История открытия первых компьютеров. Самый первый компьютер в мире — кто создал? Направление на массовое производство

В конце XIX века Герман Холлерит в Америке изобрел счетно-перфорационные машины. В них использовались перфокартыдля хранения числовой информации.

Каждая такая машина могла выполнять только одну определенную программу, манипулируя с перфокартами и числами, пробитыми на них.

Счетно-перфорационные машины осуществляли перфорацию, сортировку, суммирование, вывод на печать числовых таблиц. На этих машинах удавалось решать многие типовые задачи статистической обработки, бухгалтерского учета и другие.

Г. Холлерит основал фирму по выпуску счетно-перфорационных машин, которая затем была преобразована в фирму IBM - ныне самого известного в мире производителя компьютеров.

Непосредственными предшественниками ЭВМ были релейные вычислительные машины.

К 30-м годам XX века получила большое развитие релейная автоматика, которая позволяла кодировать информацию в двоичном виде.

В процессе работы релейной машины происходят переключения тысяч реле из одного состояния в другое.

В первой половине XX века бурно развивалась радиотехника. Основным элементом радиоприемников и радиопередатчиков в то время были электронно-вакуумные лампы.

Электронные лампы стали технической основой для первых электронно-вычислительных машин (ЭВМ).

Первая ЭВМ - универсальная машина на электронных лампах построена в США в 1945 году.

Эта машина называлась ENIAC (расшифровывается так: электронный цифровой интегратор и вычислитель). Конструкторами ENIAC были Дж.Моучли и Дж.Эккерт.

Скорость счета этой машины превосходила скорость релейных машин того времени в тысячу раз.

Первый электронный компьютер ENIAC программировался с помощью штеккерно-коммутационного способа, то есть программа строилась путем соединения проводниками отдельных блоков машины на коммутационной доске.

Эта сложная и утомительная процедура подготовки машины к работе делала ее неудобной в эксплуатации.

Основные идеи, по которым долгие годы развивалась вычислительная техника, были разработаны крупнейшим американским математиком Джоном фон Нейманом

В 1946 году в журнале «Nature» вышла статья Дж. фон Неймана, Г. Голдстайна и А. Беркса «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства».

В этой статье были изложены принципы устройства и работы ЭВМ. Главный из них - принцип хранимой в памяти программы, согласно которому данные и программа помещаются в общую память машины.

Принципиальное описание устройства и работы компьютера принято называть архитектурой ЭВМ . Идеи, изложенные в упомянутой выше статье, получили название «архитектура ЭВМ Дж. фон Неймана».

В 1949 году была построена первая ЭВМ с архитектурой Неймана - английская машина EDSAC.

Годом позже появилась американская ЭВМ EDVAC. Названные машины существовали в единственных экземплярах. Серийное производство ЭВМ началось в развитых странах мира в 50-х годах.

В нашей стране первая ЭВМ была создана в 1951 году. Называлась она МЭСМ - малая электронная счетнаямашина. Конструктором МЭСМ былСергей Алексеевич Лебедев

Под руководством С.А. Лебедева в 50-х годах были построены серийные ламповые ЭВМ БЭСМ-1 (большая электронная счетная машина), БЭСМ-2, М-20.

В то время эти машины были одними из лучших в мире.

В 60-х годах С.А.Лебедев руководил разработкой полупроводниковых ЭВМ БЭСМ-ЗМ, БЭСМ-4, М-220, М-222.

Выдающимся достижением того периода была машина БЭСМ-6. Это первая отечественная и одна из первых в мире ЭВМ с быстродействием 1 миллион операций в секунду. Последующие идеи и разработки С.А. Лебедева способствовали созданию более совершенных машин следующих поколений.

Электронно-вычислительную технику принято делить на поколения

Смены поколений чаще всего были связаны со сменой элементной базы ЭВМ, с прогрессом электронной техники.

Это всегда приводило к росту вычислительной мощности ЭВМ, то есть быстродействия и объема памяти.

Но это не единственное следствие смены поколений. При таких переходах, происходили существенные изменения в архитектуре ЭВМ, расширялся круг задач, решаемых на ЭВМ, менялся способ взаимодействия между пользователем и компьютером.

Первое поколение ЭВМ - ламповые машины 50-х годов. Скорость счета самых быстрых машин первого поколения доходила до 20 тысяч операций в секунду (ЭВМ М-20).

