI, то існуючі системи і контроллери можуть бути допрацьовані для використання шини PCI Express заміною тільки фізичного рівня, без доопрацювання програмного забезпечення.
Єдина специфікація PCI-Express (PCI-E) припускає декілька стандартів роз’ємів, які замінять на материнських платах як безнадійно застарілий PCI, так і графічний порт AGP, що також наблизився до межі своїх технологічних можливостей. Така сумісність стала доступною завдяки модульному принципу побудови роз’єму. Будь-який слот PCI-Express включає базовий набір службових контактів і певну кількість однакових шин із швидкістю передачі даних 256 Mbps в обидві сторони. Число шин вказане в назві стандарту і дозволяє визначити підсумкову пропускну спроможність роз’єму. Стандарт 1х має один набір контактів і відповідно пропускну спроможність 256 Mbps. Такої швидкості з лишком вистачить для будь-якої карти розширення в домашньому ПК, окрім відеокарт, тому базовий роз’єм позиціонується як заміна PCI. Стандарти 2х, 4х і 8х передбачені для серверів, де може виникнути потреба в швидших інтерфейсах. Роз’єм PCI-Express 16x призначений для відеокарт, його пропускна спроможність (256Ч16) = 4096 Mbps, тобто у вісім разів більше, ніж у AGP 8X. Він назад сумісний з рештою варіантів PCI-Express (1x, 4x, 8x) і дозволяє встановлювати будь-які PCI-E-карти. Таким чином, за наявності інтегрованого відео можна використовувати відео роз’єм для установки будь-якої іншої плати. Також PCI-Express підтримує “гаряче” підключення пристроїв.
Зараз саме у зв’язку з відео-картами найчастіше згадують стандарт PCI-Express. І це недивно – характеристики порту AGP вже не задовольняють розробників. Наприклад, його пропускної спроможності не вистачає на оцифрування відео в стандарті HDTV, який поступово завойовує популярність у користувачів. Тому виробники графічних чипів активно підтримали ініціативу впровадження PCI-Express.

Контрольні запитання

Навести визначення шини.
Навести визначення порту.
Навести визначення інтерфейсу.
Класифікація шин в залежності від типу даних, що передаються по ним
Описати шину даних.
Описати шину адреси.
Описати шину управління.
Як розрізняють шини по функціональному призначенню?
Описати архітектуру шини.
Описати основні характеристики комп’ютерних шини.
Як визначається пропускна спроможність комп’ютерної шини?
Які функції виконує системна шина?
Які шини відносяться до шин вводу-виводу?
Описати шину ISA.
Описати шину PCI.
У чому полягає особливість шини АGР?
Описати шину USB.
Навести визначення USB-хаба.
Описати шину VLB.
Описати шину PCI-Express.




ТЕМА №4

ПРИНЦИПИ ФУНКЦІОНУВАННЯ ЖОРСТКОГО ДИСКУ


Будова жорсткого диску

Жорсткі диски (Hard Drive) є основним видом комп’ютерних накопичувачів. На жорсткий диск встановлюється операційна система і додатки. Там же зберігаються файли різноманітного типу – від текстових до відео кліпів. Жорсткий диск вважається внутрішнім компонентом комп’ютера.
Жорсткі диски (вінчестери) являють собою надскладну електромеханічну конструкцію, яка оснащена власним процесором, призначеним для інтелектуального керування процесом запису, читання та зберігання інформації. Фактично, вінчестер у сучасному персональному комп’ютері – це спеціалізований комп’ютер, призначений для зберігання даних. Електроніка вінчестера сама визначає, які дані в той чи інший момент можуть знадобитися процесору. За допомогою спеціальних програм постійно контролюється стан механічних елементів вінчестера, і при необхідності дані, яким погрожує випадкове знищення, перезаписуються в інші місця на магнітних дисках, а у випадку появи можливості для катастрофічної відмови механіки вінчестера програма захисту даних самостійно попередить користувача про необхідність заміни жорсткого диску.
Споживацькі якості жорстких дисків:
ємкість (обєм);
використаний інтерфейс;
швидкість обміну даними;
надійність;
гучність;
тепловиділення.
Накопичувач на жорстких магнітних дисках має чотири основні блоки:
пакет дискових пластин на обертаючих вісях;
головки зчитування/запису;
позиціонер (актюатор);
контролер.
Дискова пластина складається з основи та магнітного покриття, на яке записуються дані. Основу виготовлюють з алюмінієвих сплавів, а в останній час з кераміки або скляних компонентів. Магнітне покриття зазвичай виконується з оксиду заліза. Сучасні технології (наприклад, з анти-феромагнітним зв’язком), потребують застосування двох шарів магнітного покриття з прошарком з парамагнітного матеріалу. Більшість електронних компонентів розміщується на печатній платі, яка кріпиться під корпусом. Зазвичай блок електроніки незакритий захисною кришкою, так як вважається, що вінчестер буде розташовуватися у корпусі комп’ютера.
На рис. 7.1. наведена будова жорсткого диску.


















Зверху і знизу кожної пластини є головки для зчитування та запису інформації; вони ковзають уздовж поверхні на дуже близькій відстані, але не торкаються її. Всі головки диску змонтовані в єдиний вузол – вони переміщуються одночасно, приводяться у рух одним механізмом. Головки рухаються від зовнішнього краю пластини (на якому розташована нульова доріжка) до її центра. Таким чином, якщо в жорсткому диску розташовані дві пластини, в ньому зазвичай чотири головки для зчитування/запису інформації – по одній на кожну з чотирьох поверхонь пластин. Разом з даними на диск записані мітки-вказівники, необхідні для пошуку інформації. Ці вказівники включені у формат запису, вони називаються сервосигналами. Дані зберігаються на пластинах у вигляді концентричних доріжок, кожна з яких розділена на сектори по 512 байт, що складаються з горизонтально орієнтованих доменів. Орієнтація доменів в магнітному шарі служить для розпізнання двійкової інформації (0 або 1). Розмір доменів визначає щільність запису даних.
В даний час жорсткі диски виробляють сім компаній: Fugitsu, hitachi, Maxtor, Samsung, Seagate, Toshiba, Western Digital.
Крім внутрішніх, в наш час використовуються зовнішні жорсткі диски, які підключаються до USB-порту. Вони використовуються в основному для обміну даними з цифровими камерами та іншими мобільними пристроями. Через невисоку пропускну здатність цієї шини подібні диски не можуть порівнятися з внутрішніми пристроями.




Принципи роботи накопичувачів на жорстких дисках

У накопичувачах на жорстких дисках дані записуються і прочитуються універсальними головками читання/запису з поверхні магнітних дисків, що обертаються, розбитих на доріжки і сектори (512 байт кожен), як показано на рис. 7.2. У накопичувачах звичайно встановлюється декілька дисків, і дані записуються на обох сторонах кожного з них. У більшості накопичувачів є щонайменше два або три диски (що дозволяє виконувати запис на чотирьох або шести сторонах), але існують також пристрої, що містять до 11 і більш дисків.
























Однотипні (однаково розташовані) доріжки на всіх сторонах дисків об’єднуються в циліндр (рис. 7.3.). Для кожної сторони диска передбачена своя доріжка читання/запису, але при цьому всі головки змонтовані на загальному стрижні, або стійці. Тому головки не можуть переміщатися незалежно один від одного та рухаються тільки синхронно.




















Швидкість роботи того або іншого жорсткого диска залежить від частоти його обертання, швидкості переміщення системи головок і кількості секторів на доріжці. При нормальній роботі жорсткого диска головки читання/записи не торкаються дисків (і не повинні торкатися!). Але при виключенні живлення і зупинці дисків вони опускаються на поверхню. Під час роботи пристрою між головкою та поверхнею диска, що обертається, утворюється дуже малий повітряний зазор (повітряна подушка). Якщо в цей зазор потрапить порошинка або відбудеться струс, головка “зіткнеться” з диском, що обертається “на повному ходу”. Якщо удар буде достатньо сильним, відбудеться поломка головки. Наслідки цього можуть бути різними – від втрати декількох байтів даних до виходу з ладу всього накопичувача. Тому в більшості накопичувачів поверхні магнітних дисків легують і покривають спеціальними мастилами, що дозволяє пристроям витримувати щоденні “зльоти ” і “приземлення ” головок, а також серйозніші потрясіння.
Принцип роботи магніто-резистивної головки (MR) при зчитуванні даних міститься у помітному змінені опору протікаючому електричному струму при зміні напруженості магнітного поля. Елемент зчитування головки представляє собою надтонку плівку зі спеціального матеріалу, який змінює опір в залежності від орієнтації магнітних доменів на поверхні обертаючого диску. Орієнтація доменів визначається тим, який біт (0 або 1) записаний в даний момент.
Канал зчитування даних безперервно пропускає струм через головку, і тому зміна опору плівки миттєво регіструється. Дані надходять у спеціальний компаратор, який кінцево визначає, який біт був зчитаний, і далі направляє сформований сигнал нуля або одиниці.
Опір плівки, який знаходиться в магніто-резистивній головці, має певну залежність від температури нагрівання. У нормальних умовах, при оберненому до робочих обертів диску, повітряний потік при піднімає головку над диском і вона парить на відстані в декілька мікрометрів над гладкою поверхнею. Якщо ж всередину диска потраплять частки розміром, що дорівнюють розміри зазору між головкою і поверхнею, то вони, проносячись з великою швидкістю, торкаються головки і миттєво розігріють її за рахунок тертя. Такий нагрів різко підвищує опір плівки. Канал зчитування не може вірно інтерпретувати зміну опору, і відбувається збій.
При записі головки здатні намагнічувати маленьку ділянку поверхні диску – таким чином інформація записується (кодується) шляхом зміни поляризації.
Постійний вплив температури завчасно виводить головку з ладу, а частки діють як образив. Здатність головки реагувати на зміну магнітного поля погіршується з часом.
Розрізнити, які технології застосовані в конкретній моделі жорсткого диску, можна по відношенню ємкості та числа пластин. Рекомендуються придбати жорсткі диски з найвищою питомою щільністю – менша кількість пластин спрощує механіку і підвищує надійність роботи, а також знижує вартість.
Для підключення жорстких дисків в комп’ютерах використовуються декілька типів інтерфейсів, зазвичай це інтерфейс IDE (Integrated Drive Electronics), він же – AT-BUS, ATA1 і його модернізації Ultra ATA з різноманітними тактовими частотами, послідовний інтерфейс Serial ATA, інтерфейс SCSI.
Інтерфейс SCSI застосовується, в основному, тільки в серверах. Найбільшого ефекту від застосування інтерфейсу SCSI можна досягнути тільки в багатозадачних операційних системах, коли необхідно одночасно виконувати декілька складних додатків або при масових запитах до даних на пристроях зберігання. Пропускна здатність такого інтерфейсу 160 Мб/с. Однією з переваг SCSI є можливість підключення до комп’ютера значної кількості пристроїв, які вимагають для своєї роботи широкого каналу передачі даних.
Специфікація IDE визначає, що на системній платі встановлений контролер IDE-интерфейсу з двома однаковими каналами, до кожного з яких можна підключити до двох рівноправних пристроїв. Тобто в персональному комп’ютері може одночасно працювати до чотирьох вінчестерів. Для збільшення підключення IDE-пристроїв можна використовувати додаткові плати IDE-контролерів, які встановлюються в слот PCI. Для інтерфейсу IDE використовується кабель з 40-контактними роз’ємами і довжиною не більше 46 см (18 дюймів).
Послідовний інтерфейс Serial ATA звільняє комп’ютер від проблем, які притаманні інтерфейсу IDE. В першу чергу – це співставлення продуктивності та розрядності шини PCI і накопичувачів на жорстких магнітних дисках. Крім того, внутрішній простір в корпусі персонального комп’ютера кардинально вивільниться від двох IDE-шлейфів, які створюють незручності – їх складно підключити, так як приходиться працювати навмання, а великі габарити заважають нормальному охолодженню процесора і мікросхем, встановлених на системній платі тощо. Замість кабелю з 80 провідниками використовується тонкий коаксіальний дріт довжиною до 1 м, по якому дані передаються у вигляді окремих бітів різницею і рівнях напруги усього 0,5 В. В роз’єми живлення запропоновано використовувати 5 ліній. Ще однією перевагою інтерфейсу Serial ATA є те, що зменшилися габарити роз’ємів.
На ринку запропоновані перехідники, які дають змогу користувачами сумісно використовувати пристрої з інтерфейсами IDE і Serial ATA. Тобто можна підключити вінчестер з інтерфейсом Serial ATA до будь-якої старої системної плати, а до системної плати з інтерфейсом Serial ATA підключити традиційний вінчестер.

Доріжки і сектора

Доріжка – це одне “кільце” даних на одній стороні диска. Доріжка запису на диску дуже велика, щоб використовувати її як одиницю зберігання інформації. У багатьох накопичувачах її місткість перевищує 100 тис. байт. Тому доріжки на диску розбивають на нумеровані відрізки, звані секторами.
Кількість секторів може бути різною залежно від густини доріжок і типу накопичувача. Сектори, створені за допомогою стандартних програм форматування, мають місткість 512 байт, але не виключено, що в майбутньому ця величина зміниться. Нумерація секторів на доріжці починається з одиниці, на відміну від головок і циліндрів, відлік яких ведеться з нуля.
При форматуванні диска на початку і кінці кожного сектора створюються додаткові області для запису їх номерів, а також іншої службової інформації, завдяки якій контролер ідентифікує початок і кінець сектора. Це дозволяє відрізняти неформатовану та форматовану місткості диска. Після форматування місткість диска зменшується.
На початку кожного сектора записується його заголовок (або префікс – prefix portion), по якому визначається початок і номер сектора, а в кінці – висновок (або суфікс – suffix portion), в якому знаходиться контрольна сума (checksum), необхідна для перевірки цілісності даних. У більшості нових дисководів замість заголовка використовується так званий запис No-ID, що вміщає в себе більший об’єм даних. Крім вказаних областей службової інформації, кожен сектор містить область даних місткістю 512 байт. При низькорівневому (фізичному) форматуванні всім байтам даних привласнюється деяке значення, наприклад F6h.
Стверджувати, що розмір будь-якого сектора рівний 512 байт, не цілком коректно. Насправді в кожному секторі можна записати 512 байт даних, але область даних – це тільки частина сектора. Кожен сектор на диску звичайно займає 571 байт, з яких під дані відводиться тільки 512 байт. У різних накопичувачах простір, що відводиться під заголовки (header) і висновки (trailer), може бути різним, але, як правило, сектор має розмір 571 байт.
Інформація, яка міститься в заголовках і висновках сектора, не міняється під час звичних операцій запису даних. Змінити її можна, тільки переформатувавши диск.
Жорсткий диск з об’ємом 1 Гбайт (за сучасним мірками – дуже маленький) може в дійсності містити дані об’ємом 1,1 Гбайт. Якщо об’єм складає рівно 1 Гбайт, тоді такий диск може записати інформації не більше 900 Мбайт корисної інформації. Частина, що залишилася, може використовуватися комп’ютером для вмісту додаткової інформації. Не існує строгого правила, що дозволяє точно визначити реальний об’єм жорсткого диску.

Форматування дисків

Форматування диску необхідне для подальшого використання його комп’ютером. При форматуванні весь об’єм диску структурується. З цією метою система використовує деякі ділянки диску, роблячи на них магнітні мітки, які містять керуючу інформацію. Крім того, під час форматування задіяні спеціальні електричні схеми жорсткого диску, здатні знаходити пошкоджені сектори, в яких інформації зберігатися не може. Така електрична схема визначає сбійні ділянки, а потім вносить їх адреси в загальну таблицю, з якої буде звірятися жорсткий диск і його контролер при записі даних. В результаті службова інформація може займати до 10% початкового об’єму диска. Тобто для корисної інформації залишається близько 90% фізичного об’єму.
Розрізняють два види форматування диска:
фізичне, або форматування низького рівня;
логічне, або форматування високого рівня.
Форматування жорсткого диска виконується в три етапи:
Форматування низького рівня.
Організація розділів на диску.
Форматування високого рівня.
Форматування низького рівня. В процесі форматування низького рівня доріжки диска розбиваються на сектори. При цьому записуються заголовки та висновки секторів (префікси і суфікси), а також формуються інтервали між секторами та доріжками. Область даних кожного сектора заповнюється фіктивними значеннями або спеціальними тестовими наборами даних.
Один із способів підвищення місткості жорсткого диска полягає у розділенні зовнішніх циліндрів на більшу кількість секторів в порівнянні з внутрішніми циліндрами. Теоретично зовнішні циліндри можуть містити більше даних, оскільки мають велику довжину кола. Проте в накопичувачах, що не використовують метод зонного запису, всі циліндри містять однакову кількість даних, не дивлячись на те що довжина кола зовнішніх циліндрів може бути удвічі більше, ніж внутрішніх. При зонному записі циліндри розбиваються на групи, які називаються зонами, причому у міру просування до зовнішнього краю диска доріжки розбиваються на все більше число секторів. У всіх циліндрах, що відносяться до однієї зони, кількість секторів на доріжках однакова. Можлива кількість зон залежить від типу і запису даних на зовнішніх доріжках виявляється вище, ніж на внутрішніх).
Метод зонного запису був прийнятий виробниками жорстких дисків, що дозволило підвищити місткість пристроїв на 20-50% в порівнянні з накопичувачами, в яких число секторів на доріжці є фіксованим. На сьогоднішній день зонний запис використовується майже у всіх накопичувачах IDE і SCSI.
Організація розділів на диску. При розбитті диска на області, звані розділами, в кожній з них може бути створена файлова система, відповідна певній операційній системі.
Файлова система – це методи і структури даних, які використовуються операційною системою для зберігання файлів на диску або його розділі. Перед тим, як розділ або диск можуть бути використані як файлова система, він повинен бути ініціалізований, а необхідні дані перенесені на цей диск. Цей процес називається створенням файлової системи.
Сьогодні в роботі операційних систем сімейства Windows частіше за інших використовується три файлові системи:
FAT (File Allocation Table – таблиця розміщення файлів). У розділах FAT під DOS допустима довжина імен файлів – 11 символів (8 символів власне імені і 3 символи розширення), а об’єм тому (логічного диска) – до 2 Гбайт.
FAT32 (File Allocation Table, 32-bit – 32-розрядна таблиця розміщення файлів). У таблицях FAT 32 осередкам розміщення відповідають 32-розрядні числа. При такій файловій структурі об’єм тому (логічного диска) може досягати 2 Тбайт (2 048 Гбайт).
NTFS (Windows NT File System – файлова система Windows NT). Довжина імен файлів може досягати 256 символів, а розмір розділу (теоретично) – 16 Ебайт (16x10 байт). NTFS забезпечує додаткові можливості, що не надаються іншими файловими системами, наприклад засоби безпеки.
У більшої частини файлових систем UNIX схожа структура, а їх деякі особливості дуже мало розрізняються. Основними поняттями є: суперблок, індексний дескриптор (inode), блок даних, блок каталогу та непрямий блок. У суперблоці міститься інформація про файлову систему в цілому, наприклад, її розмір (точна інформація залежить від типу файлової системи). У індексному дескрипторі зберігається вся інформація про файл, окрім його імені. Ім’я файлу зберігається в блоці каталогу, разом з номером дескриптора. Запис каталогу містить ім’я файлу і номер індексного дескриптора відповідного файлу. У цьому дескрипторі зберігаються номери декількох блоків даних, які використовуються для зберігання самого файлу. У inode є місце тільки для декількох номерів блоків даних, проте, якщо потрібна більша кількість, то простір для покажчиків на блоки даних динамічно виділяється. Такі блоки називаються непрямими. Для того, щоб знайти блок даних, потрібно спочатку знайти його номер в непрямому блоці.
Linux підтримує декілька типів файлових систем. Найбільш важливі з них розглянуті нижче.
Minix. Вважається найстарішою і найнадійнішою файловою системою, але достатньо обмеженою в своїх можливостях (у файлів відсутні деякі тимчасові параметри, довжина імені файлу обмежена 30-у символами) і доступних об’ємах (максимум 64 Мб на одну файлову систему).
Xia. Модифікована версія системи minix, в якій збільшена максимальна довжина імені файлу і розмір файлової системи, хоча вона не реалізує ніяких нових можливостей.
ext2. Найбільш багата функціональними можливостями файлова система з сімейства сумісних з Linux. На даний момент вважається найпопулярнішою системою. Вона розроблена з урахуванням сумісності з подальшими версіями, тому для установки нової версії коду системи не потрібно встановлювати її наново.
Ext. Попередня версія системи ext2, не сумісна з подальшими версіями. В даний час вона дуже рідко включається в пакети нових систем, що поставляються, оскільки більшість користувачів зараз користуються системою ext2.
Msdos. Забезпечується сумісність з системою MS-DOS (а також OS/2 і Windows NT).
При форматуванні високого рівня (логічному форматуванні) створюється певна структура файлів, яку в подальшому використовує операційна система для впорядковування даних, які зберігаються на диску. Одним з найважливіших елементів, що характеризують файлову систему, являється розмір кластера (одиничного блоку) – мінімальна одиниця дискового простору, яка може бути виділена для розміщення файлу і яка використовується операційною системою при індексації диску (тобто формування адресного простору на жорсткому диску).

Характеристики жорстких дисків

Звичайно якість жорстких дисків оцінюють за наступними критеріями:
надійність;
швидкодія;
протиударна підвіска;
вартість.
Швидкодію жорсткого диску визначають чотири основні фактори:
час пошуку;
запізнення;
розмір буфера;
швидкість передачі даних.
Запізнення – середній час, який витрачається на те, щоб диск, обертаючись, розмістив потрібний сектор з даними напроти магнітних головок. Цей параметр напряму пов’язаний зі швидкістю обертання жорсткого диску.
Розмір буфера даних. Буфер – власний блок пам’яті жорсткого диску, в який надходять на тимчасове зберігання дані, призначення для передачі на інший пристрій. Він необхідний для компенсації різниці к швидкостях, з якими різні пристрої можуть обмінюватися даними.
Швидкість передачі даних – швидкість, з якою зібрана на диску інформація передається в шину комп’ютера або навпаки – надходить з шини на жорсткий диск.
Швидкодія вінчестера – запис і зчитування інформації – залежать від багатьох факторів, які визначаються конструкцією вінчестера, схемотехнікою його контролера, роботою інтерфейсу передачі даних. Наприклад, швидкість доступу до інформації залежить від геометрії дискового простору – розподілення секторів по доріжкам і бокам дисків, так як жорсткий диск – це механічний пристрій, у якого рухомі частини володіють значною інерцією. Цей параметр залежить від швидкості обертання пластин диску, яка складає 54007200 об/хв. Для бюджетних моделей і до 15000 – для дорогих дисків.
Час доступу (accesstime) – час від початку операції читання до моменту, коли починається читання даних.
Час пошуку (seektime) – час, який необхідний для розташування головок у потрібну позицію (на доріжку, де будуть виконуватися операції читання/запису даних). Цей показник може змінюватися в залежності від відстані між магнітною головкою та заданою доріжкою до того, як головка почне рухатися до неї. Наприклад, перехід до сусідньої доріжки займе набагато менше часу, чим перехід від самої першої (і самої крайньої) доріжки до самої останньої.
Середній час пошуку (averageseektime) – усереднений час, необхідний для встановлення головок на випадково задану доріжку.
Час пошуку при переході на сусідній трек (track-to-trackseektime) – час переходу головок з 1-ї доріжки на 2-у і т.д.

Контрольні запитання

Назвіть призначення жорсткого диску.
Перерахувати споживацькі якості жорстких дисків.
Опишіть будову жорсткого диску.
Опишіть процес запису/зчитування інформації на жорсткий диск.
Що таке доріжка?
Що таке сектор?
Які типи форматування жорсткого диску ви знаєте?
Охарактеризувати низький рівень форматування.
Охарактеризувати розбивку жорсткого диску на розділи.
Охарактеризувати високий рівень форматування.
Перерахувати і описати характеристики жорстких дисків.


