1 Информатика 13

1
Информатика 13
Лекция 13. Архитектура компьютера - 2
Ключевые слова настоящей лекции
контроллеры, чипсет, порты, USB, COM, LPT, , BIOS POST, CMOS, Boot, устройства В/В,
Контроллер
(controller — регулятор, управляющее устройство) — устройство управления разнообразными устройствами компьютера.
Чипсет (chipset)
— набор микросхем, спроектированных для совместной работы с целью выполнения набора каких-либо функций. Так, в компьютерах чипсет, размещенный на материнской плате, выполняет роль связующего компонента, обеспечивающего совместное функционирование подсистем памяти, центрального процессора (ЦП), ввода-вывода и других.
Матери́нская пла́та (motherboard, MB, также используется название mainboard — главная плата; сленг. мама, мать, материнка) — это сложная многослойная печатная плата,
на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера (центральный процессор, контроллер ОЗУ и собственно ОЗУ, загрузочное ПЗУ, контроллеры
базовых интерфейсов ввода-вывода), чипсет, разъёмы (слоты) для подключения дополнительных контроллеров, использующих шины USB, PCI и PCI-Express.
Северный мост (Northbridge; в отдельных чипсетах Intel, контроллер-концентратор памяти Memory Controller Hub, MCH) — системный контроллер чипсета на материнской плате платформы x86, к которому в рамках организации взаимодействия подключены:
через Front Side Bus — микропроцессор,
через шину контроллера памяти — оперативная память,
через шину графического контроллера — видеоадаптер,
через внутреннюю шину подсоединяется южный мост.
Южный мост (Southbridge; функциональный контроллер; контроллер-концентратор ввода-вывода I/O Controller Hub, ICH). Обычно это одна микросхема на материнской
плате, которая через Северный мост связывает с центральный процессором «медленные» (по сравнению со связкой «ЦП-ОЗУ») взаимодействия (например разъёмы
шин для подключения периферийных устройств).
AGP (от англ. Accelerated Graphics Port, ускоренный графический порт) — разработанная
в 1997 году компанией Intel, специализированная 32-битная системная шина для
видеокарты.
PCI (англ. Peripheral component interconnect, дословно — взаимосвязь периферийных компонентов) — шина ввода/вывода для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера.
Ultra DMA (Direct memory access, Прямой доступ к памяти). Разные версии ATA известны под синонимами IDE, EIDE, UDMA, ATAPI; ATA (англ. Advanced Technology
Attachment — присоединение по передовой технологии) — параллельный интерфейс подключения накопителей (жёстких дисков и оптических приводов) к компьютеру. В 1990-е годы был стандартом на платформе IBM PC; в настоящее время
вытесняется своим последователем — SATA и с его появлением получил название
PATA (Parallel ATA).
USB (англ. Universal Serial Bus — «универсальная последовательная шина», произносится
«ю-эс-би» или «у-эс-бэ») — последовательный интерфейс передачи данных для
2
среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств в вычислительной
технике. Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырёхпроводный кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном
включении используются для приёма и передачи данных, а два провода — для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания USB
позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания
шины USB, не должна превышать 500 мА).
LPT-порт (стандартного устройства принтера «LPT1» Line Printer Terminal или Line
PrinTer) в операционных системах семейства MS-DOS. IEEE 1284 (порт принтера,
параллельный порт)
COM-порт («ком-порт» Communication port, Serial port, серийный порт, последовательный
порт) — двунаправленный последовательный интерфейс, предназначенный для
обмена битовой информацией. Последовательным данный порт называется потому,
что информация через него передаётся по одному биту, бит за битом (в отличие от
параллельного порта).
PS/2 — разъем, применяемый для подключения клавиатуры и мыши. Впервые появился в
1987 году на компьютерах IBM PS/2 и впоследствии получил признание других
производителей и широкое распространение в персональных компьютерах и серверах рабочих групп. серия персональных компьютеров компании IBM на процессорах серий Intel 80286 и Intel 80386, выпускавшаяся с апреля 1987 года. /2 – версия
компьютера.