Для ввода программ и данных использовались перфоленты и перфокарты.

Поскольку внутренняя память этих машин была невелика (могла вместить в себя несколько тысяч чисел и команд программы), то они, главным образом, использовались для инженерных и научных расчетов, не связанных с переработкой больших объемов данных.

Это были довольно громоздкие сооружения, содержавшие в себе тысячи ламп, занимавшие иногда сотни квадратных метров, потреблявшие электроэнергию в сотни киловатт

Программы для таких машин составлялись на языках машинных команд. Это довольно трудоемкая работа.

Поэтому программирование в те времена было доступно немногим.

В 1949 году в США был создан первый полупроводниковый прибор, заменяющий электронную лампу. Он получил название транзистор. Транзисторы быстро внедрялись в радиотехнику.

Второе поколение ЭВМ

В 60-х годах транзисторы стали элементной базой для ЭВМ второго поколения .

Переход на полупроводниковые элементы улучшил качество ЭВМ по всем параметрам: они стали компактнее, надежнее, менее энергоемкими

Быстродействие большинства машин достигло десятков и сотен тысяч операций в секунду.

Объем внутренней памяти возрос в сотни раз по сравнению с ЭВМ первого поколения.

Большое развитие получили устройства внешней (магнитной) памяти: магнитные барабаны, накопители на магнитных лентах.

Благодаря этому появилась возможность создавать на ЭВМ информационно-справочные, поисковые системы.

Такие системы связаны с необходимостью длительно хранить на магнитных носителях большие объемы информации.

Во времена второго поколения активно стали развиваться языки программирования высокого уровня. Первыми из них были ФОРТРАН, АЛГОЛ, КОБОЛ.

Составление программы перестало зависеть от модели машины, сделалось проще, понятнее, доступнее.

Программирование как элемент грамотности стало широко распространяться, главным образом среди людей с высшим образованием.

Третье поколение ЭВМ создавалось на новой элементной базе - интегральных схемах. С помощью очень сложной технологии специалисты научились монтировать на маленькой пластине из полупроводникового материала, площадью менее 1 см, достаточно сложные электронные схемы.

Их назвали интегральными схемами (ИС)

Первые ИС содержали в себе десятки, затем - сотни элементов (транзисторов, сопротивлений и др.).

Когда степень интеграции (количество элементов) приблизилась к тысяче, их стали называть большими интегральными схемами - БИС; затем появились сверхбольшие интегральные схемы - СБИС.

ЭВМ третьего поколения начали производиться во второй половине 60-х годов, когда американская фирма IBM приступила к выпуску системы машин IBM-360. Это были машины на ИС.

Немного позднее стали выпускаться машины серии IBM-370, построенные на БИС.

В Советском Союзе в 70-х годах начался выпуск машин серии ЕС ЭВМ (Единая Система ЭВМ) по образцу IBM-360/370.

Переход к третьему поколению связан с существенными изменениями архитектуры ЭВМ.

Появилась возможность выполнять одновременно несколько программ на одной машине. Такой режим работы называется мультипрограммным (многопрограммным) режимом.

Скорость работы наиболее мощных моделей ЭВМ достигла нескольких миллионов операций в секунду.

На машинах третьего поколения появился новый тип внешних запоминающих устройств - магнитные диски .

Как и на магнитных лентах, на дисках можно хранить неограниченное количество информации.

Но накопители на магнитных дисках (НМД) работают гораздо быстрее, чем НМЛ.

Широко используются новые типы устройств ввода-вывода: дисплеи , графопостроители .

В этот период существенно расширились области применения ЭВМ. Стали создаваться базы данных, первые системы искусственного интеллекта, системы автоматизированного проектирования (САПР) и управления (АСУ).

В 70-е годы получила мощное развитие линия малых (мини) ЭВМ. Своеобразным эталоном здесь стали машины американской фирмы DEC серии PDP-11.

В нашей стране по этому образцу создавалась серия машин СМ ЭВМ (Система Малых ЭВМ). Они меньше, дешевле, надежнее больших машин.

Машины этого типа хорошо приспособлены для целей управления различными техническими объектами: производственными установками, лабораторным оборудованием, транспортными средствами. По этой причине их называют управляющими машинами.