ТЕМА 5

ПРИВОДИ СDROM І DVDROM


Компакт-диски та пристрої для роботи з ними

CD (компакт-диск) – це диск діаметром 120 мм, виготовляється з полімерів і покритий металевою плівкою, звично сплавом на основі алюмінію. Інформація прочитується саме з цієї металевої плівки, яку додатково покривають шаром прозорого полімеру, який захищає дані від механічного пошкодження. Зверху диска звичайно розміщують етикетку, а з нижньої частини виробляють зчитування інформації. Таким чином компакт-диск є одностороннім носієм інформації. Абревіатура CD-ROM розшифровується як Compact Disk Read Only Memory, тобто, в назві відбита важлива особливість компакт-диск диска як носія інформації.
Глибина кожного штриха на CD-диску рівна 0,12 мкм, ширина – 0,60 мкм. Штрихи розташовані у вигляді спіральної доріжки, відстань між сусідніми витками якої складає 1,60 мкм, що відповідає густині 16 тис. витків на дюйм, або 625 витків на мм (рис. 8.1.). Довжина штрихів уздовж доріжки запису може коливатися 0т 0,9 мкм до 3,3 мкм. Доріжка починається на деякій відстані від центрального отвору диска та закінчується приблизно в 5 мм від краю диска.
Запис на компакт-диск здійснюється одноразово та полягає в нанесенні на чисту поверхню алюмінієвого шару відповідного малюнка штрихів. Такий запис здійснюється або випалюванням за допомогою лазерного променя, або шляхом штампування. Оскільки записану поверхню вже неможливо повернути в початковий стан, то і здійснити перезапис інформації на компакт-диск не можна.
Дані на компакт-дисках записуються з використанням технології CLV (Constant Linear Velocity – запис з постійною лінійною швидкістю). Це означає, що запис і відтворення даних з компакт-диска відбуваються з постійною лінійною швидкістю переміщення доріжки щодо зчитуючого пристрою. Іншими словами, при зчитуванні інформації з внутрішніх доріжок диск повинен обертатися швидше, а при зчитуванні із зовнішніх -повільніше. Цей спосіб застосовується тому, що спочатку компакт-диски були призначені для відтворення звуку, при якому потрібна постійна швидкість зчитування даних. У зв’язку з цим спіраль компакт-диска розбивається на блоки (сектори), частота проходження яких при записі і відтворенні складає 75 блоків секунду. Це означає, що при повному часі зчитування, рівному 74 мін, на диску розташовується 333 тис. блоків (секторів).
Зчитування інформації з диска відбувається за рахунок реєстрації змін інтенсивності відображеного від алюмінієвого шару випромінювання малопотужного лазера. Приймач (фотодатчик) визначає, чи відбився промінь лазера від гладкої поверхні, або був розсіяний/поглинутий. Розсіювання або поглинання променя відбувається у тих місцях, де в процесі запису на диск були нанесені поглиблення (штрихи). Сильне відбиття відбувається в тих областях диску, де таких штрихів немає. Фотодатчик сприймає лазерний промінь, відбитий від поверхні диска, потім ці сигнали поступають в мікропроцесор зчитуючого пристрою, там вони перетворяться в двійкові дані.
Якщо на компакт-диску (звуковому або інформаційному) необхідно відшукати місце запису певних даних, то його координати заздалегідь прочитуються із змісту диска, після чого зчитуючий пристрій переміщається до потрібного витка спіралі і чекає появи певної послідовності бітів.

Характеристика пристрою CDROM Drive

Принцип роботи CDROM Drive поданий на рисунку 8.2.














Напівпровідниковий лазер (4) генерує малопотужний лазерний промінь, який потрапляє на дзеркало, що відображає. Двигун, керований мікропроцесором CDROM Drive зміщує рухому каретку (6) з дзеркалом, що відображає, і фокусуючою лінзою (7) до потрібної доріжки компакт-диска (1). Промінь лазера фокусується на поверхні CDROM за допомогою лінзи, а потім лінза фокусує відображений від поверхні диска промінь. Цей промінь за допомогою оптичної системи (5) подається на фотоприймач (3), який перетворить прийняті світлові імпульси в електричні, які потім відповідним чином розшифровуються контролером (2) і передаються в комп'ютер у вигляді цифрових даних.
У CDROM Drive є декілька проблем у використанні. Типова проблема – пристрій розкручує диск (це добре чутно), але прочитати нічого не може. Відповідно, проблема цілком імовірно лежить, десь у області оптики пристрою. Типові рекомендації такі: слід розібрати Drive і переконатися в тому, що фокусуюча лінза, розташована під диском, не забруднена. У разі забруднення, її слід украй обережно протерти м’яким пензликом. Також може бути забруднена поверхня втулки, яка обертає диск. Її теж необхідно очистити. Нерідко після цього працездатність пристрою повністю відновлюється. У випадку якщо це не допоможе, є інша рада. Нечитаність дисків, особливо для зношеного пристрою, може пояснюватися тим, що напівпровідниковий лазер “постарів” і не дає нормального пучка світла. У такому разі ще рано викидати Drive або лазерну голівку, можна спробувати виправити ситуацію, піднявши струм в напівпровідниковому лазері. На лазерному діоді звичайно є крихітний змінний резистор з підрядковою головкою. Покрутивши підрядкову голівку, можна збільшити струм в лазерному діоді. Звичайно невідомо, в яку сторону крутити, за або проти годинникової стрілки. Доведеться спробувати покрутити в обидві сторони. Якщо при обертанні в один бік, Drive не починає краще читати, то потрібно спробувати змінити напрям обертання. Нерідко такий метод допомагає, проте не варто захоплюватися дуже сильним струмом – це приводить до додаткового навантаження на лазерний діод. Якщо жоден з цих двох методів не допоміг CDROM Drive, то його варто віддати в ремонт.
Всі розглянуті вище пристрої підключаються абсолютно аналогічно жорсткому диску. Вони використовують розглянутий вище інтерфейс IDE, підтримують ті ж режими PIO 1,2,3,4, UDMA 33,66,100. Для підключення цих пристроїв застосовують ті ж 40-контактні (40 або 80 жильні) кабелі, так само підтримується по два пристрої на кабель, так само необхідно встановити на кожному пристрої перемички, що підключається, в положення Master і Slave. При чому можна підключати на один кабель і жорсткі диски, і перераховані пристрої оптичного зберігання даних.
Нові пристрої CD-ROM використовують диски, записані із застосуванням технології CLV, але відтворюють їх з постійною кутовою швидкістю – САV (Constant Angular Velocity). При цьому доріжка з даними прочитується лазером з різною швидкістю, залежно від фізичного розташування на диску (внутрішня або зовнішня). Цей тип накопичувачів прочитує доріжки на краю диска швидше, ніж в центрі, оскільки диск обертається з постійною швидкістю.

CD і DVD диски

Пристрої, які дозволяють здійснювати запис на лазерні CD-диски, називаються CD-R Drive (CD Recordable, що записує на CD пристрій), а сам диск, на який проводиться запис, називається просто CD-R. Чистий CD-R не має на своїй поверхні жодного поглиблення, він є чистою поверхнею. При записі на цій поверхні лазерний промінь записуючого пристрою випалює поглиблення, проводячи, таким чином, запис інформації. CD не застосовують алюмінієві диски, матеріал підкладки золото. Зрозуміло, одного разу записавши інформацію на такий диск, її не можна стерти або змінити, оскільки при записі шар золота незворотно змінюється. Пристрій CD-R Drive здатний читати як інформацію, записану на золотих, так і на звичайних алюмінієвих дисках. Швидкість таких пристроїв маркують зазвичай двома числами, наприклад 4х/24х : запис проводиться на 4х швидкості, читання – на 24х. Запис на швидкостях вище 16х звичайно неможливийі сьогодні, оскільки при записі на дуже високій швидкості диск сильно розігрівається та розширюється, що приводить до неточного запису, який буде важко або неможливо прочитати. Крім одноразово записуваних CD-R, існують і багато разів перезаписувані CD-RW (CD ReWritable). Диск CD-RW має активний шар із сплаву Ag-In-Sb-Te (срібло-індий-сурьма-телур). Такий шар при нагріванні до 500-700°С розплавляється, втрачаючи властивості, що відображають, таким чином можна здійснити запис інформації. При нагріванні ж до температури біля 200°С здібності шару, що відображають, відновлюються, таким чином запис на такий носій можна проводити багато разів. Відповідно, пристрої запису на CD-RW можуть ще, і записувати звичайні золоті диски, і, зрозуміло, читають звичайні алюмінієві. Пристрій маркують вже трьома швидкостями, наприклад: 4х/10х/32х, що означає перезапис на 4х швидкості, запис на золото на 10х швидкості, читання на 32х швидкості.
Сучасний компакт-диск – цифровий універсальний диск, званий DVD (Digital Versatile Disk). Це новий стандарт, який значно збільшує об’єм інформації на диску. Головна проблема сучасної технології CD-ROM полягає в тому, що вона жорстко обмежена об’ємом пам’яті диска. Диск CD-ROM може містити максимум 700 Мбайт даних, і хоча це дуже великий об’єм, але його виявляється недостатньо для багатьох нових додатків, особливо для тих, в яких використовується відео.
Стандарт DVD створювався доволі цікаво. Протягом 1995 роки два конкуруючих стандарту CD-ROM великої місткості почали боротьбу за ринок майбутнього. Стандарт Multimedia CD був представлений компаніями Sony і Philips, а конкуруючий стандарт Super Density (SD) - компаніями Toshiba, Time Wamer і деякими іншими. Якби обидва ці стандарти вийшли на ринок в першоствореному вигляді, то споживачі, а також виробники програмного забезпечення опинилися б в скрутному положенні: який з них вибрати? Щоб уникнути цього, декілька організацій, включаючи Hollywood Video Disc Advisory Group і Computer Industry Technical Working Group, об’єдналися та зажадали створити єдиний стандарт, не підтримуючи обидва стандарти конкурентів. Це спонукало групи розробників у вересні 1995 року створити єдиний новий стандарт CD-ROM великої місткості. Новий стандарт був названий DVD і суміщав в собі елементи своїх попередників, тобто в його обличчі був одержаний уніфікований стандарт як для комп’ютерних технологій, так і для індустрії відео. Спочатку DVD розшифровували як цифровий відеодиск (Digital Video Disc), але пізніше перейменували в цифровий універсальний диск “Digital Versatile Disc).
Специфікація DVD. Відповідно до стандарту DVD-диск є одностороннім, одношаровим диском, який містить 4,7 Гбайт інформації. Новий диск має такий же діаметр, як сучасні компакт-диски, проте він в два рази тонше (0,6 мм). Застосовуючи стиснення за стандартом MPEG-2, на новому диску можна розмістити 135 хвилин відео – повномірний повноекранний фільм з повною кількістю кадрів, з трьома каналами якісного звуку і чотирма каналами субтитрів. Значення місткості диска не випадково: стандарт створювався під егідою кіноіндустрії, яка давно шукала недорогу та надійну заміну відеокасетам. Для збільшення місткості DVD-диска можна змінювати такі параметри (у зазначеному переліку перше число – відносний виграш у порівнянні з CD-дисками, далі – значення):
зменшувати довжину штриха (~2,08х, від 0,972 до 0,4 мкм);
зменшувати відстань між доріжками (~2,1х, від 1,6 до 0,74 мкм);
збільшувати область даних (~1,02х, від 86 до 87,6 см2);
підвищувати ефективність коду корекції помилок (~1,32х);
зменшувати сектори (~1,06х, від 2 048/2 352 до 2 048/2 060 байт).
У накопичувачі DVD використовується лазер з меншою довжиною хвилі, що дозволяє прочитувати коротші штрихи (рис. 8.3.).














Пристрої DVD відрізняються швидкістю зчитування даних. Стандартна швидкість 1,3 Мбайт/с, що приблизно еквівалентна накопичувачу 9х СDROM. Час доступу складає близько 100-150 мс. На сьогодні доступні накопичувачі DVD 16х. Накопичувачі DVD повністю сумісні з попередніми стандартами, можуть прочитувати дані із звичайних CD-ROM і програвати аудіодиски.
Існують наступні структурні типи DVD:
1. Single Side/Single Layer DVD-5 (Single-sided, single-layer disc) (односторонній/одношаровий): це найпростіша структура DVD диска. На такому диску можна розмістити до 4.7 Гб даних. До речі, ця місткість в 7 разів більше місткості звичайного звукового CD і CD-ROM диска.
2. Single Side/Dual Layer DVD-9 (Single-sided, double-layer disc) (односторонній/ двошаровий) (рис. 8.4.): цей тип дисків має два шари даних, один з яких напівпрозорий. Обидва шари прочитуються з одного боку і на такому диску можна розмістити 8.5 Гб даних, тобто на 3.5 Гб більше, ніж на односторонньому/ одношаровому диску.
3. Double Side/Single Layer DVD-10 (Double-sided, single-layer disc) (двосторонній/ одношаровий): на такому диску поміщається 9.4 Гб даних (по 4.7 Гб на кожній стороні). Неважко відмітити, що місткість такого диска удвічі більше одностороннього/одношарового DVD диска. Однак, через те, що дані розташовуються з двох сторін, доведеться перевертати диск або використовувати пристрій, який може прочитати дані з обох боків диска самостійно.
4. Double Side/Double Layer DVD-18 (Double-sided, double-layer disc) (двосторонній/двошаровий): структура цього диска забезпечує можливість розмістити на ньому до 17 Гб даних (по 8.5 Гб на кожній стороні).
Декілька компаній анонсували новий формат запису оптичних дисків для запису відео і його базовими специфікаціями. Новий формат був названий "Blu-ray Disc", назва технології дана по довжині випромінювання лазера blue-violet (блакитний/фіолетовый діапазон), який застосовується при роботі з новими дисками. Нові диски стандарту Blu-ray Disc, як і CD/DVD носії, мають діаметр 12 см. Диски Blu-ray дозволять записати на кожен до 50 Гб даних на одну сторону при використанні лазера з довжиною хвилі 405 нм. Наприклад, фірма Toshiba представила на CeBIT 2002 в Ганновері новинку: двосторонній DVD місткістю 110 Гб. Toshiba стверджує, що змогла добитися такої великої місткості завдяки застосуванню, по-перше, короткохвильового (синього) лазера, по-друге, використовуючи подвійний записуваний шар.
Слід додати, що диски такого типу не отримали широкого розповсюдження, оскільки фізичні пристрої для запису-зчитування даних з таких дисків досить дорогі.

Основні відмінності DVD+R(W) і DVD-R(W) дисків

Пройшло вже досить багато років з моменту появи DVD дисків, проте дотепер для багатьох користувачів залишається загадкою, які ж диски краще використовувати: DVD+R(W) або DVD-R(W). Коротко охарактеризуємо кожний з цих типів дисків.
DVD-R(W). Специфікації на вказані диски створені організацією DVD Forum, в яку входять близько 200 різних компаній з Азії, Європи і Америки. Даною організацією розроблені специфікації на DVD-ROM, DVD-RAM і DVD-R(W) диски. DVD-R – це одноразово записувані диски. Вони бувають двох типів: диски загального призначення (general purpose) і диски для авторінгу (authoring). DVD-R загального призначення, на відміну від дисків для авторінгу, містять вбудовану систему захисту від нелегального копіювання. Диски загального призначення можна записувати на звичайному DVD-пристрої. Для запису авторінговых дисків використовуються спеціальні пристрої. Записані таким чином диски не містять захисту від нелегального копіювання і використовуються тільки для подальшого тиражування на заводах. DVD-RW – це формат перезаписуваних DVD дисків. Один DVD-RW носій можна стирати і записувати до 1000 разів. Об’єм даного диска також складає 4,7 Гб.
DVD+R(W). Ці диски розроблені організацією DVD+RW Alliance, до якої увійшли декілька відомих компаній (наприклад Sony, Philips та інші). Специфікації вказаних дисків з’явилися у 2001 (RW) і 2002 (R) році, тобто значно пізніше за своїх конкурентів. Це дозволило розробникам специфікацій формату “плюс”, створити технічно більш довершені носії.
По аналогії з форматом “мінус” дані диски бувають одноразово записуваними (DVD+R) і перезаписуваними (DVD+RW). Один носій DVD+R(W) вміщає також 4,7 Гб інформації. DVD+RW диски підтримують до 1000 циклів перезапису.
Слід зазначити, що формати DVD-R(W) і DVD+R(W) не сумісні. Проте прочитуватися записані диски можуть в більшості сучасних DVD програвачів. Річ у тому, що відмінності форматів позначаються, головним чином, на записі дисків, а не на їх зчитуванні.

Контрольні запитання

Що таке компакт-диск?
Опишіть принцип зчитування інформації з компакт-диска.
Опишіть запис інформації на компакт-диск.
Яка місткість компакт-дисків?
Опишіть фізичний устрій CDROM Drive.
Опишіть пристрої для запису на CD.
Опишіть особливості DVD дисків.
Опишіть специфікацію DVD дисків.
Вкажіть особливості “Blu-ray Disc”.









ТЕМА №6

КОМП’ЮТЕРНІ ШИНИ

План

5.1. Класифікація комп’ютерних шин
5.2. Основні характеристики шини
5.3. Системні шини
5.4. Шини вводу-виводу

Класифікація комп’ютерних шин

Інформація передається по шині у вигляді груп бітів. До складу шини для кожного біта слова може бути передбачена окрема лінія (паралельна шина), або всі біти слова можуть послідовно в часі використовувати одну лінію (послідовна шина).
Лінії (шини) діляться на три групи залежно від типу даних, які передаються:
лінії даних (шина даних ШД);
лінії адреси (шина адреси ША);
лінії управління (шина управління ШУ).
Через шину даних відбувається обмін даними між CPU, картами розширення, встановленими в слоти, і пам’яттю. Особливу роль при цьому виконує режим DMA (Direct Memory Access) – режим обміну даними між пристроями чи ж між пристроєм і основною пам’яттю (RAM) без участі центрального Процесора (ЦП). В результаті швидкість передачі збільшується, оскільки дані не пересилаються в ЦП і назад.
Управління обміном даними в цьому режимі здійснюється відповідним контролером, минувши CPU. DMA-контролер інтегрується в одну з мікросхем Chipset, наприклад 82443ВХ. DMA-контроллер може діставати доступ до системної шини незалежно від центрального процесора. Контроллер містить декілька регістрів, доступних центральному процесору для читання і запису. Регістри контроллера задають порт (який повинен бути використаний), напрям перенесення даних (читання/запис), одиницю перенесення (побайтно/пословно), число байтів, яке слід перенести.
ЦП програмує контроллер DMA, встановлюючи його регістри. Потім процесор дає команду пристрою (наприклад, диску) прочитати дані у внутрішній буфер. DMA-контроллер починає роботу, посилаючи пристрою запит читання (при цьому пристрій навіть не знає, чи прийшов запит від процесора або від контроллера DMA). Адреса пам’яті вже знаходиться на адресній шині, так що пристрій знає, куди слід переслати наступне слово з свого внутрішнього буфера. Коли запис закінчений, пристрій посилає сигнал підтвердження контроллеру DMA. Потім контроллер збільшує використовувану адресу пам'яті і зменшує значення свого лічильника байтів. Після чого запит читання повторюється, поки значення лічильника не стане рівне нулю. Після закінчення циклу копіювання пристрій ініціює переривання процесора, що означає завершення перенесення даних. Контроллер може бути багатоканальним, здатним паралельно виконувати декілька операцій.
Комп’ютери з процесором 80286 мали 16-розрядну шину даних, з CPU 80386 і 80486 – 32-розрядну, а комп’ютери з CPU сімейства Pentium мають вже 64-розрядну шину даних.
Дані, що передаються через адресну шину, трактуються як адреси комірок оперативної пам’яті. Саме з цієї шини процесор зчитує адреси команд, які необхідно виконати, а також дані, із якими оперують команди. Призначення шини адреси полягає у наступному. Процес обміну даними можливий лише у тому випадку, коли відомий відправник і одержувач цих даних. Кожен компонент ПК, кожен регістр введення/виводу і осередок RAM мають свою адресу та входять в загальний адресний простір. Для адресації до якого-небудь пристрою ПК і служить шина адреси, через яку передається унікальний ідентифікаційний код (адреса).
Для прискорення обміну даними використовується пристрій проміжного зберігання даних – RAM, при цьому вирішальну роль має об’єм даних, які можуть тимчасово зберігатися у ній. Об’єм залежить від розрядності адресної шини (числа ліній) і, тим самим, від максимально можливої кількості адрес, що генеруються процесором на адресній шині, іншими словами, від кількості осередків RAM, яким може бути привласнений адреса.
Шина управління. Для успішної передачі даних не достатньо встановити їх на шині даних і задати адресу на шині адреси. Для того, щоб дані були записані в регістри пристроїв, підключених до шини, адреси яких вказані на шині адреси, необхідний ряд службових сигналів: запису/читання, готовності до прийому/передачі даних, підтвердження прийому даних, апаратного переривання, управління та ініціалізації контролера DMA і ін. Всі ці сигнали передаються через шину управління.
Шини в PC розрізняються за своїм функціональним призначенням:
системна шина (або шина CPU) використовується мікросхемами Chipset для пересилки інформації до і від CPU;
шина кеш-пам’яті призначена для обміну інформацією між CPU і кеш-пам’яттю;
шина пам’яті використовується для обміну інформацією між оперативною пам’яттю і CPU.
Архітектура будь-якої шини включає наступні компоненти: лінії для обміну даними (шини даних); лінії для адресації даних (шини адреси); лінії для управління даними (шини управління); контролер шини.
Зовнішні пристрої до шин підключаються за допомогою інтерфейсу.
Інтерфейс – це електричні та тимчасові параметри, набір управляючих сигналів, протокол обміну даними та конструктивні особливості підключення. При цьому обмін даними між компонентами ПК можливий тільки у разі сумісності їх інтерфейсів.
Принцип IBM-сумісності має на увазі стандартизацію інтерфейсів окремих компонентів ПК, що, у свою чергу, визначає гнучкість системи в цілому, тобто можливість у міру необхідності змінювати конфігурацію системи та підключати різні периферійні пристрої. У разі несумісності інтерфейсів (наприклад, інтерфейс системної шини та вінчестера) використовуються контролери.

Основні характеристики шини

До головних характеристик комп’ютерних шин належать тактова частота, розрядність, пропускна спроможність.
Робота будь-якого комп’ютера залежить від тактової частоти, яку визначає кварцовий резонатор. Він є олов’яним контейнером, в який поміщений кристал кварцу. Під впливом електричної напруги в кристалі виникають коливання електричного струму. Ось ця сама частота коливання і називається тактовою частотою. Всі зміни логічних сигналів в будь-якій мікросхемі комп’ютера відбуваються через певні інтервали, які називаються тактами. Звідси зробимо висновок, що найменшою одиницею вимірювання часу для більшості логічних пристроїв комп’ютера є такт або ще по іншому – період тактової частоти. На кожну операцію потрібний мінімум один такт (хоча деякі сучасні пристрої встигають виконати декілька операцій за один такт). Тактова частота персональних комп’ютерів вимірюється у Мгц, де Герц – це одне коливання в секунду, відповідно 1 Мгц – мільйон коливань в секунду. Доречно зауважити, зовсім не обов’язково, що б кожен компонент системи обов’язково що-небудь виконував з кожним тактом. Існують так звані порожні такти (цикли очікування), коли пристрій знаходиться в процесі очікування відповіді від якого або іншого пристрою. Так, наприклад, організована робота оперативної пам’яті і процесора (СPU), тактова частота якого значно вище за тактову частоту ОЗА.
Важливою характеристикою шини є розрядність шини, яка визначається кількістю даних, що паралельно “проходять” через неї. Перша шина ISA для IBM PC була 8-розрядною, тобто по ній можна було одночасно передавати лише 8 біт. Шина ISA – 16-розрядна, а шини введення/виводу VLB і PCI – 32-розрядні. Системні шини сучасних PC на базі процесорів п’ятого і шостого покоління – 64-розрядні.
Наступною характеристикою шини є пропускна спроможність, яка визначається кількістю біт інформації, що передаються по шині за секунду.
Для визначення пропускної спроможності шини необхідно помножити тактову частоту шини на її розрядність. Наприклад, для 16-розрядної шини ISA пропускна спроможність визначається так:
(16 біт х 8,33 Мгц) : 8 = (133,28 Мбіт/с) : 8 = 16.66 Мбайт/с


Системні шини

Системна шина – це набір провідників (металізованих доріжок на материнській платі), по яких передається інформація у вигляді електричних сигналів. Системна шина призначена для обміну інформацією між CPU, пам’яттю та іншими пристроями, що входять в систему. Основною функцією системної шини є передача інформації між базовим мікропроцесором і рештою електронних компонентів комп’ютера. Через цю шину так само здійснюється не тільки передача інформації, але і адресація пристроїв, а також обмін спеціальними службовими сигналами.
Системна шина GTL+(Р6) розроблена корпорацією Intel для процесорів шостого покоління. Розрядність шини – 64 біти, а тактова частота – 66, 100 та 133 Мгц. Пропускна спроможність шини складає 528. 800 і 1,06 Мбайт/с відповідно. Шиною GTL+ підтримуються CPU, модулі оперативної пам'яті, шина РСI і AGP (при їх наявності в системі).
Шина EV6 розроблена компанією Digital Equipment для CPU Alpha 21264. В світі PC вона використовується корпорацією AMD для систем з CPU K-7. Передача інформації здійснюється на обох фронтах сигналу, що дозволяє удвічі збільшити пропускну спроможність шини. Специфікація шини дозволяє підвищити її тактову частоту до 377 Мгц. Шина є каналом взаємодії CPU і Chipset, причому для багатопроцесорних систем кожному CPU виділяється окремий канал. Тому розрядність і тактова частота шини пам’яті не залежать від аналогічних характеристик шини EV6. Оскільки багато сучасних систем “спілкуються” з пам’яттю, минувши CPU, то з’являється можливість використовувати 128-розрядну шину пам’яті, що працює з тактовою частотою. визначуваною характеристикою використовуваних модулів пам’яті.