Запуск компьютера
После включения компьютера в его оперативной памяти нет операционной системы. Само по себе, без операционной системы, аппаратное обеспечение компьютера не
может выполнять сложные действия, такие как, например, загрузку программы в память.
Таким образом, мы сталкиваемся с парадоксом, который кажется неразрешимым: для того, чтобы загрузить операционную систему в память, мы уже должны иметь операционную систему в памяти.
Решением данного парадокса является использование специальной маленькой компьютерной программы, называемой начальным загрузчиком, или BIOS (Basic
Input/Output System). Эта программа не обладает всей функциональностью операционной
системы, но её достаточно для того, чтобы загрузить другую программу, которая будет
загружать операционную систему. Часто используется многоуровневая загрузка, в которой несколько небольших программ вызывают друг друга до тех пор, пока одна из них не
загрузит операционную систему.
После включения персонального компьютера его процессор начинает работу. Вначале процессор должен выполнить программу BIOS. Первая выполняемая команда расположена по адресу FFFF0h и принадлежит пространству адресов BIOS. Как правило, данная команда просто передает управление программе инициализации BIOS.
Программа инициализации BIOS с помощью программы POST проверяет, что
устройства компьютера работают корректно и инициализирует их.
Затем BIOS опрашивает устройства, перечисляемые в заранее созданном списке (из
CMOS), пока не найдёт загрузочное устройство. Если такое устройство найдено не будет,
будет выведено сообщение об ошибке, а процесс загрузки будет остановлен. Если BIOS
обнаружит загрузочное устройство, он считает с него начальный загрузчик и передаст ему
управление.
В случае жесткого диска, начальный загрузчик называется главной загрузочной записью (MBR) и часто не зависит от операционной системы. Обычно он ищет активный
раздел жесткого диска, загружает загрузочный сектор данного раздела и передает ему
3
управление. Этот загрузочный сектор, как правило, зависит от операционной системы. Он
должен загрузить в память ядро операционной системы и передать ему управление. Если
активного раздела не существует, или загрузочный сектор активного раздела некорректен,
MBR может загрузить резервный начальный загрузчик и передать управление ему. Резервный начальный загрузчик должен выбрать раздел (зачастую с помощью пользователя), загрузить его загрузочный сектор и передать ему управление.
POST (англ. Power-On Self-Test) — самотестирование после включения. Проверка
аппаратного обеспечения компьютера, выполняемая при его включении. Выполняется
программами, входящих в BIOS материнской платы. Сокращённый тест включает:
 Проверку целостности программ BIOS в ПЗУ, используя контрольную сумму.
 Обнаружение и инициализацию основных контроллеров, системных шин и подключенных устройств (графического адаптера, контроллеров дисководов и т. п.), а также
выполнение программ, входящих в BIOS устройств и обеспечивающих их самоинициализацию.
 Определение размера оперативной памяти и тестирования первого сегмента (64 килобайт).
Устройства ввода (аудио и видео) информации
посредством которых можно ввести информацию в компьютер.
Мышь механическая - Внутри имеет шарик, выступающий через нижнюю поверхность.
При перемещении мыши по поверхности стола шарик вращает специальные ролики, один
из которых заставляет перемещаться указатель мыши вверх-вниз по экрану, другой - влево-вправо.
Мышь оптическая - Вместо крутящегося шарика используется луч света, который скользит по специальному коврику, покрытому координатной сеткой. Второе поколение оптических мышей имеет более сложную начинку. В нижней части мыши установлен специальный светодиод, который подсвечивает поверхность, по которой перемещается мышь.
Миниатюрная камера "фотографирует" поверхность более тысячи раз в секунду, передавая эти данные процессору, который и делает выводы об изменении координат.
Трекбол - Представляет собой вмонтированный в корпус компьютера (рядом с клавиатурой) шарик, который нельзя переместить, но можно вращать пальцами за выступающую
поверхность
Клавиатура – устройство механического ввода информации, состоящее из 101-105 кнопок, часть из которых служит для вода букв, символов и цифр, а другая часть – это функциональные клавиши (F1-F12). Также есть клавиши управления курсором (на них есть
изображение в виде стрелок). В левой части клавиатуры есть дополнительные кнопки с
цифрами – это дополнительная зона кнопок для удобства ввода цифр.