Во второй половине 70-х годов производство мини-ЭВМ превысило производство больших машин.

Четвертое поколение ЭВМ

Очередное революционное событие в электронике произошло в 1971 году, когда американская фирма Intel объявила о создании микропроцессора .

Микропроцессор - это сверхбольшая интегральная схема, способная выполнять функции основного блока компьютера - процессора

Микропроцессор - это миниатюрный мозг, работающий по программе, заложенной в его память.

Первоначально микропроцессоры стали встраивать в различные технические устройства: станки, автомобили, самолеты . Такие микропроцессоры осуществляют автоматическое управление работой этой техники.

Соединив микропроцессор с устройствами ввода-вывода, внешней памяти, получили новый тип компьютера: микроЭВМ

МикроЭВМ относятся к машинам четвертого поколения.

Существенным отличием микроЭВМ от своих предшественников являются их малые габариты (размеры бытового телевизора) и сравнительная дешевизна.

Это первый тип компьютеров, который появился в розничной продаже.

Самой популярной разновидностью ЭВМ сегодня являются персональные компьютеры

Появление феномена персональных компьютеров связано с именами двух американских специалистов: Стива Джобса и Стива Возняка.

В 1976 году на свет появился их первый серийный ПК Apple-1, а в 1977 году - Apple-2.

Сущность того, что такое персональный компьютер, кратко можно сформулировать так:

ПК - это микроЭВМ с «дружественным» к пользователю аппаратным и программным обеспечением.

В аппаратном комплекте ПК используется

цветной графический дисплей,

манипуляторы типа «мышь»,

«джойстик»,

удобная клавиатура,

удобные для пользователя компактные диски (магнитные и оптические).

Программное обеспечение позволяет человеку легко общаться с машиной, быстро усваивать основные приемы работы с ней, получать пользу от компьютера, не прибегая к программированию.

Общение человека и ПК может принимать форму игры с красочными картинками на экране, звуковым сопровождением.

Неудивительно, что машины с такими свойствами быстро приобрели популярность, причем не только среди специалистов.

ПК становится такой же привычной бытовой техникой, как радиоприемник или телевизор. Их выпускают огромными тиражами, продают в магазинах.

С 1980 года «законодателем мод» на рынке ПК становится американская фирма IBM.

Ее конструкторам удалось создать такую архитектуру, которая стала фактически международным стандартом на профессиональные ПК. Машины этой серии получили название IBM PC (Personal Computer).

В конце 80-х - начале 90-х годов большую популярность приобрели машины фирмы Apple Corporation марки Macintosh. В США они широко используются в системе образования.

Появление и распространение ПК по своему значению для общественного развития сопоставимо с появлением книгопечатания.

Именно ПК сделали компьютерную грамотность массовым явлением.

С развитием этого типа машин появилось понятие «информационные технологии», без которых уже становится невозможным обойтись в большинстве областей деятельности человека.

Есть и другая линия в развитии ЭВМ четвертого поколения. Это - суперЭВМ. Машины этого класса имеют быстродействие сотни миллионов и миллиарды операций в секунду.

Первой суперЭВМ четвертого поколения была американская машина ILLIAC-4, за ней появились CRAY, CYBER и др.

Из отечественных машин к этой серии относится многопроцессорный вычислительный комплекс ЭЛЬБРУС.

ЭВМ пятого поколения - это машины недалекого будущего. Основным их качеством должен быть высокий интеллектуальный уровень.

Машины пятого поколения - это реализованный искусственный интеллект.

Многое уже практически сделано в этом направлении.

Появились после Второй мировой войны, когда открытия математиков и других ученых позволили воплотить в жизнь новый способ считывания информации. И хотя сегодня эти машины кажутся диковинными артефактами, именно они стали прародителями современных, привычных обывателю ПК.

Манчестерский "Марк I" и EDSAC

Первым компьютером в современном понимании этого слова стало устройство "Марк I", созданное в 1949 году. Его уникальность заключалась в том, что он был полностью электронным, а в его оперативной памяти хранилась программа. Это достижение британских специалистов было большим рывком вперед в многовековой истории развития вычислительных машин. Манчестерский "Марк I" включал в себя трубки Уильямса и магнитные барабаны, которые и служили хранилищем для информации.