Шини введення-виведення

До шин введеня-виведення відносять шину ISA, шину VLB (VESA local bus); шину PCI; шину АGР; шину USB; шину FSB та ін. Наведемо коротку характеристику основних шин.
Шина ISA (Industry Standard Architecture ) – промислова стандартна архітектура, вважається “найстарішою” в сіме’ї шин, проте дотепер використовується навіть в новітніх моделях PC. Річ у тому, що є ще безліч периферійних пристроїв, що використовують стандарт ISA (миша, клавіатура, модеми, ручні сканери, FDD і т. п.), для яких швидкодії цієї шини більш ніж достатньо. Основна проблема шини ISA полягає у тому, що при оптимальній тактовій частоті процесорів 80386 і 80486 вона є як би “шийкою пляшки” (Boutleneck – вузьке місце), оскільки дані не можуть передаватися через шину з тією ж швидкістю, з якою їх обробляє CPU. Тому процесор в очікуванні даних вимушений простоювати (цикл очікування). Це і з’явилося причиною появи шин інших стандартів.
Шина VLB (VESA local bus) – локальна шина, що електрично виходить безпосередньо на контакти мікропроцесора, тобто це шина процесора. Вона зазвичай об’єднує процесор, пам’ять, схеми буферизації для системної шини та її контролер, а також деякі інші допоміжні схеми.
Перевагою VLB є висока швидкість обміну інформації (шина могла працювати в системі з процесором 80486DX-50). Але виникає залежність від частоти роботи процесора (конструювання плат з широким частотним діапазоном). Електричне навантаження не дозволяє підключати більше трьох плат (на практиці часто дві). Крім того, VLB не розрахована на використання з процесорами, що прийшли на заміну 486-у або що паралельно існували з ними: Alpha, PowerPC тощо. Тому в середині 1993 року з асоціації VESA вийшли ряд виробників на чолі з Intel. Ці фірми створили спеціальну групу для розробки нового альтернативного стандарту, названого Peripheral Component Interconnect (PCI).
Шина PCI (Peripheral Component Interconnect) була розроблена фірмою Intel для свого нового високопродуктивного процесора Pentium. Основоположним принципом, встановленим в основу шини PCI, є застосування так званих мостів (Bridges), які здійснюють зв’язок між шиною PCI і іншими шинами (наприклад, PCI to ISA Bridge).
У сучасних материнських платах тактова частота шини PCI задається як половина тактової частоти системної шини, тобто при тактовій частоті системної шини 66 Мгц шина PCI працюватимуть на частоті 33 Мгц, при частоті системної шини 75 Мгц – 37,5 Мгц.
Шина PCI не є локальною, а відноситься до класу mezzanine bus, оскільки має між собою і локальною шиною процесора спеціальний вузол – узгоджуючий міст. При цьому стандарт PCI передбачає використання контролера, який піклується про розділення управляючих сигналів шини та процесора, і здійснює арбітраж по шині PCI, а також акселератор. Це робить шину процесорно-незалежною.
Важливою особливістю шини PCI є те, що в ній реалізований принцип Bus Mastering, який має на увазі здатність зовнішнього пристрою при пересилці даних управляти шиною (без участі CPU). Під час передачі інформації пристрій, що підтримує Bus Mastering, захоплює шину та стає головним. При такому підході центральний процесор звільняється для виконання інших задач, поки відбувається передача даних.
Стандарт PCI передбачає кілька способів підвищення пропускної спроможності. Один з них – блокова передача послідовних даних (наприклад графіка, дискові файли), що не вимагає часу на встановлення адреси кожного елементу. Більш того, акселератор може накопичувати інформацію у буферах, що забезпечує одночасний з читанням даних з пам’яті блоковий обмін з периферійним пристроєм. Другий спосіб прискорення передачі – мультиплексування – передбачає передачу послідовних даних через адресні лінії, що подвоює пропускну спроможність шини. Шина PCI використовує встановлення переривань за рівнем, що робить її надійнішою та більш привабливою, на відміну від VLB. Ще одна відмінність – PCI працює на 33 Мгц, незалежно від частоти процесора. Теоретично пропускна спроможність шини 132 Мбайт/с. Реальна ж пропускна спроможність дещо більша половини від теоретичної. Стандарт PCI передбачає і 64-розрядну версію. Для 32-розрядної шини PCI використовується 124-контактний роз’єм, причому в ньому передбачені ключі та контакти, призначені для оцінки необхідного для роботи плати розширення напруги живлення (5В або 3,3В).
Шина AGP (Advanced Graphic Port) – це локальна високошвидкісна шина введення/виводу, призначена винятково для потреб відеосистеми. Вона пов’язує відеоадаптер (3 D-акселератор) з системною пам’яттю PC, тому на материнській платі є тільки один роз’єм (слот) AGP. Шина AGP була розроблена на основі архітектури шини PCI, тому вона також є 32-розрядною. Разом з тим, у неї є ряд важливих відмінностей від шини PCI, що дозволяють у декілька разів збільшити пропускну спроможність:
використовування вищих тактових частот (режими 2, 4);
демультиплексування (режим sba);
пакетна передача даних;
режим прямого виконання в системній пам’яті (DiME).
Специфікація периферійної шини USB (Universal Serial Bus) розроблена для підключення периферійних пристроїв поза корпусом ПК. Шина USB підтримує технологію Plu&Play. Швидкість обміну інформацією по шині USB складає 12 Мбіт/с. На нових материнських платах є спеціальний роз’єм для підключення концентратора USB (USB-Hab). К комп’ютерам, обладнаним шиною USB, можна під’єднувати периферійні пристрої (клавіатуру, мишу, джойстик, принтер та ін.), не вимикаючи живлення. Як тільки пристрій буде підключений, автоматично здійснюється його конфігурація. Всі периферійні пристрої повинні бути обладнані роз’ємами USB, і підключатися до ПК через окремий виносний блок, іменований USB-хабом або концентратором, за допомогою якого до ПК можна підключити до 127 периферійних пристроїв.
PCI Express, або PCIe, або PCI-E – комп’ютерна шина, що використовує програмну модель шини PCI і високопродуктивний фізичний протокол, заснований на послідовній передачі даних. Розвитком стандарту PCI Express займається організація PCI Special Interest Group. Розробка стандарту PCI Express була почата фірмою Intel після відмови від шини InfiniBand. Офіційно перша базова специфікація PCI Express з’явилася в липні 2002 року.
На відміну від шини PCI, що використала для передачі даних загальну шину, PCI Express, в загальному випадку, є пакетною мережею з топологією типу зірка, пристрої PCI Express взаємодіють між собою через середовище, утворене комутаторами, при цьому кожен пристрій безпосередньо зв’язаний з’єднанням типу крапка-крапка з комутатором.
Крім того, шиною PCI Express підтримується:
гаряча заміна карт;
гарантована смуга пропускання (QoS);
управління енергоспоживанням;
контроль цілісності переданих даних.
Шина PCI Express націлена на використання тільки як локальна шина. Оскільки програмна модель PCI Express багато в чому успадкована від PCI, то існуючі системи і контроллери можуть бути допрацьовані для використання шини PCI Express заміною тільки фізичного рівня, без доопрацювання програмного забезпечення.
Єдина специфікація PCI-Express (PCI-E) припускає декілька стандартів роз’ємів, які замінять на материнських платах як безнадійно застарілий PCI, так і графічний порт AGP, що також наблизився до межі своїх технологічних можливостей. Така сумісність стала доступною завдяки модульному принципу побудови роз’єму. Будь-який слот PCI-Express включає базовий набір службових контактів і певну кількість однакових шин із швидкістю передачі даних 256 Mbps в обидві сторони. Число шин вказане в назві стандарту і дозволяє визначити підсумкову пропускну спроможність роз’єму. Стандарт 1х має один набір контактів і відповідно пропускну спроможність 256 Mbps. Такої швидкості з лишком вистачить для будь-якої карти розширення в домашньому ПК, окрім відеокарт, тому базовий роз’єм позиціонується як заміна PCI. Стандарти 2х, 4х і 8х передбачені для серверів, де може виникнути потреба в швидших інтерфейсах. Роз’єм PCI-Express 16x призначений для відеокарт, його пропускна спроможність (256Ч16) = 4096 Mbps, тобто у вісім разів більше, ніж у AGP 8X. Він назад сумісний з рештою варіантів PCI-Express (1x, 4x, 8x) і дозволяє встановлювати будь-які PCI-E-карти. Таким чином, за наявності інтегрованого відео можна використовувати відео роз’єм для установки будь-якої іншої плати. Також PCI-Express підтримує “гаряче” підключення пристроїв.
Зараз саме у зв’язку з відео-картами найчастіше згадують стандарт PCI-Express. І це недивно – характеристики порту AGP вже не задовольняють розробників. Наприклад, його пропускної спроможності не вистачає на оцифрування відео в стандарті HDTV, який поступово завойовує популярність у користувачів. Тому виробники графічних чипів активно підтримали ініціативу впровадження PCI-Express.

Контрольні запитання

Навести визначення шини.
Навести визначення порту.
Навести визначення інтерфейсу.
Класифікація шин в залежності від типу даних, що передаються по ним
Описати шину даних.
Описати шину адреси.
Описати шину управління.
Як розрізняють шини по функціональному призначенню?
Описати архітектуру шини.
Описати основні характеристики комп’ютерних шини.
Як визначається пропускна спроможність комп’ютерної шини?
Які функції виконує системна шина?
Які шини відносяться до шин вводу-виводу?
Описати шину ISA.
Описати шину PCI.
У чому полягає особливість шини АGР?
Описати шину USB.
Навести визначення USB-хаба.
Описати шину VLB.
Описати шину PCI-Express.



ТЕМА 7

ЖОРСТКИЙ ДИСК

План


Будова жорсткого диску

Жорсткі диски (Hard Drive) є основним видом комп’ютерних накопичувачів. На жорсткий диск встановлюється операційна система і додатки. Там же зберігаються файли різноманітного типу – від текстових до відео кліпів. Жорсткий диск вважається внутрішнім компонентом комп’ютера.
Жорсткі диски (вінчестери) являють собою надскладну електромеханічну конструкцію, яка оснащена власним процесором, призначеним для інтелектуального керування процесом запису, читання та зберігання інформації. Фактично, вінчестер у сучасному персональному комп’ютері – це спеціалізований комп’ютер, призначений для зберігання даних. Електроніка вінчестера сама визначає, які дані в той чи інший момент можуть знадобитися процесору. За допомогою спеціальних програм постійно контролюється стан механічних елементів вінчестера, і при необхідності дані, яким погрожує випадкове знищення, перезаписуються в інші місця на магнітних дисках, а у випадку появи можливості для катастрофічної відмови механіки вінчестера програма захисту даних самостійно попередить користувача про необхідність заміни жорсткого диску.
Споживацькі якості жорстких дисків:
ємкість (обєм);
використаний інтерфейс;
швидкість обміну даними;
надійність;
гучність;
тепловиділення.
Накопичувач на жорстких магнітних дисках має чотири основні блоки:
пакет дискових пластин на обертаючих вісях;
головки зчитування/запису;
позиціонер (актюатор);
контролер.
Дискова пластина складається з основи та магнітного покриття, на яке записуються дані. Основу виготовлюють з алюмінієвих сплавів, а в останній час з кераміки або скляних компонентів. Магнітне покриття зазвичай виконується з оксиду заліза. Сучасні технології (наприклад, з анти-феромагнітним зв’язком), потребують застосування двох шарів магнітного покриття з прошарком з парамагнітного матеріалу. Більшість електронних компонентів розміщується на печатній платі, яка кріпиться під корпусом. Зазвичай блок електроніки незакритий захисною кришкою, так як вважається, що вінчестер буде розташовуватися у корпусі комп’ютера.
На рис. 7.1. наведена будова жорсткого диску.


















Зверху і знизу кожної пластини є головки для зчитування та запису інформації; вони ковзають уздовж поверхні на дуже близькій відстані, але не торкаються її. Всі головки диску змонтовані в єдиний вузол – вони переміщуються одночасно, приводяться у рух одним механізмом. Головки рухаються від зовнішнього краю пластини (на якому розташована нульова доріжка) до її центра. Таким чином, якщо в жорсткому диску розташовані дві пластини, в ньому зазвичай чотири головки для зчитування/запису інформації – по одній на кожну з чотирьох поверхонь пластин. Разом з даними на диск записані мітки-вказівники, необхідні для пошуку інформації. Ці вказівники включені у формат запису, вони називаються сервосигналами. Дані зберігаються на пластинах у вигляді концентричних доріжок, кожна з яких розділена на сектори по 512 байт, що складаються з горизонтально орієнтованих доменів. Орієнтація доменів в магнітному шарі служить для розпізнання двійкової інформації (0 або 1). Розмір доменів визначає щільність запису даних.
В даний час жорсткі диски виробляють сім компаній: Fugitsu, hitachi, Maxtor, Samsung, Seagate, Toshiba, Western Digital.
Крім внутрішніх, в наш час використовуються зовнішні жорсткі диски, які підключаються до USB-порту. Вони використовуються в основному для обміну даними з цифровими камерами та іншими мобільними пристроями. Через невисоку пропускну здатність цієї шини подібні диски не можуть порівнятися з внутрішніми пристроями.

Принципи роботи накопичувачів на жорстких дисках

У накопичувачах на жорстких дисках дані записуються і прочитуються універсальними головками читання/запису з поверхні магнітних дисків, що обертаються, розбитих на доріжки і сектори (512 байт кожен), як показано на рис. 7.2. У накопичувачах звичайно встановлюється декілька дисків, і дані записуються на обох сторонах кожного з них. У більшості накопичувачів є щонайменше два або три диски (що дозволяє виконувати запис на чотирьох або шести сторонах), але існують також пристрої, що містять до 11 і більш дисків.
























Однотипні (однаково розташовані) доріжки на всіх сторонах дисків об’єднуються в циліндр (рис. 7.3.). Для кожної сторони диска передбачена своя доріжка читання/запису, але при цьому всі головки змонтовані на загальному стрижні, або стійці. Тому головки не можуть переміщатися незалежно один від одного та рухаються тільки синхронно.




















Швидкість роботи того або іншого жорсткого диска залежить від частоти його обертання, швидкості переміщення системи головок і кількості секторів на доріжці. При нормальній роботі жорсткого диска головки читання/записи не торкаються дисків (і не повинні торкатися!). Але при виключенні живлення і зупинці дисків вони опускаються на поверхню. Під час роботи пристрою між головкою та поверхнею диска, що обертається, утворюється дуже малий повітряний зазор (повітряна подушка). Якщо в цей зазор потрапить порошинка або відбудеться струс, головка “зіткнеться” з диском, що обертається “на повному ходу”. Якщо удар буде достатньо сильним, відбудеться поломка головки. Наслідки цього можуть бути різними – від втрати декількох байтів даних до виходу з ладу всього накопичувача. Тому в більшості накопичувачів поверхні магнітних дисків легують і покривають спеціальними мастилами, що дозволяє пристроям витримувати щоденні “зльоти ” і “приземлення ” головок, а також серйозніші потрясіння.
Принцип роботи магніто-резистивної головки (MR) при зчитуванні даних міститься у помітному змінені опору протікаючому електричному струму при зміні напруженості магнітного поля. Елемент зчитування головки представляє собою надтонку плівку зі спеціального матеріалу, який змінює опір в залежності від орієнтації магнітних доменів на поверхні обертаючого диску. Орієнтація доменів визначається тим, який біт (0 або 1) записаний в даний момент.
Канал зчитування даних безперервно пропускає струм через головку, і тому зміна опору плівки миттєво регіструється. Дані надходять у спеціальний компаратор, який кінцево визначає, який біт був зчитаний, і далі направляє сформований сигнал нуля або одиниці.
Опір плівки, який знаходиться в магніто-резистивній головці, має певну залежність від температури нагрівання. У нормальних умовах, при оберненому до робочих обертів диску, повітряний потік при піднімає головку над диском і вона парить на відстані в декілька мікрометрів над гладкою поверхнею. Якщо ж всередину диска потраплять частки розміром, що дорівнюють розміри зазору між головкою і поверхнею, то вони, проносячись з великою швидкістю, торкаються головки і миттєво розігріють її за рахунок тертя. Такий нагрів різко підвищує опір плівки. Канал зчитування не може вірно інтерпретувати зміну опору, і відбувається збій.
При записі головки здатні намагнічувати маленьку ділянку поверхні диску – таким чином інформація записується (кодується) шляхом зміни поляризації.
Постійний вплив температури завчасно виводить головку з ладу, а частки діють як образив. Здатність головки реагувати на зміну магнітного поля погіршується з часом.
Розрізнити, які технології застосовані в конкретній моделі жорсткого диску, можна по відношенню ємкості та числа пластин. Рекомендуються придбати жорсткі диски з найвищою питомою щільністю – менша кількість пластин спрощує механіку і підвищує надійність роботи, а також знижує вартість.
Для підключення жорстких дисків в комп’ютерах використовуються декілька типів інтерфейсів, зазвичай це інтерфейс IDE (Integrated Drive Electronics), він же – AT-BUS, ATA1 і його модернізації Ultra ATA з різноманітними тактовими частотами, послідовний інтерфейс Serial ATA, інтерфейс SCSI.
Інтерфейс SCSI застосовується, в основному, тільки в серверах. Найбільшого ефекту від застосування інтерфейсу SCSI можна досягнути тільки в багатозадачних операційних системах, коли необхідно одночасно виконувати декілька складних додатків або при масових запитах до даних на пристроях зберігання. Пропускна здатність такого інтерфейсу 160 Мб/с. Однією з переваг SCSI є можливість підключення до комп’ютера значної кількості пристроїв, які вимагають для своєї роботи широкого каналу передачі даних.
Специфікація IDE визначає, що на системній платі встановлений контролер IDE-интерфейсу з двома однаковими каналами, до кожного з яких можна підключити до двох рівноправних пристроїв. Тобто в персональному комп’ютері може одночасно працювати до чотирьох вінчестерів. Для збільшення підключення IDE-пристроїв можна використовувати додаткові плати IDE-контролерів, які встановлюються в слот PCI. Для інтерфейсу IDE використовується кабель з 40-контактними роз’ємами і довжиною не більше 46 см (18 дюймів).
Послідовний інтерфейс Serial ATA звільняє комп’ютер від проблем, які притаманні інтерфейсу IDE. В першу чергу – це співставлення продуктивності та розрядності шини PCI і накопичувачів на жорстких магнітних дисках. Крім того, внутрішній простір в корпусі персонального комп’ютера кардинально вивільниться від двох IDE-шлейфів, які створюють незручності – їх складно підключити, так як приходиться працювати навмання, а великі габарити заважають нормальному охолодженню процесора і мікросхем, встановлених на системній платі тощо. Замість кабелю з 80 провідниками використовується тонкий коаксіальний дріт довжиною до 1 м, по якому дані передаються у вигляді окремих бітів різницею і рівнях напруги усього 0,5 В. В роз’єми живлення запропоновано використовувати 5 ліній. Ще однією перевагою інтерфейсу Serial ATA є те, що зменшилися габарити роз’ємів.
На ринку запропоновані перехідники, які дають змогу користувачами сумісно використовувати пристрої з інтерфейсами IDE і Serial ATA. Тобто можна підключити вінчестер з інтерфейсом Serial ATA до будь-якої старої системної плати, а до системної плати з інтерфейсом Serial ATA підключити традиційний вінчестер.

Доріжки і сектора

Доріжка – це одне “кільце” даних на одній стороні диска. Доріжка запису на диску дуже велика, щоб використовувати її як одиницю зберігання інформації. У багатьох накопичувачах її місткість перевищує 100 тис. байт. Тому доріжки на диску розбивають на нумеровані відрізки, звані секторами.
Кількість секторів може бути різною залежно від густини доріжок і типу накопичувача. Сектори, створені за допомогою стандартних програм форматування, мають місткість 512 байт, але не виключено, що в майбутньому ця величина зміниться. Нумерація секторів на доріжці починається з одиниці, на відміну від головок і циліндрів, відлік яких ведеться з нуля.
При форматуванні диска на початку і кінці кожного сектора створюються додаткові області для запису їх номерів, а також іншої службової інформації, завдяки якій контролер ідентифікує початок і кінець сектора. Це дозволяє відрізняти неформатовану та форматовану місткості диска. Після форматування місткість диска зменшується.
На початку кожного сектора записується його заголовок (або префікс – prefix portion), по якому визначається початок і номер сектора, а в кінці – висновок (або суфікс – suffix portion), в якому знаходиться контрольна сума (checksum), необхідна для перевірки цілісності даних. У більшості нових дисководів замість заголовка використовується так званий запис No-ID, що вміщає в себе більший об’єм даних. Крім вказаних областей службової інформації, кожен сектор містить область даних місткістю 512 байт. При низькорівневому (фізичному) форматуванні всім байтам даних привласнюється деяке значення, наприклад F6h.
Стверджувати, що розмір будь-якого сектора рівний 512 байт, не цілком коректно. Насправді в кожному секторі можна записати 512 байт даних, але область даних – це тільки частина сектора. Кожен сектор на диску звичайно займає 571 байт, з яких під дані відводиться тільки 512 байт. У різних накопичувачах простір, що відводиться під заголовки (header) і висновки (trailer), може бути різним, але, як правило, сектор має розмір 571 байт.
Інформація, яка міститься в заголовках і висновках сектора, не міняється під час звичних операцій запису даних. Змінити її можна, тільки переформатувавши диск.
Жорсткий диск з об’ємом 1 Гбайт (за сучасним мірками – дуже маленький) може в дійсності містити дані об’ємом 1,1 Гбайт. Якщо об’єм складає рівно 1 Гбайт, тоді такий диск може записати інформації не більше 900 Мбайт корисної інформації. Частина, що залишилася, може використовуватися комп’ютером для вмісту додаткової інформації. Не існує строгого правила, що дозволяє точно визначити реальний об’єм жорсткого диску.