Сканер – устройство для считывания графической и текстовой информации в компьютер. Вдоль сканируемого изображения, расположенного на прозрачном неподвижном
стекле, движется сканирующая каретка с источником света. Отраженный свет через оптическую систему сканера (состоящую из объектива и зеркал или призмы) попадает на три
расположенных параллельно друг другу фоточувствительных полупроводниковых эле-
4
мента на основе ПЗС, каждый из которых принимает информацию о компонентах изображения.
Телекамера - подключенная через специальное оборудование, позволяет вводить в компьютер видеоизображение (“живое видео”).
Дигитайзер - устройство для ввода графической информации в компьютер, похожее на
мышь. С помощью дигитайзера можно по точкам вводить в компьютер графики функций
или чертежи с бумажного листа. Этот устройство оборудовано прицельным приспособлением (лупа с перекрестием), которое оператор наводит на интересующие его точки. Если
нажать кнопку на прицеле, координаты точки фиксируются.
Световое перо - устройство напоминающее обычную ручку только с проводом. Данное
устройство по возможностям сходно с мышью с той разницей, что мышью водят по столу,
а световым пером - по экрану. Внутри светового пера находится специальный элемент фотодиод, который регистрирует изменение яркости в том месте экрана, куда указывает
перо.
Сенсорный экран - представляет собой технологию по взаимодействию с программами, в
которой инструментом, реализующим функции светового пера, является человеческий палец. Секрет заключается в мониторе, который выполнен таким образом, что позволяет
определить присутствие пальца на экране или в непосредственной близости от него. Такой способ взаимодействия имеет ряд недостатков. Разрешающая способность такой технологии невелика из-за размеров пальца, а постоянное прикосновение к экрану способствует его жировому загрязнению. Кроме того, так же как и при работе со световым пером, приходится держать руку на весу.
Джойстик - напоминает ручку управления автомобилем или самолетом. Наклоняя рычаг
в нужную сторону, можно добиться плавного перемещения курсора по экрану, причем
чем больше наклон рычага, тем быстрее перемещается курсор. В основном используется в
играх. Геймпад – вариант джойстика для двух рук. Рулевое колесо (с педалями) –
джойстик для имитации вождения автомобиля.
Графический планшет - устройство для ввода контурных изображений. Его еще называют перьевым планшетом. С графического планшета рисовать можно прямо в компьютер. По устройству планшет мало чем отличается от дигитайзера, но координаты его прицельного приспособления - пера - фиксируются не по нажатию кнопки, а автоматически,
сотни и тысячи раз в секунду. Это позволяет отслеживать самые замысловатые линии с
точностью не хуже, чем у сканера. Новейшие планшеты реагируют и на силу нажатия пера. Можно рисовать линии разной толщины и яркости, как если бы в руках была мягкая
кисточка. Причем запоминать можно не россыпь точек, а сразу линии.
Тачпад - может реагировать не только на специальное перо, но даже на обычный палец.
Такой “следящий планшет” не удобен для точных работ. Зато, жертвуя точностью, его
можно сократить до размеров, приемлемых в компьютере. Правда, не столько для рисования сколько для перемещения указателя. Используется в ноутбуках.
Трекпад (сенсорный планшет) – развитие технологии тачпада. Служит заменителем
мышки для стационарных компьютеров. Позволяет, как и в случае с сенсорным экраном,
управлять компьютером жестами: перелистыванием станиц, поворотом рисунков, распахиванием окон и пр.
Микрофон – устройство, необходимое для голосового общения в интернете, для записи
звуков в компьютер.
Речевой ввод и устройства распознавания голоса.