Сегодня, спустя много лет, история создания первого компьютера вызывает дискуссии. Спорным остается вопрос о том, какую именно машину можно назвать первым компьютером. Манчестерский "Марк I" остается самой популярной версией, хотя есть и другие претенденты. Один из них - EDSAC. Без этой машины история возникновения компьютера как изобретения была бы совершенно другой. Если "Марк" появился в Манчестере, то EDSAC создавался силами ученых из Кембриджского университета. Этот компьютер был введен в эксплуатацию в мае 1949 года. Тогда на нем была выполнена первая программа, которая возвела в квадрат числа от 0 до 99.

Z4

Манчестерский "Марк I" и EDSAC предназначались для конкретных программ. Следующим шагом в эволюции вычислительных машин стал Z4. Не в последнюю очередь устройство отличала драматичная история создания. Компьютер был создан немецким инженером Конрадом Цузе. Работа над проектом началась на завершающем Это обстоятельство сильно затормозило данную разработку. Лаборатория Цузе была уничтожена во время налета авиации противника. Вместе с ней было утеряно все оборудование и предварительные результаты длительной работы.

Тем не менее талантливый инженер не сдался. Изготовление было продолжено уже после наступления мира. В 1950 году проект наконец был завершен. Долгой и тернистой оказалась история его создания. Компьютер тут же заинтересовал Швейцарскую высшую техническую школу. Она выкупила машину. Z4 заинтересовал специалистов неспроста. Компьютер обладал универсальным программированием, то есть был первым многофункциональным устройством подобного типа.

В том же 1950 году история создания компьютеров в СССР ознаменовалась не менее важным событием. В Киевском институте электротехники была создана МЭСМ - малая электронная счетная машина. Над проектом трудилась группа советских ученых, которой руководил академик Сергей Лебедев.

Устройство этой машины включало в себя шесть тысяч электрических ламп. Большая мощность позволяла браться за задачи, которые прежде были невиданными для советской техники. За секунду приспособление могло выполнять около трех тысяч операций.

Коммерческие модели

На первом этапе развития компьютеров их разработкой занимались специалисты из университетов или других государственных структур. В 1951 году появилась модель LEO I, созданная благодаря вложениям британской частной компании Lyons and Company, владевшей ресторанами и магазинами. С появлением этого устройства история создания компьютеров достигла очередного важного рубежа. LEO I первым использовался для обработки коммерческих данных. Его конструкция была схожа с конструкцией идейного предшественника EDSAC.

Первым американским коммерческим компьютером стал UNIVAC I. Он появился в том же 1951 году. Всего было продано сорок шесть таких моделей, стоимость каждой из которых составляла миллион долларов. Одна из них использовалась при переписи населения в США. Устройство состояло более чем из пяти тысяч электровакуумных ламп. В качестве носителя информации использовались линии задержки из ртути. На одной из них могло храниться до тысячи слов. При разработке UNIVAC I было решено отказаться от перфокарт и перейти на металлизированную магнитную ленту. С ее помощью устройство могло подключаться к коммерческим системам хранения данных.

«Стрела»

Тем временем у советских электронных была своя история создания. Компьютер «Стрела», появившийся в 1953 году, стал первым подобным серийным устройством в СССР. Новинка выпускалась на базе Московского завода счетно-аналитических машин. За три года производства было изготовлено восемь образцов. Эти уникальные машины были установлены в Академии наук, МГУ и конструкторских бюро, расположенных в закрытых городах.

«Стрела» могла совершать 2-3 тысячи операций в секунду. Для отечественной техники это были рекордные цифры. Данные хранились на магнитной ленте, которая вмещала до 200 тысяч слов. Разработчики устройства были удостоены Главный конструктор Юрий Базилевский также стал Героем Социалистического Труда.

Второе поколение ЭВМ

Еще в 1947 году были изобретены транзисторы. В конце 50-х гг. они пришли на смену энергозатратным и хрупким лампам. С появлением транзисторов у вычислительных машина началась новая история создания. Компьютеры, получившие эти новые детали, позже были признаны моделями второго поколения. Главное новшество заключалось в том, что печатные платы и транзисторы позволили значительно уменьшить размеры компьютеров, отчего те стали гораздо практичнее и удобнее.