Форматування дисків

Форматування диску необхідне для подальшого використання його комп’ютером. При форматуванні весь об’єм диску структурується. З цією метою система використовує деякі ділянки диску, роблячи на них магнітні мітки, які містять керуючу інформацію. Крім того, під час форматування задіяні спеціальні електричні схеми жорсткого диску, здатні знаходити пошкоджені сектори, в яких інформації зберігатися не може. Така електрична схема визначає сбійні ділянки, а потім вносить їх адреси в загальну таблицю, з якої буде звірятися жорсткий диск і його контролер при записі даних. В результаті службова інформація може займати до 10% початкового об’єму диска. Тобто для корисної інформації залишається близько 90% фізичного об’єму.
Розрізняють два види форматування диска:
фізичне, або форматування низького рівня;
логічне, або форматування високого рівня.
Форматування жорсткого диска виконується в три етапи:
Форматування низького рівня.
Організація розділів на диску.
Форматування високого рівня.
Форматування низького рівня. В процесі форматування низького рівня доріжки диска розбиваються на сектори. При цьому записуються заголовки та висновки секторів (префікси і суфікси), а також формуються інтервали між секторами та доріжками. Область даних кожного сектора заповнюється фіктивними значеннями або спеціальними тестовими наборами даних.
Один із способів підвищення місткості жорсткого диска полягає у розділенні зовнішніх циліндрів на більшу кількість секторів в порівнянні з внутрішніми циліндрами. Теоретично зовнішні циліндри можуть містити більше даних, оскільки мають велику довжину кола. Проте в накопичувачах, що не використовують метод зонного запису, всі циліндри містять однакову кількість даних, не дивлячись на те що довжина кола зовнішніх циліндрів може бути удвічі більше, ніж внутрішніх. При зонному записі циліндри розбиваються на групи, які називаються зонами, причому у міру просування до зовнішнього краю диска доріжки розбиваються на все більше число секторів. У всіх циліндрах, що відносяться до однієї зони, кількість секторів на доріжках однакова. Можлива кількість зон залежить від типу і запису даних на зовнішніх доріжках виявляється вище, ніж на внутрішніх).
Метод зонного запису був прийнятий виробниками жорстких дисків, що дозволило підвищити місткість пристроїв на 20-50% в порівнянні з накопичувачами, в яких число секторів на доріжці є фіксованим. На сьогоднішній день зонний запис використовується майже у всіх накопичувачах IDE і SCSI.
Організація розділів на диску. При розбитті диска на області, звані розділами, в кожній з них може бути створена файлова система, відповідна певній операційній системі.
Файлова система – це методи і структури даних, які використовуються операційною системою для зберігання файлів на диску або його розділі. Перед тим, як розділ або диск можуть бути використані як файлова система, він повинен бути ініціалізований, а необхідні дані перенесені на цей диск. Цей процес називається створенням файлової системи.
Сьогодні в роботі операційних систем сімейства Windows частіше за інших використовується три файлові системи:
FAT (File Allocation Table – таблиця розміщення файлів). У розділах FAT під DOS допустима довжина імен файлів – 11 символів (8 символів власне імені і 3 символи розширення), а об’єм тому (логічного диска) – до 2 Гбайт.
FAT32 (File Allocation Table, 32-bit – 32-розрядна таблиця розміщення файлів). У таблицях FAT 32 осередкам розміщення відповідають 32-розрядні числа. При такій файловій структурі об’єм тому (логічного диска) може досягати 2 Тбайт (2 048 Гбайт).
NTFS (Windows NT File System – файлова система Windows NT). Довжина імен файлів може досягати 256 символів, а розмір розділу (теоретично) – 16 Ебайт (16x10 байт). NTFS забезпечує додаткові можливості, що не надаються іншими файловими системами, наприклад засоби безпеки.
У більшої частини файлових систем UNIX схожа структура, а їх деякі особливості дуже мало розрізняються. Основними поняттями є: суперблок, індексний дескриптор (inode), блок даних, блок каталогу та непрямий блок. У суперблоці міститься інформація про файлову систему в цілому, наприклад, її розмір (точна інформація залежить від типу файлової системи). У індексному дескрипторі зберігається вся інформація про файл, окрім його імені. Ім’я файлу зберігається в блоці каталогу, разом з номером дескриптора. Запис каталогу містить ім’я файлу і номер індексного дескриптора відповідного файлу. У цьому дескрипторі зберігаються номери декількох блоків даних, які використовуються для зберігання самого файлу. У inode є місце тільки для декількох номерів блоків даних, проте, якщо потрібна більша кількість, то простір для покажчиків на блоки даних динамічно виділяється. Такі блоки називаються непрямими. Для того, щоб знайти блок даних, потрібно спочатку знайти його номер в непрямому блоці.
Linux підтримує декілька типів файлових систем. Найбільш важливі з них розглянуті нижче.
Minix. Вважається найстарішою і найнадійнішою файловою системою, але достатньо обмеженою в своїх можливостях (у файлів відсутні деякі тимчасові параметри, довжина імені файлу обмежена 30-у символами) і доступних об’ємах (максимум 64 Мб на одну файлову систему).
Xia. Модифікована версія системи minix, в якій збільшена максимальна довжина імені файлу і розмір файлової системи, хоча вона не реалізує ніяких нових можливостей.
ext2. Найбільш багата функціональними можливостями файлова система з сімейства сумісних з Linux. На даний момент вважається найпопулярнішою системою. Вона розроблена з урахуванням сумісності з подальшими версіями, тому для установки нової версії коду системи не потрібно встановлювати її наново.
Ext. Попередня версія системи ext2, не сумісна з подальшими версіями. В даний час вона дуже рідко включається в пакети нових систем, що поставляються, оскільки більшість користувачів зараз користуються системою ext2.
Msdos. Забезпечується сумісність з системою MS-DOS (а також OS/2 і Windows NT).
При форматуванні високого рівня (логічному форматуванні) створюється певна структура файлів, яку в подальшому використовує операційна система для впорядковування даних, які зберігаються на диску. Одним з найважливіших елементів, що характеризують файлову систему, являється розмір кластера (одиничного блоку) – мінімальна одиниця дискового простору, яка може бути виділена для розміщення файлу і яка використовується операційною системою при індексації диску (тобто формування адресного простору на жорсткому диску).

Характеристики жорстких дисків

Звичайно якість жорстких дисків оцінюють за наступними критеріями:
надійність;
швидкодія;
протиударна підвіска;
вартість.
Швидкодію жорсткого диску визначають чотири основні фактори:
час пошуку;
запізнення;
розмір буфера;
швидкість передачі даних.
Запізнення – середній час, який витрачається на те, щоб диск, обертаючись, розмістив потрібний сектор з даними напроти магнітних головок. Цей параметр напряму пов’язаний зі швидкістю обертання жорсткого диску.
Розмір буфера даних. Буфер – власний блок пам’яті жорсткого диску, в який надходять на тимчасове зберігання дані, призначення для передачі на інший пристрій. Він необхідний для компенсації різниці к швидкостях, з якими різні пристрої можуть обмінюватися даними.
Швидкість передачі даних – швидкість, з якою зібрана на диску інформація передається в шину комп’ютера або навпаки – надходить з шини на жорсткий диск.
Швидкодія вінчестера – запис і зчитування інформації – залежать від багатьох факторів, які визначаються конструкцією вінчестера, схемотехнікою його контролера, роботою інтерфейсу передачі даних. Наприклад, швидкість доступу до інформації залежить від геометрії дискового простору – розподілення секторів по доріжкам і бокам дисків, так як жорсткий диск – це механічний пристрій, у якого рухомі частини володіють значною інерцією. Цей параметр залежить від швидкості обертання пластин диску, яка складає 54007200 об/хв. Для бюджетних моделей і до 15000 – для дорогих дисків.
Час доступу (accesstime) – час від початку операції читання до моменту, коли починається читання даних.
Час пошуку (seektime) – час, який необхідний для розташування головок у потрібну позицію (на доріжку, де будуть виконуватися операції читання/запису даних). Цей показник може змінюватися в залежності від відстані між магнітною головкою та заданою доріжкою до того, як головка почне рухатися до неї. Наприклад, перехід до сусідньої доріжки займе набагато менше часу, чим перехід від самої першої (і самої крайньої) доріжки до самої останньої.
Середній час пошуку (averageseektime) – усереднений час, необхідний для встановлення головок на випадково задану доріжку.
Час пошуку при переході на сусідній трек (track-to-trackseektime) – час переходу головок з 1-ї доріжки на 2-у і т.д.

Контрольні запитання

Назвіть призначення жорсткого диску.
Перерахувати споживацькі якості жорстких дисків.
Опишіть будову жорсткого диску.
Опишіть процес запису/зчитування інформації на жорсткий диск.
Що таке доріжка?
Що таке сектор?
Які типи форматування жорсткого диску ви знаєте?
Охарактеризувати низький рівень форматування.
Охарактеризувати розбивку жорсткого диску на розділи.
Охарактеризувати високий рівень форматування.
Перерахувати і описати характеристики жорстких дисків.


ТЕМА 8

ПРИСТРОЇ ВВЕДЕННЯ/ВИВЕДЕННЯ ІНФОРМАЦІЇ


ПРИСТРОЇ ВВЕДЕННЯ ІНФОРМАЦІЇ

Усі пристрої введення-виведення з точки зору порядку їх використання можна розділити на дві групи: стандартні пристрої введення-виведення та нестандартні. Останні ще називають периферійними пристроями. Стандартні пристрої – це пристрої за замовчуванням, тобто ті, з яких комп’ютер чекає введення-виведення, якщо спеціально не обумовлені інші пристрої. Такими пристроями є дисплей та клавіатура.
До нестандартних пристроїв можна віднести такі:
1. Накопичувачі на магнітних та оптичних дисках.
2. Пристрої виведення символьної та графічної інформації (принтери та плоттери).
3. Пристрої введення інформації (миша, сканер).
4. Пристрої зв’язку комп’ютера з мережею (модем).

Клавіатура

Для введення інформації до пам’яті комп’ютера існують спеціальні пристрої. Універсальним пристроєм є клавіатура, котра дозволяє вводити числову та текстову інформацію. Крім того, за допомогою клавіатури користувач може керувати роботою комп’ютера. До пристроїв введення належать також маніпулятори типу миша, трекболи та сканери.
Клавіатура – один з важливіших пристроїв комп’ютера, який використовується для введення в систему команд і даних.
Друк за допомогою клавіатури є поки що основним способом введення алфавітно-цифрової інформації від користувача у комп’ютер. Кожна клавіша клавіатури є кришкою для мініатюрного перемикача (механічного або мембранного). Невеликий мікропроцесор, що міститься у клавіатурі, відстежує стан цих перемикачів, і при натисненні або відпуску кожної клавіші посилає в комп’ютер відповідне повідомлення (переривання), а програми комп’ютера (операційної системи) обробляють ці повідомлення
Види клавіатур за типом з’єднання
1. Бездротові клавіатури. У бездротових клавіатурах використовуються три основні види з’єднання, а саме: з’єднання Bluetooth; інфрачервоне з’єднання; радіочастотне з’єднання. У клавіатурах із з’єднанням Bluetooth використовується технологія Bluetooth, що забезпечує більший радіус дії, чим у клавіатур з радіочастотним і інфрачервоним з’єднанням. Клавіатури з інфрачервоним з’єднанням повинні знаходитися в радіусі дії пристрою того, що приймає сигнал. Клавіатури з радіочастотним з’єднанням мають більший радіус дії, чим клавіатури з інфрачервоним з’єднанням. Вони одержують живлення від акумулятора або через кабель USB, який використовується для заряджання клавіатури. Клавіатури з радіочастотним з’єднанням забезпечують більшу мобільність, ніж клавіатури із з’єднанням Bluetooth і з інфрачервоним з’єднанням.
2. Дротяні клавіатури. PS/2 і USB – два різновиди дротяного з’єднання, що сполучають клавіатури з комп’ютером. Клавіатури із з’єднанням PS/2 набули найбільшого поширення. Це – найдешевші клавіатури, представлені на ринку в даний час. Клавіатури із з’єднанням USB під’єднуються до процесора за допомогою універсальної послідовної шини.
Види клавіатур за розташуванням клавіш
1. Ергономічні клавіатури. При розробці ергономічних клавіатур враховувався ергономічний аспект. При роботі на ергономічних клавіатурах забезпечується комфортне положення кистей і зап’ясть. Дизайн ергономічних клавіатур дозволяє запобігти розвитку кистьового тунельного синдрому, який виражається у втраті чутливості і коленні в гронах рук і в пальцях після тривалої роботи на клавіатурі. Ергономічні клавіатури сприяють також утриманню зручної пози та збереженню правильної постави.
2. Компактні клавіатури. Розмір клавіатур постійно збільшується особливо розмір ергономічних клавіатур. Великий розмір ергономічних клавіатур пояснюється наявністю клавіш призначених для виконання спеціальних функцій. Компактні клавіатури – плоскі і на них звичайно відсутні клавіші з цифрами в правій частині клавіатури (допоміжна клавіатура). У деяких компактних клавіатур є гумова подушечка, яку можна використовувати замість мишки. Компактні клавіатури зручно брати з собою в поїздки, оскільки вони займають мало місця.
Форма клавіатури для комп’ютера
1. Класичну форму клавіатури іноді називають стандартною. Як правило, вона має прямокутну форму, знизу є ніжки, що висуваються. З їх допомогою можна підрегулювати кут нахилу для більшої зручності в роботі з клавіатурою. Така форма клавіатури найбільш звична і не вимагає звикання. У деяких клавіатурах під клавішами Delete, End і Page Down є клавіші управлінням живлення комп’ютера. Цими клавішами мало хто користується, але багато дуже часто випадково їх натискають. Тому краще брати клавіатуру без них.
2. Ергономічна форма клавіатури завжди відрізняється незвичайним дизайном (рис. 9.1.).
Спеціальне розташування клавіш, форма клавіш, вбудована підставка під зап’ястя призначені для того, щоб зробити роботу за клавіатурою максимально зручної. Панель кнопок дуже часто розділена на дві половини – на кожну руку по блоку. У деяких моделях ці половинки клавіатури можуть розсуватися, або взагалі бути роздільними. Такі клавіатури актуальні для тих, хто багато друкує, освоює метод сліпого друку або вже друкує “усліпу”.
3. Клавіатура для ноутбука привертає увагу своєю компактністю та акуратним зовнішнім виглядом. Через компактність місцеположення клавіш відрізняється від класичної моделі. Кількість клавіш у такій клавіатурі менша, ніж в класичній і вони мають менший хід, ніж на класичній клавіатурі.
Умовно можна виділити на клавіатурі чотири групи клавіш:
1. Алфавітно-цифрові і знакові клавіші (пропуск, цифри 0-9, латинські літери A-Z, символу кирилиці А-Я, знаки пунктуації, службові символи "+", "-", "/" і т.д.).
2. Функціональні клавіші: F1, F2, F3 .. F12.
3. Службові клавіші: Enter, Esc, Tab, стрілки управління курсором Left, Up, Down і Right, PgUp, PgDn, Home, End і багато інших.
4. Допоміжна клавіатура.

Принципи побудови клавіатури
При натисненні будь-якої клавіші в комп’ютер передається код натиснутої клавіші. Цей код не залежить ні від мови, ні від алфавіту, а тільки від конкретної натиснутої клавіші. Система містить спеціальні таблиці, в яких вказано, якій клавіші який ASCII-код відповідає, і посилає потрібний ASCII-код в програму, яка в даний момент чекає введення з клавіатури, наприклад, до текстового редактора.
В сучасних клавіатурах використовується декілька типів клавіш. У більшості клавіатур встановлені механічні перемикачі, в яких відбувається замикання електричних контактів при натисненні клавіш. У деяких клавіатурах високого класу використовуються безконтактні ємкісні датчики.
Найбільш поширені контактні клавіатури. Існують наступні їх різновиди:
з механічними перемикачами. У механічних перемикачах відбувається замикання металевих контактів. Для створення “дотикового” зворотного зв’язку часто встановлюється додаткова конструкція з пружини та пом’якшувальної пластинки. Механічні перемикачі дуже надійні, їх контакти зазвичай самоочищаються. Вони витримують до 20 млн. спрацьовувань і стоять другими по довговічності після ємкісних датчиків;
із замикаючими накладками. У цих клавіатурах прокладка з пористого матеріалу з приклеєною знизу фольгою з’єднується з кнопкою клавіші. При натисненні клавіші фольга замикає друкарські контакти на платі. Коли клавіша відпускається, пружина повертає її в початкове положення. При цьому пориста прокладка пом’якшує удар, але клавіатура стає дуже “м’якою". Основний недолік цієї конструкції – відсутність клацання при натисненні (немає зворотного зв’язку);
з гумовими ковпачками (рис. 9.2.). Клавіатура з гумовими ковпачками схожа на попередню конструкцію, але перевершує її у багатьох відношеннях. Замість пружини в ній використовується гумовий ковпачок із замикаючою вставкою з тієї ж гуми, але з вугільним наповнювачем. При натисненні клавіші шток натискає на гумовий ковпачок, деформуючи його. При цьому вугільний наповнювач замикає провідники на друкарській платі. При відпуску гумовий ковпачок приймає свою первинну форму і повертає клавішу в початковий стан. Замикаючі вставки робляться з очищеного вугілля, тому вони не схильні до корозії і самі по собі очищають металеві контакти, до яких притискаються;
мембранні. Мембранна клавіатура є різновидом попередньої, але в ній немає окремих клавіш: замість них використовується лист з розміткою, який укладається на пластину з гумовими ковпачками. При цьому хід кожної клавіші обмежений, і така клавіатура не годиться для звичайного друку. Але оскільки дана клавіатура складається фактично з трьох пластин і мінімуму інших деталей, вона може виявитися незамінною в екстремальних умовах. Мембранні клавіатури часто використовуються в пультах управління (верстатами, агрегатами і тому подібне), тобто там, де необхідно вводити великі об’єми даних.

9.2. Види комп’ютерних мишей

У 1964 році Дуглас Енгельбарт (Douglas Englebart), який працював в Stanford Research Institute (SRI), винайшов мишу. Офіційно вона була названа покажчиком XY-координат для дисплея. У 1973 році компанія Xerox застосувала мишу в своєму новому комп’ютері Alto.
Миша сприймає своє переміщення у робочій площині (звичайно на ділянці поверхні столу) і передає цю інформацію комп’ютеру. Програма, що працює на комп’ютері, у відповідь на переміщення миші проводить на екрані дію, що відповідає напряму та відстані цього переміщення. В універсальних інтерфейсах (наприклад, у віконних) за допомогою миші користувач управляє спеціальним курсором (покажчиком) – маніпулятором елементами інтерфейсу.
Комп’ютерних миші поділяються на: механічні; оптичні; лазерні; індукційні; трекбол-миші, trackpoint. Коротко охарактеризуємо кожний з них.
1. Механічна миша (рис. 9.3.) – це традиційна кулькова модель. Кулькові миші вже давно йдуть в минуле, оскільки не дуже зручні. Відрізняються ці миші тим, що управління курсором здійснюється за допомогою металевої кульки, покритої гумовою поверхнею, який злегка виступає з підстави мишки.
Усередині миші знаходяться два ролики: вертикальний та горизонтальний. Кулька, обертаючись при переміщенні миші, передає певний напрям руху цим роликам. Такий вид миші має ряд значних недоліків, що полягають у забрудненні такого роду механізму, також сама по собі миша набуває додаткової ваги, та і просто кулька може доставляти деякі незручності. Саме тому на зміну кульковим мишкам пришли більш вдосконалені моделі.
2. Оптична миша працює за іншим принципом, оскільки вона не має обертаючого елементу. Для роботи пристрою використовується світлодіод і сенсор. Її конструкція представляє маленьку камеру, яка при переміщенні миші по поверхні, фотографує цю поверхню, освітлюючи її при цьому світлодіодом. Частота фотографування поверхні досить велика, близько тисячі разів в секунду і більш. Дані, одержані за допомогою такої камери, обробляє процесор і направляє сигнал прямо в комп’ютер. Оптична миша має великі переваги над кульковими, оскільки вона досяжна, має малу вагу і до того ж відмінно функціонує практично на будь-якій поверхні.
3. Індукційні миші (рис. 9.4.) використовують спеціальний килимок, що працює за принципом графічного планшета або власне входять в комплект графічного планшета. Деякі планшети мають в своєму складі маніпулятор, схожий на мишу з скляним перехрестям. Він працює за тим же принципом, проте трохи відрізняється реалізацією, що дозволяє досягти підвищеної точності позиціонування за рахунок збільшення діаметру чутливої котушки і винесення її з пристрою в зону видимості користувача.
Індукційні миші мають високу точність, і їх не потрібно правильно орієнтувати. Вони найчастіше мають індукційне живлення від робочого майданчика (“килимка”) або графічного планшета. Але такі миші є бездротовими лише частково – планшет або майданчик все одно підключаються кабелем. Таким чином, кабель не заважає рухати мишею, але і не дозволяє працювати на відстані від комп’ютера, як із звичайною бездротовою мишею. Проте, індукційні миші рідкісні, дорого коштують та не завжди зручні. Мишу для графічного планшета практично неможливо поміняти на іншу (наприклад, більше відповідну по руці і т.п.).
4. Лазерна миша подібна оптичній, вона відрізняється тим, що замість фотокамери з світлодіодом застосовується для підсвічування поверхні напівпровідниковий лазер. Це більш вдосконалена модель оптичної миші, що включає наступні переваги: лазерна миша менше енергоспоживана, має вищу точність зчитування даних з робочої поверхні, а також, на відміну від оптичних мишей, має можливість працювати як на скляних, так і на дзеркальних поверхнях. Єдиний недолік лазерної миші лише в тому, що її вартість вона трохи вища за вартість свого оптичного аналогу, але даний недолік на тлі всіх її переваг виглядає досить незначним.
5. Трекбол-миша – це комп’ютерна миша, в якій використовується спеціальна кулька (трекбол), яка скорочує рух руки, для роботи необхідний один палець (рис. 9.5.). Трекбол – кулька, що обертається в будь-якому напрямі.
Рухи кульки знімаються механічним (як в механічній миші) або оптичним способом (вживаним у сучасних трекболах). Аналогічно джойстику, трекбол може бути використаний для альтернативного переміщення покажчика. Трекболи зазвичай використовуються фахівцями, такими, як звукооператорами, оскільки щоб обертати кульку пальцями, потрібно достатньо довго звикати. Проте, трекбол забезпечує точніше позиціонування курсору, чим миші. В даний час майже не використовується. Такий пристрій практично не займає місця на клавіатурі, не має рухомих частин, які могли б зламатися або забруднитися.
6. Trackpoint за своєю конструкцією нагадує міні-джойстик (рис. 9.6.). Це маленький важіль, розташований в центральній частині клавіатури між клавішами G, H, B. Варто прикласти до важеля вказівним пальцем невелике зусилля, і курсор переміщається у вибраному напрямі. Вертикальне натиснення на Trackpoint може виконувати функцію лівої кнопки миші.
TrackPoint можна використовувати разом з мишею, забезпечивши подвійне управління покажчиком. На екрані присутній тільки один покажчик, але його можна переміщати як за допомогою TrackPoint, так і за допомогою підключеної миші.
Насправді цей пристрій у різних виробників іменується по-різному. Trackpoint у IBM, Accupoint у Toshiba, також можна зустріти назви Pointstick, Pointingstick, Track Stick та ін.
Перевага Trackpoint’а в тому, що немає необхідності відривати пальці від клавіш для того, щоб перевести курсор з однієї частини екрану в іншу і кликнути. Крім того, місця на корпусі він не займає. Дослідження, проведені винахідниками цього пристрою, показали: на те, щоб перенести руку з клавіатури на мишу і назад, йде близько 1,75 с. Якщо користувач друкує із швидкістю 60 знаків в хвилину, то він втрачаєте на цьому близько двох слів. При роботі з TrackPoint практично весь цей час економиться. Одночасно натискаючи на важіль і кнопку, можна легко переміщати об’єкти на екрані.

Сканери

Майже кожен користувач комп’ютера постійно стикається з проблемою перетворення документів з паперової форми в електронну. Проте процедура введення інформації уручну віднімає величезну кількість часу. Крім того, уручну можна вводити тільки тексти, але не зображення. Виходом з положення є сканер, що дозволяє вводити в комп’ютер як зображення, так і текстові документи. За типом інтерфейсу сканери діляться на:
1. Сканери з паралельним або послідовним інтерфейсом, що підключаються до LPT- або COM-порту. Ці інтерфейси найповільніші, вони поступово себе зживають. Якщо користувач захоче використовувати подібний сканер, у нього з’являться проблеми, пов’язані з конфліктом сканера з LPT-принтером, якщо такий є, а також з відсутністю LPT-порта у сучасному комп’ютері.
2. Сканери з інтерфейсом USB. Стоять трохи дорожче, але працюють значно швидше. Необхідний комп’ютер з USB-портом. Проблеми з настроюванням також можуть виникнути, але вони легко вирішуються.
3. Сканери з SCSI-інтерфейсом. З власною інтерфейсною платою для шини ISA або PCI або що підключаються до стандартного SCSI-контроллера. Ці сканери швидші і дорожчі за представників двох попередніх категорій та відносяться до вищого класу.
4. Сканери з ультрасучасним інтерфейсом FireWire (IEEE 1394). Спеціально розроблений для роботи з графікою і відео. Такі моделі представлені на ринку відносно нещодавно.