Для этих целей использовался микрофон, который преобразовывал звуковые колебания в
электрические такой же частоты. Затем специальная электрическая схема (аналоговоцифровой преобразователь) преобразует сигналы, поступающие от микрофона, в сигналы,
пригодные как для обработки компьютером так, и для хранения на магнитных дисках. Говоря же о системах распознавания голоса, можно отметить два аспекта - одно дело узнать
голос отдельного человека, а другое преобразовать его в текст, который можно видеть на
5
экране монитора или хранить в памяти компьютера. Системы первого типа относительно
просты, они не преобразуют человеческий голос в текст, а всего лишь его “узнают“ (отличают от сказанного другим, не “вникая в смысл”). Чаще всего это используется в качестве
пароля для защиты отдельных данных, или доступа к компьютеру. Системы второго типа
намного сложнее и интеллектуальнее, они должны не просто преобразовывать одни сигналы в другие (аналоговые сигналы в цифровые), но и представлять звуковую информацию как в памяти компьютера, так и на экране монитора в текстовом виде.
Системы распознавания почерка. В качестве устройств ввода в системах распознавания
почерка могут использоваться как сканер, так и графический планшет. Помимо данных
устройств в такие системы обязательно включается специальное программное обеспечение, которое позволяет преобразовать почерк в печатный текст. При наличии образцов
почерков в памяти компьютера возможно определение анонимного автора письма, записки и проч., что используется, например, в криминалистике.
Другие системы ввода (датчики).
В последнее время в устройствах ввода применяются новые технологии. В качестве примера можно привести устройства отслеживающие положение зрачков глаз. Используя такое устройство можно взглядом перемещать указатель по экрану. Это дает возможность
использовать компьютер практически полностью парализованным людям.
Устройств вывода (видео и аудио) информации
предназначенные для вывода информации в том или ином виде:
Монитор – устройство, предназначенное для вывода на экран текстовой и графической
(визуальной) информации. Электронно-лучевой дисплей. ЖК-дистлей.
Мультимедийные проекторы – те же LCD-мониторы, но проецирующие изображение на
удаленный экран. Принцип действия проектора с модуляцией света заключается в том,
что поток света падает последовательно на два поглощающих свет растра, между которыми находится масляная плёнка на зеркальной поверхности. Если масляная плёнка не возмущена, свет оказывается задержан обоими растрами и экран совершенно чёрный. Масляная плёнка помещается внутрь электронно-лучевой трубки, которая и формирует на ней
распределение заряда в соответствии с поступающим видеосигналом. Распределение заряда, в сочетании с приложенным к зеркалу потенциалом, порождает возмущение поверхности плёнки. Проходя через этот участок плёнки, световой поток проходит мимо второго
растра и попадает на экран в соответствующую точку.
Виртуальные очки (шлем) – устройство для воспроизведения стереоскопического изображения. Работа основана на стереодрайвере от компании nVidia, который преобразует
данные трехмерных программ (игр) в изображение для левого и правого глаза, а наш мозг
складывая их получает объемное изображение. Так устроено стереоскопическое зрение
человека. Шлем, сам по себе, не создает трехмерной картины, её создают программы.
Шлем лишь управляет, разделяет и воспроизводит изображения для левого и правого глаза.
Принтер – печатающее устройство предназначенное для вывода информации на бумагу
или печатную пленку: матричные, струйные и лазерные, однако встречаются и другие
(светодиодные, термопринтеры и т.д.).
Графопостроитель (плоттер)- устройство для вывода чертежей на бумагу. Плоттеры
бывают барабанного типа (работают с рулоном бумаги) и планшетного типа (в них лист
бумаги лежит на плоском столе). Как правило, плоттеры используются в системах конструирования (САПР) для вывода чертежей.
Динамики (колонки, наушники) – устройство вывода аудио информации. Без этого приспособления современный компьютер потеряет половину функций. поскольку и реакция
компьютера на те или иные (верные и ошибочные) действия пользователя, и музыка, и
фильмы и пр. сопровождается звуком.
6
Рулевое колесо – вариант джойстика, служащего для игр-симуляторов автогонок. Особенность состоит в том, что хорошие модели рулей имеют обратную связь – передают на
руль усилие, в которым виртуальные колеса входят в поворот, через систему сервоприводов руль «упирается», создавая иллюзию реального управления движущимся автомобилем.