Если раньше ЭВМ занимали собой целые комнаты, то теперь они уменьшились до пропорций офисных столов. Такой к примеру, была модель IBM 650. Но даже транзисторы не разрешили еще одной важной проблемы. Компьютеры по-прежнему были крайне дорогими, из-за чего они производились только на заказ для университетов, крупных корпораций или правительств.

Дальнейшая эволюция компьютеров

В 1959 году были изобретены интегральные схемы. Они положили начало третьему поколению компьютеров. 1960-е гг. стали переломными для ЭВМ. Их производство и продажа увеличились в разы. Благодаря новым деталям устройства стали дешевле и доступнее, хотя они по-прежнему не были персональными. В основном эти ЭВМ покупались компаниями.

В 1971 году разработчики Intel выпустили на рынок первый в истории микропроцессор На его основе появились компьютеры четвертого поколения. Микропроцессы разрешали несколько важных проблем, до того скрывавшихся в устройстве любой ЭВМ. Одна такая деталь выполняла все логические и арифметические операции, которые были записаны с помощью машинного кода. До этого открытия данная функция лежала на множестве мелких элементов. Появление единственной универсальной детали стало предвестием разработки небольших домашних компьютеров.

Персональные компьютеры

В 1977 году компания Apple, основанная Стивом Джобсом, представила миру модель Apple II. Ее принципиальное отличие от любых других предыдущих компьютеров заключалось в том, что устройство молодой калифорнийской компании предназначалось для продажи обычным гражданам. Это был прорыв, который еще совсем недавно казался просто неслыханным. Так началась история создания персональных компьютеров поколения ЭВМ. Новинка пользовалась спросом вплоть до 90-х гг. За этот период было продано около семи миллионов устройств, что было абсолютным рекордом того времени.

Последующие модели Apple получили уникальный графический интерфейс, привычную современным пользователям клавиатуру и многие другие новшества. Все тот же чуть сделал популярной компьютерную мышь. В 1984 году он презентовал свою самую успешную модель Macintosh, положившую начало целой линейке, существующей и сегодня. Многие открытия инженеров и разработчиков Apple стали базой для сегодняшних персональных компьютеров, созданных в том числе и другими производителями.

Отечественные разработки

Из-за того что все революционные открытия, связанные с ЭВМ, происходили на Западе, история создания компьютеров в России и СССР оставалась в тени иностранных успехов. Связано это было еще и с тем, что разработка подобных машин контролировалась государством, в то время как в Европе и США инициатива постепенно перешла в руки частных компаний.

В 1964 году появились первые советские полупроводниковые ЭВМ «Снег» и «Весна». В 1970-е гг. в оборонной промышленности стали использоваться компьютеры «Эльбрус». Они применялись в системе противоракетной обороны и ядерных центрах.

Знакомство с компьютером состоялось не так давно, но его появлению предшествовала долгая история создания.

Немного истории

Предками современного персонального компьютера считают Блеза Паскаля и арифмометр Вильгельма Лейбница. Непосредственно термин «компьютер» впервые упоминается еще в 18 веке. Тогда данный термин применялся к любому механическому вычислительному прибору, который умел выполнять самые простые операции – сложение и вычитание.

В Оксфордском словаре слово «компьютер» трактовалось как «вычислитель».

Позже, в начале XIX века, изобрели более «умную» машину, которая могла решать даже простые уравнения. Еще позже смогли создать первую аналитическую многофункциональную машину, работающую при помощи перфокарт. Учитывая пристальное внимание ученых к этим устройствам, их модернизация проходила ускоренными темпами. В короткое время их оснастили электрическими реле и вакуумными лампами.

Долгий путь от первой ЭВМ до современного компьютера

В 1946 году миру была подарена первая ЭВМ. Правда, та машина была в разы больше современного компьютера и поглощала довольно большое количество электроэнергии. Вес первой ЭВМ составлял приблизительно 30 т. Пользоваться такими компьютерами позволяли себе только крупные, состоятельные компании и предприятия.

В начале 60-х годов, благодаря изобретению транзисторов, производители смогли выпустить первый мини-компьютер PDP-8. Компьютер оснастили оперативной памятью для хранения информации, информацию научились сохранять на магнитных дисках. Лидирующие позиции в выпуске ЭВМ на тот момент заняла компания IBM, которая до сегодняшнего дня остается крупнейшим производителем компьютеров в мире.