Ручні сканери

Найстаріший тип сканерів розроблений в кінці 80-х років фірмами Logitech і Genius. В основу роботи ручних сканерів встановлений процес реєстрації відображеного проміння світлодіодів від поверхні сканованого документа. Користувач поволі переміщає сканер по поверхні документа, а відображений промінь приймається за допомогою лінз і перетворюється у цифрову форму. Потік даних зі сканера за допомогою програмного забезпечення перетворюється у цифрове зображення. Різні типи сканерів можуть реєструвати чорний або білий кольори, відтінки сірого, а сучасні моделі ручних сканерів можуть працювати з кольором завглибшки до 24-біт (16,8 млн. кольорів).
Переваги ручних сканерів:
низька вартість. Оскільки в ручних сканерах як “позиціонуючий механізм” виступає користувач (саме він самостійно переміщає сканер по поверхні сканованого документа), відпадає необхідність в цьому дорогому механічному елементі;
портативність. З появою ручних сканерів, що підключаються до паралельного порту, їх можна використовувати як з настільними, так і з портативними комп’ютерами;
сканування книг без їх пошкодження. За допомогою ручного сканера можна відсканувати книгу, не згинаючи і не розриваючи її. Це особливо важливо при скануванні старовинних книг.

Листопротяжні сканери

Це сканери, що використовують пристрій подачі оригіналу щодо нерухомого блоку сканування (рис. 9.8.). Ця технологія застосовується в сучасних факс-апаратах. Переваги листопротяжних сканерів:
низька вартість. Пристрій подачі оригіналу має нескладну конструкцію, тому додавання цього вузла не набагато збільшує вартість сканера.
розмір. Листопротяжні сканери відрізняються невеликими розмірами, так що їх можна віднести до портативних пристроїв.
Недоліки листопротяжних сканерів:
обмеження на дозвіл, що накладається механізмом сканування;
обмеження на оригінал. На сканований оригінал накладаються обмеження; аналогічні обмеженням у факс-апаратах. Наприклад, не можна відсканувати нерозірвану книгу, а також прозорі плівки або слайди.

Настільні (планшетні) сканери

Планшетні сканери найбільш поширеніші на ринку, чим інші типи сканерів, оскльки мають ряд переваг за об’ємом застосування, тобто більш універсальні (рис. 9.9.). Вони нагадують верхню частину копіювального апарату: оригінал – або паперовий документ, або плоский предмет – кладуть на спеціальне скло, під яким переміщається каретка з оптикою та аналого-цифровим перетворювачем (АЦП). Проте існують такі сканери, в яких переміщається скло з оригіналом, а оптика і АПЦ залишаються нерухомими, чим досягається вища якість сканування.
Планшетний сканер прочитує оригінал, освітлюючи його знизу, з позиції перетворювача. Щоб сканувати чітке зображення з плівки або діапозитива, потрібно забезпечувати підсвічування оригіналів як би ззаду. Для цього і служить слайдова приставка, що являє собою лампу, яка переміщається синхронно з скануючою кареткою і має певну колірну температуру.
Оптична система планшетного сканера
Оптична система планшетного сканера, яка складається з об’єктиву та дзеркал або призми, проектує світловий потік від сканованого оригінала на приймальний елемент, що здійснює розділення інформації на кольори – три паралельні лінійки з рівного числа окремих світлочутливих елементів, що приймають інформацію про зміст “своїх” кольорів. У трипрохідних сканерах використовуються лампи різних кольорів чи змінні світлофільтри на лампі або CCD-матриці. Приймальний елемент перетворює рівень освітленості в рівень напруги (все ще аналогову інформацію). Далі, після можливої корекції та обробки, аналоговий сигнал поступає на аналого-цифровий перетворювач (АЦП). З АЦП інформація виходить вже у двійковому вигляді і, після обробки в контроллері сканера через інтерфейс з комп’ютером поступає в драйвер сканера – звичайно це так званий TWAIN-модуль, з яким вже взаємодіють прикладні програми.
На якість зображення, що одержується у результаті сканування, великою мірою робить вплив джерело світла, яке використовується у конструкції сканера. У сучасних планшетних сканерах є чотири типи джерел світла:
1. Ксенонові газорозрядні лампи відрізняються надзвичайно малим часом прогрівання, високою стабільністю випромінювання, невеликими розмірами та довгим терміном служби. З іншого боку, вони вимагають високої напруги, споживають великий струм і мають неідеальний спектр, що згубно позначається на точності перенесення кольорів.
2. Люмінесцентні лампи з гарячим катодом володіють дуже рівним, керованим у певних межах спектром і малим часом прогрівання. Як недоліки можна назвати крупні габарити і відносно короткий термін служби. Люмінесцентні лампи з холодним катодом служать вдесятеро довше за попередниць з гарячим катодом, мають низьку робочу температуру і рівний спектр, проте час прогрівання у них великий – від 30 секунд до декількох хвилин. Саме такі лампи використовуються в більшості сучасних CCD-сканерів.
3. Світлодіоди (LED) застосовуються, як правило, в CIS-сканерах, не вимагають часу для прогрівання, володіють невеликими габаритами та енергоспоживанням. У більшості випадків використовуються трибарвні світлодіоди, що міняють з великою частотою спектр випромінюваного світла. Світлодіоди мають досить низьку інтенсивність світлового потоку і нерівномірний, обмежений спектр випромінювання, тому у сканерів з таким джерелом світла страждає якість перенесення кольорів, збільшується рівень шуму на зображенні та знижується швидкість сканування.

Барабанні сканери

Не дивлячись на те, що настільні сканери можна доповнити спеціальними модулями для сканування слайдів, якіснішого результату можна добитися, використовуючи барабанні сканери (рис. 9.10.).

Барабанні сканери, що по світлочутливості, значно перевершують споживчі планшетні пристрої, застосовуються виключно у поліграфії, де потрібне високоякісне відтворення професійних фотознімків. Дозвіл таких сканерів звичайно складає 8000-11000 крапок на дюйм і більше.
У барабанних сканерах оригінали розміщуються на внутрішній або зовнішній (залежно від моделі) стороні прозорого циліндра, який називається барабаном. Чим більший барабан, тим більша площа його поверхні, на яку вмонтовується оригінал, і відповідно, тим більша максимальна область сканування. Після монтажу оригіналу барабан приводиться в рух. За один його оберт прочитується одна лінія пікселів, так що процес сканування дуже нагадує роботу токарно-гвинторізного верстата. Через слайд (або відбитий від непрозорого оригінала) проходить вузький промінь світла, який створюється могутнім лазером, за допомогою системи дзеркал потрапляє на ФЕП (фотоелектронний помножувач), де оцифровується.

Основні характеристики сканерів

1. Оптичний та інтерпольований дозвіл. Оптичний дозвіл вимірюється у крапках на дюйм (dots per inch, dpi). Чим більший дозвіл, тим більше інформації про оригінал може бути введено у комп’ютер та піддано подальшій обробці. Часто наводиться така характеристика, як “інтерпольований дозвіл” (інтерполяційний дозвіл). Цінність цього показника сумнівна – це умовний дозвіл, до якого програма сканера “береться долічити” бракуючи крапки. Цей параметр не має ніякого відношення до механізму сканера і, якщо інтерполяція все ж таки потрібна, то робити це краще після сканування за допомогою хорошого графічного пакету.
2. Глибина кольору. Ця характеристика позначає кількість кольорів, яку здатний розпізнати сканер. Більшість комп’ютерних додатків, виключаючи професійні графічні пакети, такі як Photoshop, працюють з 24 бітовим представленням кольору (повна кількість кольорів – 16.77 млн. на крапку). У сканерів ця характеристика, як правило, вище – 30 біт, у найбільш якісних з планшетних сканерів величина сягає до 36 біт і більше. Звичайно, може виникнути запитання – навіщо сканеру розпізнати більше біт, ніж він може передати в комп’ютер. Проте, не всі одержані біти рівноцінні. У сканерах з ПЗС датчиками два верхніх біта теоретичної глибини кольору звичайно є “шумовими” і не несуть точної інформації про колір. Найбільш очевидне слідство “шумових” бітів – недостатньо безперервні, гладкі переходи між суміжними градаціями яскравості в оцифрованих зображеннях. Відповідно у 36 бітовому сканері “шумові” біти можна зрушити достатньо далеко, і в кінцевому оцифрованому зображенні залишиться більше чистих тонів на канал кольору.
3. Динамічний діапазон (діапазон щільності). Оптична щільність є характеристика оригіналу, рівна десятковому логарифму відношення світла падаючого на оригінал, до світла відбитому (або що пройшов – для прозорих оригіналів). Мінімально можливе значення 0.0 D – ідеально білий (прозорий) оригінал. Значення 4.0 D – абсолютно чорний (непрозорий) оригінал. Динамічний діапазон сканера характеризує, який діапазон оптичної щільності оригіналу сканер може розпізнати, не втративши відтінки ні у світлі, ні в тінях оригіналу. Максимальна оптична щільність у сканера – це оптична щільність оригіналу, яку сканер ще відрізняє від повної темноти. Усі відтінки оригіналу темніше за цю межу сканер не зможе розрізнити. Дана величина дуже добре відокремлює прості офісні сканери, які можуть втратити деталі, як в темних, так і світлих ділянках слайду і, тим більше, негативу, від професіональних моделей. Як правило, для більшості планшетних сканерів дана величина лежить у межах від 1.7D (офісні моделі) до 3.4 D (напівпрофесійні моделі). Більшість паперових оригіналів, будь то фотографія або журнальна вирізка, володіють оптичною щільністю не більше 2.5 D.

Контрольні запитання

Перерахуйте основні пристрої введення інформації та дайте їх коротку характеристику.
Опишіть основні типи клавіатур.
Опишіть інтерфейс клавіатури.
Наведіть класифікацію маніпуляторів типу “миша”
Перерахуйте типи сканерів.
Опишіть принцип роботи ручних сканерів.
Опишіть принцип роботи листопротяжних сканерів.
Опишіть принцип роботи планшетних сканерів.
Наведіть основні характеристики сканерів.




ТЕМА 13

ОСОБЛИВОСТІ ТРИВИМІРНОЇ ГРАФІКИ


3D-конвейер
Современные графические процессоры для ПК работают с так называемой полигональной графикой, то есть любой объект представляется как набор плоских многоугольников, которые рано или поздно разбиваются на простейшие треугольники. Объект задается вершинами, определяющими ключевые точки, и полигонами, которые образованы линиями, соединяющими вершины. Цвет на полигоны накладывается по специальным алгоритмам закраски, как правило, с использованием заранее нарисованных плоских изображений (текстур). Задача графического процессора сводится к тому, чтобы нарисовать и закрасить как можно больше полигонов за единицу времени. В профессиональных SD-ускорителях иногда используется другой способ построения трехмерных сцен методом обратной трассировки лучей (Ray Tracing), который требует гораздо больших вычислительных ресурсов.
Для отображения треугольников на плоскости используется метод так называемых однородных координат, опирающийся на матрицы преобразования и проектирования. Расчет положения любой точки трехмерной сцены на плоскости сводится к умножению вектора исходных координат на эти матрицы. Современный центральный процессор затрачивает на обработку одной точки около 10 тактов и за секунду просчитывает координаты десятка миллионов вершин. Таким образом, расчет геометрии сцены не составляет для современного центрального процессора особого труда.






Проблемы начинаются при закраске полигонов и определении видимых поверхностей, то есть при сопоставлении глубины расположения полигонов относительно наблюдателя.
Реалистичность изображения в трехмерной сцене во многом определяется качеством текстур заранее нарисованных картинок, наложенных на полигоны. Для каждой вершины указываются ее координаты в плоскости изображения-текстуры. При расчете цвета конкретной точки полигона учитывается ее расположение относительно вершин треугольника и точке присваивается цвет, аналогичный цвету соответствующе точки текстуры. Для этого каждой точке экрана, попавшей в треугольника нужно найти соответствие в текстурных координатах (это сравнительно затратный процесс) и провести так называемую выборку из текстуры -вычислить цвет текстуры в полученной точке. Последняя задача не слишком проста, поскольку часто расчетная точка попадает между пикселам изображения-текстуры. Поэтому расчеты получаются очень трудоемкими, особенно с учетом наложения нескольких текстур. Вдобавок тексты в современных играх часто представлены изображениями высокого раз решения. В итоге сверхмощный центральный процессор даже при низко экранном разрешении способен обработать не более десятка кадров в секунду. Поэтому ускорители трехмерной графики в первую очередь был созданы для аппаратного ускорения закраски.
Для полноценной реализации требуется программирования пиксельных конвейеров перехода от интерполяции и выборки из текстур к обработке формул расчета цвета каждого пиксела объекта (а не только вершин). Так впервые появились пиксельные шейдеры - комплекты команд, позволяющие программировать пиксельные конвейеры графического процессора. Шейдеры заметно повысили реалистичность объектов.

Вершинные шейдеры
Программируемый вершинный блок способен имитировать мимику персонажа, переливы меха, развевающиеся волосы, стелющуюся под ветром траву, и выполнять прочие геометрические преобразования, реализуя их на лету. Например, программист пишет шейдер, в котором указывает, что его следует использовать для вершин треугольников, составляющих листок дерева. Графически процессор исполняет эту программу, и в результате листочек на дереве поворачивается на определенный угол в каждом кадре. Другой вариант использования вершинного шейдера связан с обработкой текстур. Например, шейдер изменяет текстурные координаты вер шин полигонов, а в результате выражение лица персонажа изменяется от улыбки до плача за счет наложения других текстур. Программированию поддаются практически все параметры, связанные с обработкой вершин: помимо уже названных геометрических и текстурных координат можно задавать цвет вершины, параметры смешивания, прозрачность.
































Пиксельные шейдеры
Вершинные шейдеры при необходимости можно перенаправить на исполнение центральным процессором. С геометрическими расчетами мощный процессор справится без проблем. Но при выполнении пиксельного шейдера даже сверхмощный CPU задумается надолго, поскольку здесь происходит интенсивный обмен с памятью и сложные расчеты с использованием вещественных чисел. В задачах расчета освещения это ключевой момент: динамического диапазона стандартного 8-битного цвета для передачи всего богатства оттенков может не хватить.
Поэтому обработкой пиксельных шейдеров практически всегда занимаются пиксельные конвейеры графического процессора. Использование пиксельных шейдеров позволило реализовать расчет освещенности объектов методом Фонга, обеспечивающим наивысшую на сегодняшний день реалистичность. Согласно методу Фонга, цвет участка поверхности рассчитывается раздельно в каждом из цветовых каналов и складывается из трех компонентов: фонового освещения (имитирующего естественный рассеянный свет), диффузного отражения (рассеянного света, отраженного от поверхности) и зеркального отражения (имитирующего направленное отражение). На практике фоновое освещение используют для того, чтобы подсветить излишне темные участки. Диффузное отражение соответствует отражению света от неровной поверхности. Подобная поверхность рассеивает падающий на нее свет практически равномерно по всем направлениям. Но, в отличие от фонового освещения, диффузное отражение учитывает направление на источник света. Главная изюминка метода Фонга кроется в расчете зеркального отражения, учитывающего не только направление на источник света, но и местоположение наблюдателя.

Технологии трехмерной графики

Уровень детализации LOD (Level of Detail)
Современные приложения трехмерной графики позволяют создавать для игровых программ реалистичные объекты с высокой степенью детализации. Однако с практической точки зрения нерационально все объекты трехмерной сцены отображать с максимальной детализацией, так как человеческое зрение решительно отказывается воспринимать мелкие детали удаленных объектов. Очевидно, что и в играх нет смысла воспроизводить каждый волосок на теле монстра, если человек все равно не способен его различить. К тому же непрерывная обработка нескольких сотен или тысяч полигонов, составляющих объект, независимо от его удаления приводит к загрузке компьютера бессмысленной работой.
Таким образом, на каждый момент времени необходимо просчитать для всех объектов в трехмерной сцене необходимую и достаточную cте пень детализации (LOD-уровень). Существуют два подхода к управлению детализацией:
- статический;
- динамический LOD.
В первом случае заранее создаются упрощенные варианты максимально детализированного объекта. Предположим, что монстра, насчитывающего 1200 полигонов, на больших дистанциях наблюдения будет достаточно использовать упрощенные модели из 600 и 300 полигонов. В ходе построения сцены просчитывается удаление модели монстра от плоскости проецирования и выбирается вариант, соответствующий дальности.
В технологии динамического, или непрерывного, LOD используют различные алгоритмы, позволяющие более-менее плавно регулировать число полигонов в объекте в зависимости от расстояния до картинной плоскости. Статическое управление иногда вызывает эффект «дерганья» изображения при смене детализации объекта. Если уровень LOD близок к граничному значению, может возникнуть циклическая смена моделей с разным уровнем детализации. К тому же приходится обсчитывать несколько разных моделей для одного объекта. Динамическое управление детализацией потребляет значительные вычислительные ресурсы, требует непрерывного пересчета не только координат вершин треугольников, но и параметров освещенности текстур. При частом переключении между уровнями наблюдается эффект «волнистости» поверхности форма объекта непрерывно «плывет», что при моделировании объектов неживой природы выглядит особенно нереально. Часто недостаточный уровень детализации пытаются исправить за счет современных технологий наложения и обработки текстур: Bump Mapping, анизотропной фильтрации, композитных текстур и прочих.
MIP mapping (MIP-текстурирование)
Самым простым способом текстурирования является создание единственной текстуры среднего размера с приличной детализацией и наложение ее на полигоны объекта во всех случаях, когда требуется визуализация. Однако здесь возникают две проблемы. Во-первых, если текстура создана с максимально возможным разрешением и детализацией (например, 2048x2048 пикселов при глубине цветового охвата 32 бит), то расход вычислительных ресурсов и памяти при наложении текстур на все видимые объекты в трехмерной сцене будет просто фантастическим никакой ускоритель не справится с таким потоком данных. Во-вторых, если уменьшить размер (и тем самым детализацию) текстур, то объекты по мере приближения к плоскости проекции будут выглядеть все более грубо. В некоторых играх нередки эффекты, когда при максимальном сближении с объектом его поверхность предстает как набор огромных пятен это означает, что на картинную плоскость попало всего несколько текселов текстуры. То же самое касается и эффекта перспективы одна и та же текстура, будучи наложена на близкий и удаленный участки объекта, вызывает искажение перспективы.
Чтобы обойти такие проблемы, была разработана технология, получившая название MIP mapping. Ее суть заключается в предварительном или динамическом создании набора текстур с различным разрешением и уровнем детализации на основе базовой текстуры максимального разрешения.
Для выбора конкретно уровня детализации сегодня используют в основном динамический расчет LOD Уровни LOD для текстур можно рассматривать как степени числа 4. Например проецирование текстуры вызывает наложение одного тексела на пиксел, следовательно, уровень LOD определяется как нулевой и выбирается текстура с наивысшей детализацией. Если на пиксел пришлось 4 тексела, уровень LOD составляет 1 поэтому выбирается следующий уровень MIP mapping, которому соответствует текстура с меньшей .детализацией.
Композитные текстуры
Текстуры высокого разрешения занимают огромное место в памяти. Например, текстура размером 1024x1024 пиксела при глубине цветности 16 бит достигает объема 2 Мбайт. Для решения этой проблемы была придумана технология так называемых композитных текстур, или текстур с детализацией. При таком подходе требуется создать всего две текстуры: базовую и детальную. Базовая текстура содержит основные элементы и как бы создает общий фон. Детальная текстура содержит лишь мелкие элементы, необходимые при рассмотрении объекта вблизи. Обе текстуры смешиваются, причем степень их взаимовлияния определяется исходя из расстояния до плоскости проецирования.
Трехмерные текстуры
Элемент трехмерной текстуры представляет собой виртуальный монолитный куб. Каждая точка внутри текстурного куба имеет присвоенный ей цвет. Конечно, на самом деле трехмерный объект в компьютерной графике состоит из конечного числа точек (текселов), и потому его удобно представлять как конечный набор слоев (плоских текстур), текселы которых образуют узловые точки трехмерной текстуры.
Полигону, на который накладывается трехмерная текстура, присваиваются такие локальные координаты вершин, чтобы он оказался сечением куба. При этом не обязательно, чтобы полигон целиком помещался в объем куба. Обычно точке полигона вне куба присваивается цвет ближайшей граничной точки трехмерной текстуры.

Билинейная фильтрация

Метод расчета цвета по среднему арифметическому четырех ближайших соседей точки называют билинейной фильтрацией. В этом случае считается, что проекция представляет собой круг, а цвет пиксела рассчитывается путем аппроксимации цветов четырех текселов, как бы образующих данный круг.
При сильном приближении объекта к плоскости проецирования случается, что в круг попадает меньше четырех текселей, тогда изображение выглядит чрезмерно размытым. Если же плоскость полигона повернута относительно плоскости проецирования, круг уже не соответствует реальной форме проекции (овалу, эллипсу или иной фигуре) и эффект перспективы хотя и присутствует (все-таки сказывается аппроксимация по четырем точкам), но все равно существенно искажен. К тому же для определения цвета одного пиксела требуется считывать цвета четырех текселов из памяти, где хранятся текстуры, что увеличивает нагрузку на шину памяти.

Трилинейная фильтрация

Метод представляет собой комбинацию технологий MIP mapping и билинейной фильтрации (билинейной по текстуре и линейной по текстурам). Как известно, в технологии MIP mapping применяют текстуры с разной степенью детализации (и разным разрешением) в зависимости от удаленности полигона от плоскости проецирования. При трилинейной фильтрации берутся две соседние текстуры, одна из которых содержит текселы, попадающие в проекцию, а другая является ближайшей к ней по удаленности, и к каждой применяют билинейную фильтрацию. В итоге аппроксимация цвета проводится уже по восьми текселам и результат выглядит ближе к реальности, так как текстуры заранее обсчитаны для определенных расстояний. Чтобы не было видно резких скачков от одного мип-уровня к другому, на переходах («не близко и не далеко») ускоритель считает линейную комбинацию цветов, вычисленных по ближним и по дальняя текстурам.

Анизотропная фильтрация

Самый передовой на сегодняшний день метод фильтрации анизотропная (неоднородная по разным направлениям). Существуют различи; алгоритмы анизотропной фильтрации, суть которых в возможно болея точном учете формы проекции при различном положении текстурированного полигона по отношению к проецируемой плоскости. То есть вокруг центра проекции строится виртуальный куб из наложенных друг на друга текселов текстур разного уровня детализации, которые теоретически пересекает проекция.
Внутри куба плоскость проекции может располагаться как угодно идеале будут учтены все точки, попадающие в проекцию. В зависимости от размера грани куба может быть обсчитано от 8 до 32 текселов для определения цвета единственного пиксела. Результат действительно близок к фотореалистичному, но и расход ресурсов GPU и видеопамяти очень велик.

Environment Map Bump Mapping (EMBM)
EMBM карта окружающей среды (иногда ее называют картой отражения) служит для отражения в объекте свойств окружающего пространства. Карты отражения либо создаются заранее, во время разработки игры (обычно используются сферические карты среды), либо в ходе построения трехмерной сцены (кубические карты среды).

Сглаживание
Дефекты изображения, возникающие при рендеринге трехмерной сцены, могут носить самый различный характер. Обычно пространственные искажения выражаются в ступенчатости ровных краев (так называемый «лестничный эффект»), потере мелких деталей изображения, появлении муара (регулярной структуры на изображении, не предусмотренной разработчиками), искажении текстур. Особым видом являются дефекты, связанные с непреднамеренной анимацией сцены, например мерцание объектов из-за постоянного переключения между ступенями LOD.
Технологии устранения дефектов получили название anti-aliasing. Пространственные дефекты сглаживаются либо локальными, либо глобальными методами. Локальные методы применяют к краям объектов, то есть текселы текстуры, являющиеся краевыми в полигоне, обрабатываются таким образом, чтобы исключить лестничный эффект. Широко распространенной является технология усреднения по площади. Для этого определяется весовое соотношение текселов, чьи проекции пришлись на данный пиксел. Затем их цвета смешиваются в соответствии с весовыми коэффициентами и присваиваются данному пикселу.

Сжатие текстур
Повышение разрешения текстур до 2048x2048 точек при 32-битном цветовом охвате вызвало существенное возрастание требований к объемам памяти, выделяемой для хранения текстурных карт. Ведь на основе базовой текстуры согласно многим технологиям генерируются другие уровни текстурныхкарт.
Одним из пионеров в области сжатия текстур выступила фирма 3Dfx, применив в видеокартах Voodoo технологии YAB Narrow Channel Texture и 8 bit Palletized Texture. Однако согласно данной технологии было необходимо использовать специально созданные под нее текстуры, что сразу отпугнуло других разработчиков. В итоге новшество просуществовало недолго, поддерживалось лишь в нескольких играх и тихо скончалось с прекращением выпуска указанных моделей видеокарт.
Первой по-настоящему общепризнанной технологий сжатия текстур стала S3TC (S3 Texture Compression). В зависимости от характера текстуры степень сжатия достигает 6:1. Упаковка и распаковка текстур производится «на лету» и выполняется как программными, так и аппаратными средствами. Это обстоятельство привлекло интерес фирмы Microsoft, и она лицензировала новую технологию у фирмы S3, включив механизм сжатия текстур в библиотеку DirectX (технология получила обозначение DXTC). Однако технология S3TC не является открытой, и потому другие фирмы, использующие ее, вынуждены платить лицензионные отчисления S3.
Понятно, что такое положение многих не устраивало, и вскоре появились технологии сжатия, альтернативные S3TC. В первую очередь это технология FXT1 от фирмы 3Dfx, объявленная открытой. Ее преимущества заключаются в лучшем коэффициенте сжатия, достигающем 8:1, и меньшей потере качества при компрессии текстур.
Несколько особняком стоит технология VTC (Volume Texture Compression) от фирмы nVidia. Она ориентирована исключительно на сжатие трехмерных текстур. Известно, что ЗВ-текстуры являются самыми требовательными к объему видеопамяти, однако взамен они обеспечивают великолепное качество изображения, близкое к фотореалистичному.

Графический процессор

Архитектура современных графических процессоров опирается на три фундаментальных свойства программ создания полигональной трехмерной графики:
высокая «арифметичность» графических алгоритмов с минимальной долей логических операций;
возможность эффективного распараллеливания графических алгоритмов;
потоковый характер операций графического конвейера.
Первичные данные, с которыми оперирует современная компьютерная графика (вершины, матрицы преобразования, значения цвета) относятся к векторному типу. Большинство операций, выполняемых графическим процессором, являются векторными. Графические вектора, как правило, четырехмерные: трицветные компоненты (R, G, В) и степень прозрачности (альфа-канал). Поэтому графические процессоры содержат четырехмерные векторные АЛУ (арифметико-логические устройства), исполняющие операции с компонентами того или иного формата.
Операции с цветом и прозрачностью чисто арифметические, логически данные друг от друга не зависят, поэтому их можно выполнять параллельно, то есть за один шаг. Для этого достаточно иметь один векторный АЛУ и общий блок контрольной логики, обеспечивающий произвольную к перестановку компонентов перед вычислениями. В реальных задачах обычны ситуации, когда надо обработать только двумерные векторы или скалярные величины (особенно это касается пиксельных конвейеров и пиксельных алгоритмов). В этом случае вычисления оптимизируются по схеме 2+2 (две операции над двумерными компонентами).
Особенность графических алгоритмов в том, что объекты, обрабатываемые в графическом конвейере, как правило, не зависят друг от дру га. Например, при обработке вершин треугольника совершенно не важен порядок вычислений. Поэтому в современных графических процессорах может быть несколько вершинных блоков. Обработка пикселов еще лучше поддается распараллеливанию. Как следствие, происходит рост числа пиксельных конвейеров в архитектуре GPU. То есть наращивать мощность графического ускорителя можно простым клонированием вершинных и пиксельных блоков.









Развитие графических процессоров

Первое поколение (1995-1997)
Первое поколение графических ускорителей представлено чипами, которые одинаково хорошо могут жить и на шине PCI, и на шине AGP. То есть их производительность не превосходит пропускной способности шины PCI, и потому вариант AGP ничем не лучше. Среди изделий первого поколения можно выделить модели Voodoo Graphics и Voodoo Rush компании 3Dfx, Riva 128 и Riva 128ZX компании nVidia.




3Dfx Voodoo Graphics имеет блоки обработки буфера кадра и буфера текстур, каждый со своим блоком памяти. Обработка двумерной графики не поддерживается, поэтому ускоритель ставится параллельно с обычной видеокартой. Максимальное разрешение 800x600 точек, 16-битный цвет, обработка 0,5 млн. треугольников в секунду, скорость заполнения 50 млн. пикселов в секунду.
nVidia Riva 128 имеет 128-разрядную шину памяти, комбинированный 2D/3D ускоритель, поддерживает до 4 Мбайт видеопамяти, имеет варианты исполнения с интерфейсами PCI или AGP. Модель 128ZX отличается поддержкой до 8 Мбайт видеопамяти. Глубина цветового охвата 16 бит, обработка 5 млн. треугольников в секунду, скорость заполнения до 100 млн. пикселов в секунду.

Второе поколение (1997-1999)

Второе поколение охватывает широкий круг видеокарт, которые нормально работают только на шине AGP.


У карт второго поколения появились аппаратные конвейеры для одновременной обработки двух текстур, обеспечена поддержка до 64 Мбайт видеопамяти, часто поддерживается 32-битный цвет. Повышенная частота RAMDAC обеспечивает комфортную работу в высоких разрешениях 1 экрана монитора. Глубина Z-буфера возросла до 24-32 бит. Стандартом считается аппаратная поддержка мультитекстурирования, анизотропной фильтрации и прочих современных технологий.
3Dfx Voodoo2
3Dfx Voodoo2 для своего времени оказался очень приличным чипсетом, хотя по прежнему не имел 2В-ядра. Два блока обработки текстур работают параллельно в режиме мультитекстурирования. В обычном режиме второй блок простаивает. Производительность достигает 3,3 млн. треугольников в секунду, скорость заполнения до 180 млн. пикселов в секунду. К сожалению, разрядность Z-буфера и глубина цветового охвата всего по 16 бит. Объем памяти на карте 8 или 12 Мбайт.
nVidia Riva TNT
nVidia Riva TNT по праву считается одним из лучших чипсетов своего поколения. Отличается высоким качеством картинки как в 2D-, так и в 3D-графике. Два конвейера обработки текстур позволяют выполнять мультитекстурирование за один проход. Глубина Z-буфера составляет 24 бит. Впервые аппаратно поддерживаются рельефное текстурирование, трилинейная фильтрация, анизотропная фильтрация, глобальное сглаживание.

Поколение DirectX 7 (1999-2002)
Третье поколение включает видеоускорители, оснащенные принципиально новым элементом геометрическим процессором. Тем самым значительная часть расчетов геометрических преобразований и параметров освещения снимается «с плеч» центрального процессора компьютерной системы. Такое решение позволяет значительно ускорить обработку трехмерных сцен. Однако следует подчеркнуть, что разработчики программ должны специально предусмотреть поддержку новых возможностей в своих приложениях. Согласование параметров железа и программного кода стало возможным благодаря принятию типового API DirectX 7, разработанного компанией Microsoft. С тех пор поколения графических процессоров принято различать по способности аппаратно реализовать функции какой-либо версии DirectX.


GeForce 256
GeForce 256 фирмы nVidia стал одним из первых массовых графических чипсетов, в котором применен геометрический процессор NV10, оснащенный модулем T&L (Transform, and Lighting трансформаций и освещения).
Блок трансформаций обсчитывает вершины полигонов и нормали в j трехмерной сцене в локальных координатах и в поле зрения камеры. Блок освещения определяет параметры освещенности вершин полигонов. Блок установок (Triangle Setup) обсчитывает величины смещений координат, значения буфера глубины, цветового охвата, приращения координат и коррекции перспективы. Все данные преобразуются в числовой формат с фиксированной точкой для последующей передачи в конвейер рендеринга.
GeForce2 GTS
GeForce2 GTS (GigaTexel Shader) явился дальнейшим развитием удачных решений фирмы nVidia, найденных в архитектуре GeForce 256. В архитектуре ядра NV15 удалось избавиться от недостатков предшественника и добавить новые возможности.
Улучшены возможности геометрического процессора, который способен обработать до 25 млн. треугольников в секунду. Во многом это объясняется не только усовершенствованием архитектуры геометрического процессора, но и увеличением рабочей частоты графического ядра до 200 МГц. Теперь расчет освещенности от нескольких источников не вызывает столь значительного падения производительности, как у предшественника.
И все-таки «изюминкой» чипсета является не геометрический процессор, а улучшенный блок Shading Rasterizer по сути дела, ограниченно программируемый процессор наложения текстур. Он позволяет накладывать текстуры не по заранее заданному, а по динамически изменяемому алгоритму, который определяется разработчиком игры. Это открыло новые возможности для программистов. Ведь не секрет, что технологии трехмерной графики, призванные приблизить качество изображения к фотореалистичному (ЕМВМ, SD-текстуры и пр.), применялись к ограниченному числу ключевых объектов в сцене, а все остальное закрашивалось по методу Гуро, то есть с весьма посредственным качеством. В играх, опирающихся на возможности NV15, вся сцена может рассчитываться с полной имитацией физического освещения благодаря динамическому изменению карт освещенности в блоке Shading Rasterizer.

Поколение DirectX 8
Отличительной чертой видеокарт поколения DirectX 8 стало появление программируемого блока обработки атрибутов вершин (процепссора вершин). Программы обработки (вершинные шейдеры) поначалу выполняли геометрические операции, затем могли работать с цветом вершин и прозрачностью. Подобный блок для расчета цвета пикселов на основе пиксельных шейдеров стал частью пиксельного конвейера.
GeForce3
Графический ускоритель GeForce3 на ядре NV20 компании nVidia впервые аппаратно стал поддерживать пиксельные и вершинные шейдеры, предусмотренные спецификацией DirectX 8. По сравнению с GeForce2 архитектура NV20 имеет многочисленные усовершенствования как в схемотехнике, так и методах реализации функций, что существенно подняло производительностьвидеокарт.


















Radeon 8500
Поколение DirectX 8 в линейке продуктов канадской фирмы ATI представлено видеоускорителями Radeon 8500 (ядро R200), Radeon 9000 (ядро RV250), Radeon 9200 (ядро RV280). Графический процессор производится по 0,15 мкм технологии и состоит из 60 миллионов транзисторов. Ядро кристалла имеет рабочую частоту 250 МГц, включает четыре конвейера рендеринга и блок вершинных шейдеров. Количество текстурных модулей уменьшено до двух на каждый пиксельный конвейер.
Теоретически скорость заполнения достигает 2 млрд. пикселов в секунду. Для соответствия высоким скоростям заполнения ATI увеличила частоту памяти до 550-600 МГц (используется технология DDR). Графический процессор задействует шину памяти шириной 128 бит (передача 256 бит информации за такт). Причем используется два канала шириной по 64 бит. Здесь заметно существенное отличие от архитектуры GeForce3, в котором организован 32-битный доступ в каждом из четырех независимых контроллеров памяти. Усовершенствованная технология экономии пропускной способности памяти HyperZ II (предварительного «отбрасывания» скрытых пикселов) позволяет графическому ядру получать доступ к памяти практически без ограничений.

GeForce4
В 2002 г. Фирма nVidia представила новую гамму продуктов поколения DirectX 8 под названием GeForce4. Номенклатура видеокарт разделена на две линейки: бюджет на базе GPU NV25 (GeForce4 Ti4200, Ti4400, Ti4600) и высокой производительности на базе ядра NV28 (GeForce4 Ti 4800). Младшие модели характеризуются урезанными частотами ядра и памяти.
Лидером новей серии является чипсет GeForce4 Titanium 4800 на ядре NV28, работающем на частоте 300 МГц, оснащенным четырехканальной 128 битной память DDR SDRAM с эквивалентной частотой 650 МГц




Поколение DirectX 9
Графические ускорители с полностью программируемым графическим процессором относятся к поколению DirectX 9. Благодаря их появлению разработчики программ получили возможность описывать способы обработки графики с помощью команд, похожих на операторы языков программирования высокого уровня например С++. В частности, компания nVidia даже разработала язык Сg (С Graphics) для программирования своих графически процессоров. Поддержка программируемых графических процессоров предусмотрена в API DirectX версии 9 различных версий. На момент написания книги последней была версия 9.0с, поддерживающая вершинные и пиксельные шейдеры версии 3.0














GeForce FX
18 ноября 2002 г. состоялось представление «общественности» графического процессора компании nVidia GeForce FX линейки 5ххх на ядре NV3QE аппаратно поддерживающем спецификации DirectX 9 (пиксельные шейдеры версии 2.0 и вершинные шейдеры версии 2.0). При проектирован;: NV30 впервые в полной мере были использованы наработки коллектив инженеров фирмы 3Dfx, ранее скупленной на корню nVidia. GeForce FX снабжен одним (ядро NV31 и IW34), двумя (ядро NV30) или тремя (ядро NV35, NV35, NV38) независимыми вершинными процессорами, полностью соответствующими (и даже превосходящими) спецификации DX9 на вершинные шейдеры версии 2.0. Современные трехмерные приложения достаточно часто вызывают функции API, чтобы изменить различные параметры графики. Буфер с геометрической информацией отсылается по шине AGP на ускоритель, который должен провести обработку с участием ранее заданных шейдеров и текстур. Различные настройки накапливаются драйвером в специальном буфере в системной памяти. При необходимости нарисовать что-либо с их использованием ускорителю передается указатель на этот буфер. Начиная с этого момента, ускоритель самостоятельно интерпретирует буфер, настраивая свои внутренние блоки, и выводит на экран фигуры по переданным ему геометрическим данным, так же постепенно выбирая геометрические данные из локальной и/или системной памяти. После забора данных драйверы API сразу возвращают управление программе и продолжают собирать настройки и команды в новом буфере. Интерпретация параметров определяется только кодом вершинного шейдера, т. е. написавшим его программистом



GeForce семейства 6ххх

В 2004 г. компания nVidia разработала новое семейство графических процессоров GeForce 6ххх, аппаратно поддерживающее пиксельные и вершинные шейдеры версии 3.0, что отвечает спецификации DirectX 9.0с. Флагманом семейства стал видеоускоритель GeForce 6800 Ultra на ядре NV40, насчитывающем 222 миллиона транзисторов. Для сравнения, процессор Pentium 4 ЕЕ имеет 178 миллионов транзисторов, из них 149 миллионов составляют кэш второго уровня. Само же ядро процессора состоит всего из 29 миллионов транзисторов. Чип NV40 производится для nVidia компанией IBM по технормам 0,13 мкм. Исходя из затрат на производство такого монстра, в момент появления на рынке GeForce 6800 Ultra цена в районе полкилобакса за видеокарту не выглядела чрезмерной.
Архитектура пиксельного конвейера графического процессора подверглась практически полному пересмотру. С предшествующей архитектурой NV35/38 осталось мало общего. Дизайн пиксельного конвейера NV40 можно определить как 16x1 (обработка 16 пикселов за такт по цвету и значению глубины) или 32x0 (обработка 32 пикселов за такт только по значению глубины).





















Radeon 9500
Компания ATI одной из первых приступила к выпуску графического процессора поколения DirectX 9, представив модель Radeon 9500 на основе ядра R300. Основные характеристики графического процессора R300:
технологические нормы 0,15 микрон, 107 миллионов транзисторов;
память DDR с шириной шины 256 бит, тактовая частота 300 (600 DDR) МГц;
четырехканальный контроллер памяти по перекрестной схеме;
аппаратная поддержка функций DirectX 9;
четыре вершинных процессора;
восемь пиксельных процессоров, восемь текстурных блоков;
два контроллера мониторов, два 400 МГц RAMDAC, TV-Out, DVI (TDMS-трансмиттер) интерфейс.
Таким образом, сразу после выхода на рынок R300 стал одним из лидером в сфере игровых ускорителей. Причем как в плане совершенства архитектуры графического процессора, так и с точки зрения производительности






















ТЕМА 14

ПЕРЕНОСНІ КОМП’ЮТЕРИ


На сьогоднішній день склалися три основні способи класифікації мобільних комп’ютерів:
за габаритами і масою;
за функціональними можливостями і ціною;
за типом платформи.

Класифікація мобільних комп'ютерів

Один за найважливіших параметрів мобільних комп'ютерів є його габарити і вага. По цьому показнику мобільні комп’ютери прийнято розділяти на такі групи:
кармані персональні комп’ютери (КПК);
ультра компактні (субноутбуки);
«тонкі» ноутбуки;
середньо форматні ноутбуки (раніше називалися 2наколенні» - laptop);
заміна настільного пк (dtr).

Особливу групу створюють планшетні комп’ютери, які оснащені сенсорними екранами. По розмірам і масі вони відповідають «тонким» ноутбукам
Класифікація за функціональними можливостями і ціною:
масові моделі;
бізнес-ноутбуки;
ультра портативні;
високопродуктивні.
Класифікація за типом платформи:
AMD Athlon64 , Intel Mobile Pentium 4;
Intel Pentium M;
AMD Athlon XP-M , Mobile Sempron;
Intel Celeron M, Mobile Celeron;
VIA C3 Antaur,Transmeta Efficion;
Intel Mobile XScale, TI OMAP, Samsung S3C і тому подібне.
Можливості процесора для мобільної платформи характеризує, крім всього іншого, так званий «тепловий пакет». Він представляє собою максимальну теплову потужність, які розвиває процесор, і забезпечує ефективний відвід тепла компоненти платформи.

Архітектура мобільних комп'ютерів

Ноутбук представляє собою повністю автономну обчислювальну систему, яка не вимагає для свого функціонування зовнішніх пристроїв.
Архітектура ноутбуків завжди результатом компромісу між взаємовиключними технічним вимогами:
мінімальні габарити і вага;
максимальний час автономної роботи;
продуктивність, що не вступає настільним ПК;
висока ємкість накопичувачів;
підтримка сучасних мультимедійних технологій;
екран високого дозволу;
повно розмірна клавіатура;
повний комплект сучасних зовнішніх інтерфейсів.

Дисплеї
Найпомітніше, звичайно ж, відрізняються дисплеї. Проходить нарешті ера значних телевізійних ящиків з трубкою, в якій емітер бомбардує електронами увігнутий скляний екран. Їх змінюватимуть плоскі екрани завтовшки не більш 2 см, звані рідкокристалічними дисплеями або LCD (Liquid Crystal Display). Якийсь час індустріальним стандартом для звичних портативних комп'ютерів були монохромні дисплеї, сучасні комп'ютери комплектуються майже виключно кольоровими дисплеями.

Рідкокристалічний дисплей

Допускає єдино можливий дозвіл. Це пояснюється тим, що на рідкокристалічній панелі розмір пікселя не можна змінити. У настільних системах дозволом монітора управляє вихідний сигнал відеоадаптера, він змінює кількість пікселів на екрані. При переході від дозволу 640x480 до 800x600 пікселі зменшуються вони повинні поміститися в той же самий простір. Рідкокристалічні дисплеї випускаються з наступними дозволами:
VGA 640x480;
SVGA 800x600;
XGA 1 024x768;
SXGA 1 280x1 024;
SXGA+ 1 400x1 050;
UXGA 1 600x1 200.

Таблиця 141 Розміри рідкокристалічних дисплеїв

Дисплей
Розміри, пікселів
Масштабний коефіцієнт
Лінійні розміри, дюймів
Кількість пікселів на дюйм

8,4" VGA Ширина Висота Діагональ
640 480 800
1,33
6,72 5,04 8,40
95

9,5" VGA Ширина Висота Діагональ
640 480 800
1,33
7,60 5,70 9,50
84

10,4" VGA Ширина Висота Діагональ
640 480 800
1,33
8,32 6,24 1,40
77

10,4" SVGA Ширина Висота Діагональ
800 600 1000
1,33
8,32 6,24 10,40
96

11,3" SVGA Ширина Висота Діагональ
800 600 1000
1,33
9,04 6,78 11,30
88

12,1" SVGA Ширина Висота Діагональ
800 600 1000
1,33
9,68 7,26 12,10
83

12,1" XGA Ширина Висота Діагональ
1024
768
1280
1,33
9,68 7,26 12,10
106

13,3" XGA Ширина Висота Діагональ
1024
768
1280
1,33
10,64
7,98
13,30
96

13,7" SXGA Ширина Висота Діагональ
1280 1024 1639
1,25
10,70
8,56
13,70
120

14,1" XGA Ширина Висота Діагональ
1024
768
1280
1,33
11,28
8,46
14,10
91

15,0" XGA Ширина Висота Діагональ
1024
768
1280
1,33
12,00
9,00
15,00
85

Дисплеї подвійного сканування

Дисплеї подвійного сканування іноді називають пасивно-матричними (або дисплеями з пасивною матрицею), в них транзистори розташовуються уздовж двох суміжних сторін екрану. Кількість транзисторів і визначає дозвіл екрану. Наприклад, дисплей подвійного сканування з 640 транзисторами уздовж осі X і 480 транзисторами уздовж осі У утворює грати, аналогічні міліметрівці. Кожним пікселем управляє пара транзисторів з відповідними координатами по осях X і У.
У такому моніторі при виході з ладу одного транзистора відключаються всі керовані ним пікселі, утворюючи перетинаючу екран чорну лінію. Ця проблема розв'язується тільки шляхом повної заміни екрану. Термін подвійне сканування означає, що процесор перемальовує половину екрану за раз; такий спосіб прискорює процес оновлення зображення.
Активно-матричні дисплеї

Активно-матричні дисплеї (або дисплеї з активною матрицею), також відомі як TFT-дисплеї (Thin Film Transistor тонкопленочниє транзистори), відрізняються від дисплеїв подвійного сканування тим, що містять по транзистору для кожного пікселя на всьому екрані, а не тільки по краях. Транзистори встановлені в гратах з провідного матеріалу, забезпечуючої їх горизонтальне і вертикальне з'єднання. Розташовані по периметру грати електроди подають диференційована напруга, адресуючи кожен піксель індивідуально. Активно-матричний дисплей також можна зіставити з листом міліметрівки, крапки на якому розташовуються в кожному перетині горизонтальних і вертикальних ліній (при цьому кожна крапка є транзистором).

Процесори для мобільних ПК

Процесори AMD Athlon 64 DTR або Intel Mobile Pentium 4 встановлюються у ноутбуках класу «заміна настільним ПК». В рамках даного класу компанії AMD і Intel пропонують звичайні процесори, які випускаються для настільних ПК, але які містять додаткові елементи, що знижують енергоспоживання і тепловиділення. Процесори Intel Mobile Pentium 4 виготовляють на ядрі Northwood (кеш-пам'ять другого рівня об’ємом 512 Кбайт) з підтримкою технології Hyрer-Threading або без неї. Робочі частоти досягають 3,2 ГГц. Системна шина підтримує технологію Quad Pumped і працює на тактовій частоті 533 МГц. Тепловий пакет розрахований на потужність 76 Вт. Варіант процесора на ядрі Prescott має кеш-пам'ять другого рівня об’ємом 1Мбайт, робочі частоти до 3,2 ГГц. Тепловий пакет Intel Mobile Pentium 4 на ядрі Prescott розрахований на потужність до 94 Вт.
Процесори AMD Athlon64 DTR нічим не відрізняються від процесорів для настільних ПК. Вони оснащені кеш-пам’яттю другого рівня об’ємом 1 Мбайт, підтримують технологію зниження енергоспоживання Cool’n’Quiet. Робочі частоти досягають 2200 МГц. Тепловий пакет розрахований на потужність до 81,5 Вт.
Процесор Intel Pentium M має архітектуру,спеціально розроблену для використання в мобільних комп’ютерах. Це єдиний екземпляр такого роду серед інших моделей, які лише підходять для роботи на мобільних комп’ютерах. Ядро процесора основане на архітектурі Pentium ІІІ Tualatin.
Процесор AMD Athlon XP-M і Mobile Sempron призначити для того ж сектора ринку Mobile Sempron мобільних платформ, що і процесор Intel Pentium M. Представники сімї процесорів AMD Athlon XP-M не відрізняються від інших процесорів. Але платформа підтримує технологію power Now, яка дозволяє знизити енергоспоживання і тепловиділення при неповному завантажені процесора. В сімї AMD Athlon XP-M представлені процесори на ядрі Thoroughbred (кеш об’ємом 256 Кбайт) і на ядрі Barton ( кеш об’ємом 512 Кбайт). Робочі частоти досягають 2200 МГц, тепловий пакет розрахований на потужність до 72 Вт.
Процесори Mobile Sempron побудовані на урізаній архітектурі Mobile Athlon64. Архітектура процесора базується на ядрах Dublin або Georgetown, в яких відключені 64-бітні розширення Athlon64. В якості системної використовується шина Hyper Transport з частотою 800 МГц.
Процесори Intel Celeron M і Mobile Celeron широко представлені в категорії недорогих ноутбуків. Сімя процесорів Intel Celeron M побудована на ядрі Banias . Робочі частоти до 1,5 ГГц і розраховані на тепловий пакет до 24,5 Вт.
Сім’я Mobile Celeron має архітектуру, засновану на ядрі Northwood Робочі частоти досягають рівня 2,5 ГГц при частоті системної шини 400 МГц. Сім’я вкладається в тепловий пакет 35 Вт.
Ноутбуки на платформі Transmeta Efficion випускаються лише декількома японськими фірмами. Використовується ядро типу VLIW. Мікроархітектура VLIW здатна оброблювати за кожний такт слово, яке складаєься з восьми мікроінструкцій. Ключовою особливістю Transmeta Efficion є наявність вбудованого програмного компілятора для перекладу х86-інструкцій в слова VLIW перед відправкою їх у ядро. Компілятор зберігається в енергонезалежній пам'яті. Фактично компілятор одночасно виконує функції транслятора коду, забезпечує позачергове виконання інструкцій.