Знаковым событием в развитии персональных компьютеров является создание Биллом Гейтсом интерпретатора языка Basic «Альтаира», что дало возможность создавать разнообразные программы для компьютеров.

С момента создания «Альтаира» производство компьютеров начало носить массовый характер. Стало появляться множество производителей ПК и программного обеспечения к ним.

С этого момента основной упор делался на повышение качества и многофункциональности данной техники, что позволило человеку пользоваться многофункциональным и компактным «супер-устройством» - современным компьютером.

В 1945 г. Американский ученый Джон фон Нейман сформулировал основы организации и функционирования современных компьютеров на основе принципа программного управления работой компьютера, в соответствии с которым программа и данные хранились в оперативной памяти компьютера.

В 1946 г. В США была разработана первая электронная цифровая ЭВМ "Эниак". Машина выполняла за одну секунду только 300 умножений и 5000 сложений.

В 1948 г. в американской фирме Bell Laboratories физики У. Шокли, У. Браттейн и Дж. Бардин создали транзистор, за что они были удостоены Нобелевской премии. Транзисторы оказали революционное влияние на развитие средств вычислительной техники, заменив электронные лампы и открыв путь к созданию микросхем.

В 1951 г. в СССР под руководством С.А. Лебедева была разработана первая в континентальной Европе ЭВМ, названная «МЭСМ» (Малая Электронная Счетная Машина). СССР вошел в лидирующие страны в области проектирования и разработки средств вычислительной техники, что позволило развивать такие важные области как ядерная энергетика и космос.

В 1952 г. в нашей стране был разработан компьютер БЭСМ-1 (Большая Электронная Счетная Машина), который являлся самым быстродействующим компьютером Европе и одним из лучших в мире.

В 1964 г. американская фирма IBM разработала новое семейство ЭВМ третьего поколения с использованием микросхем - IBM/360.

В 1967 г. В СССР была создана ЭВМ БЭСМ-6 с производительностью 1 млн.операций/сек. Это был один из самых быстродействующих компьютеров в мире в то время, за которым последовала разработка компьютера нового типа «Эльбрус»- ЭВМ производительностью 10 млн. операций/с.

В 1979 г. Американская фирма Intel разработала микропроцессор Intel 8088, который фирма IBM стала использовать для разработки и производства персональных компьютеров. В 1981 г. фирма IBM выпустила первый персональный компьютер IBM PC на базе данного микропроцессора.

В 1982 г. и последующие годы фирма Intel выпустила микропроцессоры Intel286 и Intel386, а затем и микропроцессор Intel 486, который

стал первым микропроцессором со встроенным математическим сопроцессором. Данный сопроцессор значительно повысил скорость обработку данных, он выполнял тригонометрические, экспоненциальные и другие математические функции вместо центрального процессора.

В 1993 г. Фирма Intel выпустила первый микропроцессор семейства Pentium, который позволил обрабатывать компьютерам атрибуты "реального мира" : аудио, видио информацию, фотоизображения и т.п. И в течении последующих лет и до настоящего времени данное семейство является основой для разработки последующих компьютеров.

Остановимся кратко на рассмотрении классификации компьютеров по поколениям, которая достаточно часто встречается в литературе.

К первому поколению обычно относят машины, созданные в 50-х годах, в них использовались электронные лампы. Опыт использования компьютеров первого поколения показал, что необходимо разрабатывать средства автоматизации программирования, создавать программные системы, упрощающие работу на компьютерах, повышать эффективность использования компьютерной техники. Все это потребовало существенных изменений структуры компьютеров.

Второе поколение ЭВМ - это машины, которые разрабатывались в 1955-65 годах. Для них характерным явилось использование транзисторов, оперативная память использовала магнитные элементы. Начали использоваться для программирования языки высокого уровня. Специальные программы, называемые трансляторами выполняют перевод программы с языка высокого уровня на машинный язык компьютера. Появляются мониторные системы, которые управляют процессом трансляции и выполнения программ. Мониторные системы явились основой для создания современных операционных систем. Некоторые компьютеры второго поколения использовали уже операционные системы с ограниченными возможностями.