Пам'ять
Додавання пам'яті це, мабуть, один з найпоширеніших способів модернізації ПК, і портативні комп'ютери тут, звичайно ж, не виключення. Але є один нюанс: чипи пам'яті портативних комп'ютерів мають специфічну конструкцію. Якщо для настільних систем існує декілька видів стандартних роз'ємів для установки додаткової пам'яті, то для портативних ПК їх десятки; кожен виробник знаходить свій спосіб розміщення елементів в маленькій, щільно упакованій системі. Більшість виробників використовує модулі пам'яті DIMM, звані Small Outline DIMM (SO-DIMM), які за розмірами менше аналогічних модулів для настільних комп'ютерів, але повністю ідентичні по електричних параметрах. SO-DIMM випускаються у формі EDO (Extended Data Out) і SDRAM (Synchronous DRAM). У останніх моделях портативних комп'ютерів використовуються модулі пам'яті SO-RIMM (Small Outline Rambus Inline Memory Modules), які по своїх електричних параметрах повністю ідентичні модулям RIMM для настільних комп'ютерів, але мають менші розміри. У деяких портативних системах використовуються картріджи пам'яті, які більше нагадують платню PC Card, але вставляються в спеціально призначені для них роз'єми. Не судіть про сумісність за зовнішнім виглядом модулів. Обов'язково перевірте в документації до ПК, чи схвалені виробником системи специфікації цих модулів. Це зовсім не означає, що купувати пам'ять потрібно виключно у виробника самого комп'ютера. На виготовленні мікросхем пам'яті спеціалізується безліч компаній, у них великий вибір компонентів для найрізноманітніших комп'ютерів, і вони часто повторюють конструкцію модулів, що випускаються виробниками ПК. Здорова конкуренція сприяє зниженню цін, а виробників більше хвилюють тисячі доларів за комп'ютери, що продаються ними, ніж дрібниця, що виручається від продажу чипів пам'яті. Якщо модулі пам'яті можуть істотно відрізнятися один від одного, то мікросхеми, з яких вони складені, як правило, ті ж, що і в настільних системах, тобто ті ж чипи DRAM і SRAM і, звичайно ж, мікросхеми типа EDO (Enhanced Data Out), SDRAM (Synchronous DRAM) і RDRAM (Rambus DRAM). У свій час в портативних системах не встановлювали кеш-пам'ять, оскільки використовувані для цього типу пам'яті мікросхеми SRAM виділяли велику кількість тепла. Тепер завдяки управлінню тепловиділенням в старших моделях портативних комп'ютерів встановлюється кеш-пам'ять на мікросхемах SRAM. При додаванні пам'яті в портативний комп'ютер необхідно враховувати декілька чинників. По-перше, вартість самої пам'яті. По-друге, встановлювати більше 64 Мбайт в портативні комп'ютери з процесором Pentium не має сенсу, оскільки набір мікросхем в таких системах не підтримує кешування більше 64 Мбайт пам'яті. У портативних комп'ютерах на базі процесорів Pentium II/III Celeron може кешироваться об'єм пам'яті до 4 Гбайт.Не забувайте той факт, що збільшення об'єму пам'яті підвищує навантаження на батарею портативного комп'ютера, отже, термін її життя зменшується. У деяких моделях портативних комп'ютерів немає вільних роз'ємів для додавання пам'яті, тому в таких системах доведеться замінювати встановлений модуль пам'яті.
Жорсткі диски
Конструкція накопичувачів на жорстких дисках, що випускаються для портативних комп'ютерів, теж мало відрізняється від настільних, хіба що розмірами і упаковкою. Практично скрізь використовуються EIDE-накопичувачі з діаметром дисків 2,5 дюйми і висотою від 12,5 до 19 мм, залежно від розмірів системи. У портативних накопичувачах IDE застосовується єдиний кабель для передачі даних і подачі електроживлення, на відміну від двох кабелів в настільних системах.
Як і модулі пам'яті, накопичувачі на жорстких дисках встановлюються по-різному, так що і тут складнощі з модернізацією не виключені. У деяких системах використовується спеціальний контейнер, який і підтримує накопичувач, і підключає його до системи. Немає нічого простіше, ніж встановити накопичувач в таку систему: вставляєте його в контейнер, закріплюєте контейнер в корпусі і справа зроблена. Якщо вам не так повезло, доведеться купити накопичувач, що спеціально призначений для комп'ютерів вашого типу і має потрібні роз'єми.
У багатьох портативних комп'ютерах жорсткі диски замінити набагато простіше, ніж в настільних. Це відкриває чудові можливості: наприклад, використовувати комп'ютер спільно з іншими користувачами і при цьому мати власний жорсткий диск або ж працювати з різними операційними системами, встановленими на окремих накопичувачах.
Встановлюючи новий накопичувач, не забувайте, що за його підтримку відповідає системна BIOS. А старі BIOS не підтримують жорстких дисків великої місткості. В основному це торкається версій, випущених до 1995 року (тоді набули широке поширення накопичувачі EIDE). Максимальний допустимий розмір накопичувача складав тоді 528 Мбайт. У деяких системах для запису BIOS використовуються мікросхеми Flash-ROM, в таких випадках можна замінити версію BIOS новішої, і проблема з підтримкою потрібних накопичувачів буде розв'язана.
Жорсткі диски для портативних систем мають одну з приведених висот:
8,4 мм;
9,5 мм;
12,5 мм;
12,7 мм;
17,0 мм

Накопичувачі для ноутбуків

Жорсткі диски для мобільних комп'ютерів в ноутбуках класу відрізняються малими розмірами, вагою і енергоспоживанням. Розміри жорстких диск задані форм-фактором. В ноутбуках класу DTR часто використовують жорсткі диски форм-фактора 3,5 дюйма. Але в більшості ноутбуків використовується жорсткий диск форм-фактора 2,5 дюйми. Ємність жорстких дисків – до 80 Гбайт. Основна маса жорстких дисків має швидкість обертання шпінделя 4200 або 5400 об/хв. Щільність запису на пластину досягає 40 Гбайт.
Окрім звичних жорстких дисків, в портативних комп'ютерах все частіше з'являються і інші високоємкі носії даних. Накопичувачі CD-ROM давно вже перестали бути рідкістю і для лептопов, і для ноутбуків; зустрічаються накопичувачі і для змінних носіїв, такі як Zip. Їх використовування стало можливим, після того, як була розроблена специфікація EIDE, що описує єдиний інтерфейс для накопичувачів різних типів.
А як же йдуть справи з дисководами для гнучких дисків? Деякі виробники субноутбуків економлять простір і тому не включають ці пристрої взагалі, інші ж пропонують зовнішні дисководи. Звичайно, це прийнятне далеко не для всіх. Багато користувачів портативних комп'ютерів, особливо ті, хто часто підключається до локальної мережі, майже не потребують дискет. Навіть для інсталяції додатків все частіше і частіше використовуються не дискети, а компакт-диски.

PC Card (PCMCIA)

Користувачі настільних ПК звикли до того, що це гнучкі і легкорасширяємиє системи, тому виробники портативних комп'ютерів прагнуть надати їм і тут ті ж можливості. Асоціацією PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association Міжнародна асоціація платні пам'яті для ПК) було розроблено декілька стандартів на маленьку, розміром з кредитну картку, платню розширення, названі PC Card. Це один з небагатьох стандартів, портативних комп'ютерів, що успішно закріпилися на ринку.
Перша версія цього стандарту визначала платню типа Type I розміром з кредитну картку 3,4x2,1 дюйма (близько 8,6x5,3 см) і завтовшки 3,3 мм. Цей стандарт кілька разів переглядався, розширялися функції підтримуваної платні. Його третя версія, названа PC Card Specification, яка з'явилася в лютому 1995 року, визначає вже три типи платні, відмінної один від одного тільки товщиною.

Клавіатури

На відміну від великих виносних клавіатур настільних систем, клавіатури портативних комп'ютерів вбудовані в корпус. Отже полагодити або замінити їх набагато важче. А тому при покупці портативного комп'ютера клавіатурі варто надати найпильнішу увагу.
Створюючи маленькі клавіатури, розробники насамперед позбавилися окремого цифрового блоку. Його функції виконує стандартна буквено-цифрова частина клавіатури. Активізується такий режим натисненням певної комбінації клавіш в поєднанні з клавішею (або ). Це нова управляюча клавіша, яка є на багатьох клавіатурах портативних комп'ютерів, призначена для активізації різних спеціальних функцій, таких, наприклад, як альтернативні режими дисплея або клавіатури.

Позиціонуючі пристрої
Вибір позиціонуючого пристрою, як і вибір розкладки і чутливості клавіатури, в значній мірі залежить від особистого смаку користувача. Позиціонуючі пристрої більшості сучасних комп'ютерів можна віднести до одного з трьох типів.
Trackball. Це маленький, розміром біля напівдюйма, кулька. Його часто вбудовують в клавіатуру трохи нижче клавіші пропуску. Зручні і акуратні, ці пристрої, проте, не завоювали особливої популярності, оскільки пил, що швидко накопичується під кулькою, і бруд знижує їх чутливість.
Trackpoint. Ця розробка IBM, швидко підхоплена багатьма іншими виробниками, є маленьким (близько 0,5 см) покритим гумою важелем, розташованим між клавішами , і . Він дуже схожий на пральну гумку на кінці звичного олівця. Він нахиляється в будь-якому напрямі, викликаючи переміщення покажчика по екрану. Дуже зручне те, що їм можна управляти, не відриваючи рук від клавіатури. У ранніх моделях гумове покриття важеля швидко зношувалося, а замінити його було дуже складно; тепер виробники застосовують для його виготовлення міцніші матеріали.
Trackpad. Це сама остання з розробок, яка є плоскою поверхнею, що володіє електромагнітною чутливістю. Розміром вона 1x2 дюйма (близько 2,5x5 см) і реагує просто на ковзання по ній вашого пальця А постукування пальцем означає клацання кнопки миші. У цих пристроїв великий потенціал, проте вони вельми чутливі до випадкових дотиків, що викликають небажані переміщення миші, а також до вогкості (і повітря і пальців), що викликає непередбачувану поведінку покажчика.

Батареї

Найчастіше користувачів портативних комп'ютерів турбує час автономної роботи від батареї. І хоча способи управління енергоспоживанням безперервно удосконалюються, потреби апаратури ростуть ще швидше. Так, за останні два роки ефективність використовування енергії була збільшена удвічі, але і потужність, споживана новими процесорами і накопичувачами CD-ROM, зросла в стільки ж разів. Сучасний портативний комп'ютер може 6-10 годин автономно працювати від батареї.
Типи батарей
Існує чотири основні типи акумуляторних батарей.
Никель-кадмієвиє (NiCd). Ці батареї зараз застосовуються рідко, оскільки їх життя коротке, так до того ж вони вельми чутливі до неправильних умов зарядки і розрядки. Поки батарея не використовується, вона дуже довго зберігає заряд, але якщо її не повністю розрядити перед перезарядкою або зарядити дуже сильно, час її життя може істотно скоротитися. Якщо після зарядки никель-кадмієвую батарею не використовувати в портативному комп'ютері, а просто покласти, то вона втрачає 10% заряду в перші 24 години і потім приблизно 10% в місяць. Ця батарея може витримати більше 1 500 циклів заряду/розряду.
Никель-металлогидрідниє (NiMeH). Ці батареї дорожчі, ніж никель-кадмієвиє, але і час їх життя відсотків на 30 більше, до того ж вони менш чутливі до умов зарядки і розрядки. Але, на відміну від никель-кадмієвих, вони не можуть так довго зберігати заряд, знаходячись в непрацюючому стані, і не видержіват такої великої кількості перезарядок (близько 500). Батареї NiMeH використовуються в більшості недорогих портативних систем.
На іонах літію. Ці батареї зараз є індустріальним стандартом. Час їх життя триваліший, ніж у двох попередніх, їх не можна зарядити дуже сильно, і вони чудово утримують заряд в стані “спокою”. Батареї на іонах літію забезпечують достатню потужність для роботи найсучасніших і дуже навантажених систем. Але, на відміну від батарей NiMeH і NiCd, їх можна використовувати тільки в тих системах, які спеціально розроблені для них. Якщо ви не хочете бути свідком пожежі, не потрібно поміщати батарею на іонах літію в систему, розраховану на NiMeH і NiCd! Ці батареї витримують більше 1 000 циклів заряду/розряду. Батареї на іонах літію найдорожчі з трьох, тому звичайно їх використовують в наймогутніших системах.
Літій-полімерні. Цей тип батарей розробляється вже декілька років, але на ринку дотепер не з'явився. Літій-полімерні батареї можуть бути виконані у вигляді тонких плоских пластин, що поміщаються із задньої сторони LCD-екрану; вони важать менше, ніж на іонах літію, а час їх життя відсотків на 40 більше. Ці батареї витримують більше 500 циклів заряду/розряду. Якщо такі батареї все ж таки коли-небудь з'являться в комп'ютерах, це буде дуже значною і украй необхідною новиною.

Комп'ютерна периферія

Існує безліч додаткових пристроїв, які виконують необхідні (при певних обставинах) функції, але вбудовувати які прямо в портативні комп'ютери невигідно або незручно. Додаткова апаратура може знадобитися для багатьох навіть найзвичніших операцій, виконуваних на портативних комп'ютерах.
Зовнішні дисплеї

Дуже часто для презентацій, що проводяться перед самими різними аудиторіями, використовуються могутні лептопи. Але навіть для показу невеликій групі глядачів потрібен екран, що значно перевищує розмір екрану портативного комп'ютера. Тому в більшості портативних систем є роз'єм для підключення стандартного VGA-монітора.
Користувач може вказати системі, на який з моніторів він хоче виводити інформацію: на зовнішній, вбудований або на обидва відразу; перемикання режимів здійснюється або за допомогою спеціальної комбінації клавіш, або через установки системної BIOS. І, якщо можливості відеоадаптера дозволяють, можна навіть використовувати більший дозвіл, ніж у вбудованої LCD-панелі.
Якщо ж аудиторія настільки велика, що звичного настільного монітора теж недосить, існує ще ряд можливостей вирішити цю проблему.
Прозорі рідкокристалічні панелі
Існують рідкокристалічні дисплеї, подібні вбудовуваним в портативні комп'ютери, але що не мають задньої стінки; вони фактично прозорі. У них використовуються ті ж технології і той же дозвіл, що і в більшості екранів, що є на ринку, з активною матрицею. Звичайно таку панель розташовують перед проектором, і зображення проектується на стіну або великий екран. Ці панелі призначені не тільки для використовування з портативними комп'ютерами і тому забезпечені такими ж кабелями, як і стандартні настільні монітори.
Зовнішні дисплеї чудово підходять для проведення повчальних занять і представлення різного роду інформації, проте вони не мають того степеня глибини і насиченості кольору, яка здатна зробити комерційні презентації яскравими і вражаючими. І ще, якість зображення залежить від яскравості лампи, використовуваної для його проектування на екран.

LCD-проектори
Так називаються пристрої, що поєднують прозору рідкокристалічну панель і проектор в єдиному блоці. Цей пристрій підключається до роз'єму VGA точно так, як і звичний монітор. Якщо в ньому є колонки, то вони підключаються окремим кабелем. Не всі LCD-проектори портативні, деякі з них призначені для стаціонарного використовування. Портативні моделі розрізняються вагою, конструкцією і яскравістю ламп (вимірюваної в люменах).

Телевізійний вихід

Телевізійний вихід використовується для підключення портативного комп'ютера до звичного телевізора. Дані подаються на телевізійний вихід (TV-out) або в північноамериканському телевізійному стандарті NTSC, або в європейському PAL, іноді комп'ютери підтримують обидва стандарти. Після підключення телевізора програмне забезпечення дозволить вам набудувати картинку на екрані. Сучасні відеоадаптери і настільних і портативних комп'ютерів, як правило, мають телевізійні виходи.
Окрім відеоадаптерів, функцію перетворення сигналу можуть виконувати і зовнішні пристрої, що випускаються деякими виробниками, які з одного боку підключаються до комп'ютерного порту VGA, а з іншою до телевізора. Ці пристрої перетворять цифровий сигнал VGA в аналоговий телевізійний сигнал стандарту NTSC або PAL.

Стикувальна станція

Оскільки в даний час багато портативних систем можуть практично повністю замінити настільні комп'ютери, все велику популярність набувають так звані стикувальні станції (docking station). Це настільний пристрій, що підключається до портативного комп'ютера і містить блок живлення, набір портів для підключення повнорозмірної клавіатури і миші, а також порти введення-висновку і VGA-вихід для стандартного настільного монітора.
При стиковці клавіатура і дисплей портативного комп'ютера автоматично відключаються, а інші компоненти процесор, пам'ять і жорсткий диск (тобто власне комп'ютер) продовжують працювати. Виходить, що ви працюєте на тому ж комп'ютері, але використовуєте повнофункціональний настільний інтерфейс. Стикувальна станція може містити і багато інших компонентів, наприклад мережевий адаптер, зовнішні динаміки, додатковий жорсткий диск або накопичувач CD-ROM, роз'єми PC Card і пристрій для перезарядки батареї.
Зв'язок
Найважливішою особливістю застосування портативних комп'ютерів є можливість під час подорожей і поїздок підтримувати модемний зв'язок з будинком або офісом. Зараз все частіше в готелях і аеропортах встановлюються телефонні розетки, призначені саме для цієї мети, проте нерідко буває і так, що важко знайти, куди підключити свій модем. Але, на щастя, вже існують продукти, що дозволяють розв'язати цю проблему.
Зовсім недавно на ринку з'явилися модеми зв'язку GSM. Цей модем є простою картою PC Card з невеликою антеною. Слід зазначити, що максимальна швидкість такого типу модемів складає 9 600 бит/с.

Контрольні питання

Перерахуєте типи портативних комп'ютерів
Дайте характеристику комп'ютера Лептоп (Laptop).
Дайте характеристику комп'ютера Ноутбук (Notebook).
Дайте характеристику комп'ютера субноутбук (Subnotebook).
Дайте характеристику комп'ютера Палмтоп (Palmtop).
Опишіть дисплеї портативних комп'ютерів.
Опишіть процесори портативних комп'ютерів.
Опишіть пам'ять портативних комп'ютерів.
Опишіть жорсткі диски портативних комп'ютерів.










ТЕМА 15

Приводи CD і DVD

Компакт-диски і пристрої для роботи з ними.
CD (компакт-диск) це диск діаметром 120 мм, виготовляється з полімерів і покритий металевою плівкою, звично сплавом на основі алюмінію. Інформація прочитується саме з цієї металевої плівки, яку додатково покривають шаром прозорого полімеру, який захищає дані від механічного пошкодження. Зверху диска звичайно розміщують етикетку, а з нижньої частини виробляють прочитування інформації. Таким чином компакт-диск є одностороннім носієм інформації.
Прочитування інформації з диска відбувається за рахунок реєстрації змін інтенсивності відображеного від алюмінієвого шару випромінювання малопотужного лазера. Приймач (фотодатчик) визначає, чи відобразився промінь лазера від гладкої поверхні, або був рассеян/поглощен. Розсіювання або поглинання променя відбувається в тих місцях, де в процесі запису на диск були нанесені поглиблення (штрихи). Сильне віддзеркалення відбувається про тих областей диска, де таких штрихів немає. Фотодатчик сприймає лазерний промінь, відображений від поверхні диска, потім ці сигнали поступають в мікропроцесор прочитуючого пристрою, там вони перетворяться в двійкові дані.
Глибина кожного штриха на диску рівна 0,12 мкм, ширина - 0,60 мкм. Штрихи розташовані у вигляді спіральної доріжки, відстань між сусідніми витками якої складає 1,60 мкм, що відповідає густині 16 тис. витків на дюйм, або 625 витків на мм. Довжина штрихів уздовж доріжки запису може коливатися 0т 0,9 мкм до 3,3 мкм. Доріжка починається на деякій відстані від центрального отвору диска і закінчується приблизно в 5 мм від краю диска.
Запис же на компакт-диск здійснюється одноразово і полягає в нанесенні на чисту поверхню алюмінієвого шару відповідного малюнка штрихів. Такий запис здійснюється або випалюванням за допомогою лазерного променя, або шляхом штампування. Оскільки записану поверхню вже неможливо повернути в початковий стан, то і виробити перезапис інформації на компакт-диск не можна.
Дані на компакт-дисках записуються з використанням технології CLV (Constant Linear Velocity - запис з постійною лінійною швидкістю). Це означає, що запис і відтворення даних з компакт-диска відбуваються з постійною лінійною швидкістю переміщення доріжки щодо прочитуючого пристрою. Іншими словами, при прочитуванні інформації з внутрішніх доріжок диск повинен обертатися швидше, а при прочитуванні із зовнішніх - повільніше. Цей спосіб застосовується тому, що спочатку компакт-диски були призначені для відтворення звуку, при якому потрібна постійна швидкість прочитування даних. У зв'язку з цим спіраль компакт-диска розбивається на блоки (сектори), частота проходження яких при записі і відтворенні складає 75 блоків секунду. Це означає, що при повному часі прочитування, рівному 74 мін, на диску розташовується 333 тис. блоків (секторів).
Фізичний пристрій CDROM Drive.
Давайте тепер коротко розглянемо, з чого складається пристрій для прочитування даних з CDROM - CDROM Drive.
Типовий пристрій накопичувача приведений на малюнку.




















Напівпровідниковий лазер (4) генерує малопотужний лазерний промінь, який потрапляє на дзеркало, що відображає. Двигун, керований мікропроцесором CDROM Drive зміщує рухому каретку (6) з дзеркалом, що відображає, і фокусуючою лінзою (7) до потрібної доріжки компакт-диска (1). Промінь лазера фокусується на поверхні CDROM за допомогою лінзи, а потім лінза фокусує відображений від поверхні диска промінь. Цей промінь за допомогою оптичної системи (5) подається на фотоприймач (3), який перетворить прийняті світлові імпульси в електричні, які потім відповідним чином розшифровуються контролером (2) і передаються в комп'ютер у вигляді цифрових даних. І зразу ж декілька рад з ремонту CDROM Drive:
Пристрої для запису на CD
Існують пристрої, які дозволяють здійснювати запис на лазерні диски, такі пристрої називають CD-R Drive (CD Recordable, записуюче на CD пристрій), а сам диск, на який виробляється запис називається просто CD-R. Чистий CD-R не має на своїй поверхні жодного поглиблення, він є чистою поверхнею. При записі на цій поверхні лазерний промінь записуючого пристрою випалює поглиблення, виробляючи таким чином запис інформації. Як CD не застосовують алюмінієві диски, матеріал підкладки - золото. Зрозуміло, одного разу записавши інформацію на такий диск, її не можна стерти або змінити, оскільки при записі шар золота необоротно змінюється. Пристрій CD-R Drive здатний, розуміє і читати як інформацію, записану на золотих, так і на звичних алюмінієвих дисках. Швидкість таких пристроїв маркірують звичайно двома числами, наприклад 4х/24х : запис виробляється на 4х швидкості, читання - на 24х. Запис на швидкостях вище 12х звичайно неможлива і сьогодні, оскільки при записі на дуже високій швидкості диск сильно розігрівається і розширяється, що приводить до неточного, нечитаного запису. Крім одноразово записуваних CD-R, існують і багато разів перезаписувані CD-RW (CD ReWritable). Диск CD-RW має активний шар із сплаву Ag-In-Sb-Te (срібло-индий-сурьма-телур). Такий шар при нагріванні до 500-700 З розплавляється, втрачаючи властивості, що відображають, таким чином можна здійснити запис інформації. При нагріванні ж до температури близько 200 Із здібності шару, що відображають, відновлюються, таким чином запис на такий носій можна виробляти багато разів. Відповідно, пристрої запису на CD-RW можуть ще і записувати звичні золоті диски, і, зрозуміло, читають звичні алюмінієві. Пристрій маркірують вже трьома швидкостями, наприклад: 4х/10х/32х, що означає перезапис на 4х швидкості, запис на золото на 10х швидкості, читання на 32х швидкості. Ще Недавно CD-RW пристрої були досить дороги (близько 250-300$ і вище), перезаписувані диски теж не дешеві (близько 10$). Сьогодні ситуація змінилася. Вже можна придбати CD-RW Drive за 70$-120$, перезаписувана матриця стоїть близько 1,5$, що дає CD-RW великі перспективи - при прийнятній ціні пристрою ми одержуємо по-перше хороший пристрій для зберігання інформації, в по-друге - універсальний спосіб переносити інформацію: CD-RW диск прочитає будь-який сучасний CDROM, отже, маючи будинки CD-RW Drive, Ви можете переносити на перезаписуваних дисках інформацію, відмовляючись від незручних, повільних і ненадійних дискет! Проте не все CDROM Drive читатимуть CD-RW диски. Річ у тому, що стандарт CDROM вимагає, щоб здатність поверхні CD, що відображає, не нижча 70%, а поверхня штрихів, що відображає, - не більш 28%. Здатність поверхні CD-RW, що відображає, - близько 25%, але різниця між здатністю поверхні диска і штрихів, що відображає, достатньо велика (тому такий диск і можна використовувати для зберігання даних :)). Проте, не всі старі CDROM Drive можуть читати такі CD-RW диски. Втім це торкається тільки дуже старих 1х-8х швидкісних пристроїв, будь-який сучасний CDROM Drive може читати CD-RW диски.
DVD – диски
Майбутнє компакт-дисків - цифровий універсальний диск, так званий DVD (Digital Versatile Disc). Це новий стандарт, який значно збільшує об'єм пам'яті і, отже, кількість використовуваних для компакт-дисків додатків. Головна проблема сучасної технології CD-ROM полягає у тому, що вона жорстко обмежена об'ємом пам'яті диска. Диск CD-ROM може містити максимум 650 Мбайт даних, і хоча це дуже великий об'єм, але його виявляється недосить для багатьох нових додатків, особливо для тих, в яких використовується відео.
Історія DVD
Стандарт DVD створювався декілька чудно. Протягом 1995 роки два конкуруючих стандарту CD-ROM великої місткості почали боротьбу за ринок майбутнього. Стандарт Multimedia CD був представлений компаніями Sony і Philips, а конкуруючий стандарт Super Density (SD) - компаніями Toshiba, Time Wamer і деякими іншими. Якби обидва ці стандарти вийшли на ринок в первозданному вигляді, то споживачі, а також виробники програмного забезпечення опинилися б в скрутному положенні: який з них вибрати? Щоб уникнути цього, декілька організацій, включаючи Hollywood Video Disc Advisory Group і Computer Industry Technical Working Group, об'єдналися і зажадали створити єдиний стандарт, відмовившися підтримувати обидва стандарти-конкурентів. Це спонукало групи розробників у вересні 1995 року створити єдиний новий стандарт CD-ROM великої місткості. Новий стандарт був названий DVD і суміщав в собі елементи своїх попередників, тобто в його обличчі був одержаний уніфікований стандарт як для комп'ютерних технологій, так і для індустрії відео. Спочатку DVD розшифровували як цифровий відеодиск (Digital Video Disc), але пізніше перейменували в цифровий універсальний диск {Digital Versatile Disc).
Специфікації DVD.
Відповідно до стандарту DVD-диск є одностороннім, одношаровим і містить 4,7 Гбайт інформації. Новий диск має такий же діаметр, як сучасні компакт-диски, проте він в два рази тонше (0,6 мм). Застосовуючи стиснення за стандартом MPEG-2, на новому диску можна розмістити 135 хвилин відео - повнометражний повноекранний фільм з повною кількістю кадрів, з трьома каналами якісного звуку і чотирма каналами субтитрів. Значення місткості диска не випадкове: стандарт створювався під егідою кіноіндустрії, що давно шукала недорогу і надійну заміну відеокасетам. Для збільшення місткості DVD-диска можна змінювати такі параметри: (перше число - відносний виграш, далі - значення)
* зменшувати довжину штриха (~2,08х, від 0,972 до 0,4 мкм);
* зменшувати відстань між доріжками (~2,1х, від 1,6 до 0,74 мкм);
* збільшувати область даних (~1,02х, від 86 до 87,6 см2);
* підвищувати ефективність коду корекції помилок (~1,32х);
* зменшувати сектори (~1,06х, від 2 048/2 352 до 2 048/2 060 байт).
У накопичувачі DVD використовується лазер з меншою довжиною хвилі, що дозволяє прочитувати коротші штрихи.
Більшість дисків DVD має місткість 4.7GB. Застосування схем подвоєння густини і їх комбінування, дозволяє мати диски більшої місткості: від 8.5Gb і 9.4Gb до 17Gb. Існують наступні структурні типи DVD:
Single Side/Single Layer (односторонній/одошаровий): це найпростіша структура DVD диска. На такому диску можна розмістити до 4.7 Гб даних. До речі, ця місткість в 7 разів більше місткості звичного звукового CD і CD-ROM диска.
Single Side/Dual Layer (односторонний/двуслойный): цей тип дисків має два шари даних, один з яких напівпрозорий. Обидва шари прочитуються з одного боку і на такому диску можна розмістити 8.5 Гб даних, тобто на 3.5 Гб більше, ніж на одношаровому/односторонньому диску.
Double Side/Single Layer (двосторонній/одношаровий): на такому диску поміщається 9.4 Гб даних (по 4.7 Гб на кожній стороні). Неважко помітити, що місткість такого диска удвічі більше одностороннього/одношарового DVD диска. Тим часом, через те, що дані розташовуються з двох сторін, доведеться перевертати диск або використовувати пристрій, який може прочитати дані з обох боків диска самостійно.
Double Side/Double Layer (двусторонний/двуслойный): структура цього диска забезпечує можливість розмістити на ньому до 17 Гб даних (по 8.5 Гб на кожній стороні).
Дев'ять компаній, що лідирують в розробці нових поколінь DVD технологій - анонсували новий формат запису оптичних дисків для запису відео і його базовими специфікаціями. Новий формат названий "Blu-ray Disc", назва технології дана по довжині випромінювання лазера - blue-violet (блакитний/фіолетовий діапазон), який застосовуватиметься при роботі з новими дисками. Нові диски стандарту Blu-ray Disc, як і нинішні CD/DVD носії, як і раніше матимуть діаметр 12 см. Диски Blu-ray дозволять записати на кожен до 50 Гб даних на одну сторону при використовуванні лазера з довжиною хвилі 405 нм. Ухвалення остаточної специфікації Blu-ray Disc очікується весною 2002.




Підключення CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD-ROM.

Всі перераховані нами пристрої підключаються абсолютно аналогічно жорсткому диску. Вони використовують розглянутий нами інтерфейс IDE, підтримують ті ж режими PIO 1,2,3,4, UDMA 33,66,100. Для підключення всіх перерахованих пристроїв застосовують ті ж 40 контактні (40 або 80 жильні) кабелі, так само підтримується по два пристрої на кабель, так само необхідно встановити на кожному пристрої перемички, що підключається, в положення Master і Slave. При чому можна підключати на один кабель і жорсткі диски і перераховані пристрої оптичного зберігання даних. Загалом нічого принципово нового щодо того, про що ми говорили минулого разу додати не можна. Проте декілька зауважень щодо взаємного підключення пристроїв зробити все ж таки необхідно.
Формати запису використовуються в CD-ROM.
Часто в комп'ютерній літературі, пресі і програмах працюючими з CD-ROM зустрічаються згадки про формати CD-ROM - відповідність Yellow або Red Book, різні mode 1 або 2. У CD-ROM використовується та ж технологія, що і в звичній звуковій системі CD-DA. Випущені фірмами Philips і Sony стандарти запису довільних даних на компакт-диски відомі під назвами Yellow Book ("жовта книга"), Green Book ("зелена книга"), Orange Book ("оранжева книга"), White Book ("біла книга") і Blue Book ("синя книга"); всі вони доповнюють основний стандарт CD-DA, описаний в Red Book ("червоній книзі").
Дисковод гнучких дисків
У 1983 році фірма Sony вперше представила комп'ютерному співтовариству накопичувач і дискету діаметром 3,5 дюйми.
У 1984 році фірма Hewlett-Packard вперше використовувала в своєму комп'ютері цей накопичувач. У цьому ж році фірма Apple стала використовувати накопичувачі 3,5 дюйми в комп'ютерах Macintosh, а в 1986 році цей накопичувач з'явився в комп'ютерних системах фірми IBM.
Справді, дисковод прожив довге життя, стільки компоненти комп'ютера в незмінному вигляді не живуть, проте дисководи використовуються і зараз, при чому використовуються активно. Проте у дисковода і у дискети є істотні недоліки. Давайте їх перерахуємо.
* Місткість. Сьогодні місткість 1,44 Мбайт не може задовольнити користувача, на такому носії можна переносити дуже малі об'єми даних.
* Надійність. В порівнянні з іншими носіями даних дискета украй не надійна, при використовуванні дискет користувач регулярно зустрічається з проблемою втрати даних, тому неможливо рекомендувати дискету як надійне сховище для даних, нею стоїть користуватися лише для перенесення інформації між комп'ютерами, при чому якщо є можливість, краще виготовити дві (або більш) копії.
* Швидкість. Швидкість читання/запису при використовуванні дискет - порядка 30-50 Кбайт/с. Порівняйте з 20-40 Мбайт/с у жорсткого диска, навіть сучасний CDROM, і той забезпечує декілька Мбайт/с. Терпіти таку швидкість можна, лише враховуючи малу місткість носія.
Як бачите, три найважливіші параметри і три повністю негативні оцінки. Чи є у дисковода переваги, або тільки недоліки? Якби переваг не було, ми б з Вами не користувалися зараз дисководами, отже переваги є, потрібно їх лише відшукати!
Давайте тепер розглянемо, які типи дисководів застосовувалися на РС і застосовуються зараз. 8-дюймові дисководи масово в персональному комп'ютері ніколи не використовувалися, найперші дисководи, що застосовувалися в РС були 5-і дюймові (реальний діаметр дискети 5,25"). Дискети для такого дисковода мали місткість 360 Кбайт і 1,2 Мбайт. Сьогодні такі дисководи і дискети абсолютно не застосовуються, їм на зміну вже достатньо давно прийшли дисководи, що працюють з дискетами діаметром 3,5". На таких дискетах можна записати 720 Кбайт або 1,44 Мбайт. Сьогодні реально застосовуються тільки 3,5" дискети, місткістю 1,44 Мбайт.
Пристрій дискети
Давайте докладніше розберемося з пристроєм дискет як діаметром 5,25", так і сучасних, діаметром 3,5"
Дискети діаметром 5,25 і 3,5 дюйми розрізняються конструкціями і фізичними властивостями. Гнучкий диск в обох типах дискет знаходиться усередині пластикового футляра. Диск діаметром 3,5 дюйми має жорсткіший футляр, ніж диск діаметром 5,25 дюйми. Самі ж диски, по суті, однакові, за винятком, звичайно, їх розмірів.  
Дискета формату 5,25 дюйми має наступну конструкцію. У її центрі знаходиться великий круглий отвір. Коли закриваються дверці дисковода, конусоподібний затиск захоплює і встановлює дискету за допомогою центрального отвору. У багатьох дискет краю отвору окантовані пластиковим кільцем для того, щоб диск витримував механічні навантаження з боку захоплюючого механізму. Справа, відразу під центральним отвором, знаходиться маленький круглий отвір, званий індексним. Якщо ви акуратно повернете диск, що знаходиться усередині футляра, ви побачите маленьку дірочку на диску. Дисковод використовує індексний отвір як початкову точку відліку для всіх секторів на диску - щось подібне до Грінвічського меридіана для секторів диска. Диск з одним індексним отвором - це диск з програмним розбиттям на сектори; в даному випадку число секторів на диску визначається програмним забезпеченням (операційною системою). У дуже старих комп'ютерах використовувалися диски з апаратним розбиттям на сектори, які мали індексні отвори для кожного сектора. Під центральним отвором знаходиться паз, через який видно поверхню диска. Через цей отвір головки дисковода прочитують і записують інформацію на диск. З правого боку, на відстані зразково одного дюйма від верхнього краю, у футлярі дискети є прямокутна виїмка. Якщо вона є, запис на диск дозволений. Дискети без цієї виїмки (або із заклеєною виїмкою) захищені від запису. На зворотному боці футляра, внизу, біля отвору для головок є дві дуже маленькі овальні виїмки, які пом'якшують навантаження на диск і оберігають його від викривлення. Дисковод може також використовувати ці виїмки, щоб встановити диск в правильне положення.
Контрольні питання

Що ж таке компакт-диск?
Опишіть принцип прочитування інформації з компакт-диска.
Опишіть запис інформації на компакт-диск.
Яка величина місткості компакт-дисків?
Опишіть Фізичний пристрій CDROM Drive.
Опишіть пристрої для запису на CD.
Опишіть особливості DVD дисків.
Опишіть специфікацію DVD дисків.
Вкажіть особливості "Blu-ray Disc".
Перерахуйте Формати запису що використовуються в CD-ROM.
Опишіть особливості дисководів гнучких дисків.
Опишіть пристрій дискет.

ТЕМА 16

Вивчення сканерів, відео-, фотопристроїв

Сканери

  У цьому розділі мова піде про процес перетворенні документа або зображення в цифрову форму. Для цього служать пристрої, звані сканерами. Сканери подібні пристроям копіювання, тільки замість друку копії сканер передає оцифровані дані в комп'ютер. Сканери можна розділити на декілька груп: по типу інтерфейсу, типу сканованих документів. Після сканування документа за допомогою спеціальних програм дані передаються в комп'ютер для обробки, тобто скануюче зображення можна зберегти у вигляді файлу.

Ручні сканери
Найстаріший тип сканерів розроблений в кінці 80-х років фірмами Logitech і Genius. У основу роботи ручних сканерів встановлений процес реєстрації відображеного проміння світлодіодів від поверхні сканованого документа. Користувач поволі переміщає сканер по поверхні документа, а відображений промінь приймається за допомогою лінз і перетвориться в цифрову форму. Потік даних з сканера за допомогою програмного забезпечення перетвориться в цифрове зображення. Різні типи сканерів можуть реєструвати чорний або білий кольори, відтінки сірого, а сучасні моделі ручних сканерів можуть працювати з кольором завглибшки до 24-біт (16,8 млн. кольорів).
Інтерфейси ручних сканерів Перші моделі ручних сканерів підключалися до комп'ютера за допомогою окремої інтерфейсної платні. В даний час практично всі пристрої цього класу підключаються до паралельного порту, позбавляючи користувача від установки в комп'ютер окремої платні, що вимагає ресурсів і настройки.
Переваги ручних сканерів:
* Низька вартість. Оскільки в ручних сканерах як "позиціонуючий механізм" виступає користувач (саме він самостійно переміщає сканер по поверхні сканованого документа), відпадає необхідність в цьому дорогому механічному елементі.
* Портативність. З появою ручних сканерів, що підключаються до паралельного порту, їх можна використовувати як з настільними, так і з портативними комп'ютерами.
* Сканування книг без їх пошкодження. За допомогою ручного сканера можна відсканувати книгу, не згинаючи і не розриваючи її. Це особливо важливо при скануванні старовинних книг.

Листопротяжні сканери.
Поступово ручні сканери були витиснені сканерами, які використовують іншу технологію сканування, але зберігають ту ж відносно невисоку ціну. Йдеться про сканери, що використовують пристрій подачі оригіналу щодо нерухомого блоку сканування. Ця технологія застосовується в сучасних факс-апаратах. Найчастіше ці типи сканерів можуть працювати з документами формату Letter або А4.
Переваги листопротяжних сканерів: * Низька вартість. Пристрій подачі оригіналу має нескладну конструкцію, тому додавання цього вузла не набагато збільшує вартість сканера.
* Розмір. Листопротяжні сканери відрізняються невеликими розмірами, так що їх можна віднести до портативних пристроїв.
Недоліки листопротяжних сканерів:
* Обмеження на дозвіл, що накладається механізмом сканування.
* Обмеження на оригінал. На сканований оригінал накладаються обмеження; аналогічні обмеженням у факс-апаратах. Наприклад, не можна відсканувати нерозірвану книгу, а також прозорі плівки або слайди.
Не дивлячись на описані обмеження, деякі виробники принтерів випускають модуль сканування, який працює за листопротяжним принципом. Останнім часом з'явилися моделі сканерів описаного типу, в яких можна сканувати прозорі плівки.
Настільні (планшетні) сканери.
CIS. У цих сканерах використовується інший тип приймального елементу, званий CIS (Contact Image Sensor). Цей елемент складається з лінійки датчиків, що безпосередньо сприймають світловий потік від оригіналу, причому лінійка має ширину, рівну ширині робочої області сканера, а оптична система - дзеркала, призма, об'єктив - повністю відсутній.
Сканери для слайдів.
У цих сканерах механізм подачі оригіналу орієнтований на слайди 35 мм або фотоплівку. У цих сканерах використовується великий оптичний дозвіл (1 900-2 700 dpi) і особливо точний механізм подачі оригіналу. У зв'язку з цим сканери для слайдів коштують досить дорого і тому займають незначну частину ринку скануючих пристроїв.
Барабанні сканери.
Не дивлячись на те, що настільні сканери можна доповнити спеціальними модулями для сканування слайдів, якіснішого результату можна добитися, використовуючи барабанні сканери. Вони забезпечують оптичний дозвіл 8 000 dpi (настільні сканери високого рівня забезпечують дозвіл 3 000 dpi) і застосовуються в основному в допечатной підготовці високоякісної поліграфічної продукції - повнокольорових журналів, каталогів і т.д. У барабанному сканері оригінал прикріпляється до циліндра, який обертається із швидкістю декількох тисяч оборотів в хвилину. Промінь освітлює циліндр, що обертається, і скануюче зображення перетвориться в цифровий формат.
Контрольні питання
Перерахуйте типи сканерів.
Опишіть принцип роботи ручних сканерів.
Опишіть принцип роботи листопротяжних сканерів.
Опишіть принцип роботи настільних сканерів.

Список літератури

Байджелоу С. Железо ПК. Хитрости / С. Байджелоу. – СПб.: Питер, 2006. – 416 с.
Мураховский В.И. Железо ПК. Новые возможности / В.И. Мураховский. – СПб.: Питер, 2005. – 592 с.
Кондратьев Г.Г. Windows XP и полезные программы: установка и настройка / Г.Г. Кондратьев. СПб.: Питер, 2006.336 с.
Кори Сандлер. Ремонт персонального компьютера, 7-е издание. : Пер. с англ./ Кори Сандлер. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. – 656 с.
Рязанов В.А. BIOS. Настроим компьютер своими силами / В.А. Рязанов. – СПб.: Питер, 2006. – 224 с.
Злобін Г.Г., Архітектура та апаратне забезпечення ПЕОМ: Навч. посіб./ – Злобін Г.Г., Рикалюк Р.Є. – К.: Каравела, 2006. – с. 455.
Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехніка / Угрюмов Е.П. - СПб.: БХВ - Петербург, 2001. – 576с.
Леонтьев В.П. Новейшая энциклопедия персонального компьютера 2006. / Леонтьев В.П. – М.: ОЛМА-ПРЕСС Образование, 2006. – 896 с.
http://ru.wikipedia.org/wiki/Материнская_плата
http://www.bankreferatov.ru/db/M/649CC6882B02F1F5C32570150077330F
http://it.tut.by/news/93525.html
http://www.microsoft.com/windows/windows-7/get/installation-instructions.aspx
Engineering Windows 7 - MSDN Blogs http://blogs.msdn.com/e7/
The Windows 7 Blog for Developers - MSDN Blogs
Windows 7 Pre-beta M3 Build 6801 Preview(англ.) Великий огляд http://activewin.com/reviews/previews/windows7











13 PAGE \* MERGEFORMAT 143515


13 PAGE \* MERGEFORMAT 1414015



механічні калькулятори

механічний комп’ютер

електронний комп’ютер

інтегральні схеми

мікропроцесори

Рис. 1.1. Етапи розвитку обчислювальної техніки

ЗЗП

ПВв

ПВив

ОП

АЛП

ПУ

Рис. 1.2. Схематична структура комп’ютера


Внутрішня пам’ять комп’ютера

ОЗП (RAM)

ПЗП (ROM)

Регістри АЛП

Рис. 1.3. Внутрішня пам’ять комп’ютера

Зовнішня пам’ять комп’ютера

НГМД

НЖМД

НОД

НМЛ

Рис. 1.4. Зовнішня пам’ять комп’ютера

Пристрої введення

клавіатура

перфокарти

перфоленти

мовне введення

сканери

ручні

планшетні

роликові

проекційні

ручні маніпулятори

миша

кульковий

джойстик

Рис. 1.5. Пристрої введення інформації

Рис. 1.6. Пристрої виведення інформації


Пристрої виведення

синтезатор мови

перфокарти

перфоленти

плотер

принтери

матричні

струменеві

лазерні

дисплеї

ЕЛП

рідинокристалічні

люмінесцентні

проекційні

Режими роботи комп’ютерів

однопрограмні

багатопрограмні

пакетні

розподілення часу

реального часу

Рис. 1.7. Режими роботи комп'ютерів


Характеристики комп’ютерів

продуктивність

надійність

ємність ОП

розрядність

пікова

номінальна

системна

експлуатаційна

середній наробіток на відмову

строк служби

час відновлення працездатності

Рис. 1.8. Основні характеристики комп’ютера


Мова високого рівня

Рівень архітектури команд

Рівень операційної системи

Рівень мови асемблера

Мікроархітектурний рівень

Цифровий логічний рівень

Рівень 5

Рівень 4


Рівень 3


Рівень 2


Рівень 1


Рівень 0


Трансляція (компілятор)

Трансляція (асемблер)

Трансляція (асемблер)


Інтерпретація (мікропрограма) або безпосереднє виконання


Апаратне забезпечення

Рис. 1.9. Комп’ютер з шістьма рівнями
Спосіб підтримки кожного рівня вказаний під ним
У дужках вказується назва підтримуючої програми


Рис. 2.1. Структура системної плати

Рис. 2.2. Роз’єм для підключення жорстких дисків Serial ATA (SATA)

Рис. 2.3. Роз’єми для підключення PCI пристроїв

Рис. 2.4 Роз’єм PCI Express

Рис.2.5. Роз’єм для підключення живлення до материнської плати


2.6. Блок живлення ATX FSP

Рис. 2.7. З’єднувачі блоку живлення

Рис. 7.1. Будова жорсткого диску

головки читання/запису

корпус

магнітні диски

привід головок

роз’єм IDE

перемички

отвори кріплення

роз’єм живлення

Рис. 7.2. Доріжки і сектори

Зовнішня доріжка

Середня доріжка


Внутрішня доріжка



Сектор

Зовнішній циліндр

Середній циліндр

Внутрішній циліндр

Рис. 7.3. Циліндри

Рис. 8.1. Поверхня CD-диску

Рис. 8.2. Принцип роботи CDROM Drive

Рис. 8.3. Довжина штрихів СD та DVD дисків

Рис. 8.4. DVD-9

Рис. 7.1. Будова жорсткого диску

головки читання/запису

корпус

магнітні диски

привід головок

роз’єм IDE

перемички

отвори кріплення

роз’єм живлення

Рис. 7.2. Доріжки і сектори

Зовнішня доріжка

Середня доріжка


Внутрішня доріжка



Сектор

Зовнішній циліндр

Середній циліндр

Внутрішній циліндр

Рис. 7.3. Циліндри

Рис. 9.1. Ергономічна клавіатура

Рис. 9.2. Клавіатура з гумовими ковпачками

Рис. 9.3. Механічна миша

Рис. 9.4. Індукційна миша

Рис. 9.5. Трекбол-миша

Рис. 9.6. Trackpoint

Рис. 9.7. Ручний сканер

Рис. 9.8. Листопротяжний сканер

Рис. 9.9. Планшетний сканер

Рис. 9.10. Барабанний сканер





·
·м06
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·

Приложенные файлы

  • doc 18031494
    Размер файла: 3 MB Загрузок: 1

Добавить комментарий