Компьютеры третьего поколения появились в мировой практике в начале 60-x годов. Компьютеры третьего поколения уже представляли собой семейство ЭВМ с единой архитектурой, они имели программную совместимость. ЭВМ данного поколения имели эффективные операционные системы, они поддерживали мультипрограммный режим, позволяющий одновременно выполнять несколько программ. Примерами ЭВМ этого поколения являются IBM/360, IBM/370, а также разработанные в СССР ЕСЭВМ, СМЭВМ и многие другие. Быстродействие ЭВМ в рамках одного семейства значительно отличается.

Компьютеры четвёртого поколения - это ЭВМ, разработанные в конце 70-х годов. В принципиальном отношении эти компьютеры отличаются от машин третьего поколения использованием современных языков высокого уровня, упрощенным процессом разработки программного обеспечения. В данных компьютерах получило широкое использование микросхем, емкость оперативной памяти возросла до десятков мегабайт. ЭВМ четвертого поколения являлись многопроцессорными и многомашинными комплексами, использующие общую оперативную память, а также общий пул периферийных устройств. Данные ЭВМ поддерживали режим телекоммуникационной обработки информации, объединялись в компьютерные сети, использовали систем управления базами данных и другие инновации того времени.

В разработках ЭВМ последующих поколений широко используются большие и сверхбольшие интегральные схемы, получили распространение оптоэлектронные принципы. Компьютеры обеспечивают ввод информации с рукописного или печатного текста, аудио ввод, идентифицировать пользователя по голосу, выполнять перевод, происходит переход к обработке знаний и т.д.

По условиям эксплуатации компьютеры подразделяются на два основных типа:

· офисные (универсальные);

· промышленные (специализированные).

Офисные компьютеры используются для работы в нормальных условиях эксплуатации.

Промышленные компьютеры должны удовлетворять специальным требованиям эксплуатации, класс решаемых задач являются проблемно- ориентированными или специализированным.

2.2. Принципы построения персонального компьютера

Персональные компьютеры получили бурное развитие, начиная с 1980 годов. Любой компьютер представляет собой совокупность аппаратного и программного обеспечения. К аппаратному обеспечению компьютеров относятся устройства и схемы, образующие аппаратную конфигурацию, необходимую для выполнения задач, их можно собирать из готовых узлов и блоков, наращивать, они имеют открытую архитектуру. Многочисленные интерфейсы в архитектуре любой вычислительной системы, можно условно разделить на две большие группы: последовательные и параллельные. Через последовательный интерфейс данные передаются последовательно, бит за битом, а через параллельный - одновременно группами битов. Количество битов, участвующих в одной передаче, определяется разрядностью интерфейса, например, восьмиразрядные параллельные интерфейсы передают один байт (8 бит) за один такт. Параллельные интерфейсы обычно имеют более сложную организацию по сравнению с последовательными, но обеспечивают принципиально более высокую скорость передачи информации. Производительность параллельных интерфейсов измеряют байтами в секунду (байт/с; Кбайт/с; Мбайт/с).

Программы - это упорядоченные последовательности команд, обеспечивающие управление аппаратными средствами компьютера. Даже если, на первый взгляд, программа не взаимодействует с оборудованием, не требует ввода или вывода данных в периферийные устройства, все равно ее работа основана на управлении аппаратными устройствами компьютера на основе принципа программного управления.

Программное и аппаратное обеспечение в компьютере работают в непрерывном взаимодействии. Несмотря на то, что мы рассматриваем эти две категории отдельно, нельзя забывать, что между ними существует диалектическая связь, и раздельное их рассмотрение является, по меньшей мере, условным.

В основе структурной организации современных персональных компьютеров используется магистрально-модульный принцип, в соответствии с которым все модули компьютера объединяются в единую систему хранения, обработки и передачи информации (рис.2.1). Данный принцип позволяет пользователю определять необходимую конфигурацию компьютера, осуществлять при необходимости модернизацию (апгрейд) компьютера. Магистраль состоит из трех многоразрядных шин: шина данных, шина адреса и шина управления.

Шина данных . Данная шина используется для передачи данных между процессором и устройствами ПК, а также передаются команды в регистр команд процессора из оперативной памяти. Разрядность шины данных современных ПК составляет 64 бита.

Шина адреса . По шине адреса процессор передает адрес из процессора в адресуемый модуль памяти или периферийное устройство. Разрядность шины адреса определяет адресное пространство памяти, адресуемое процессором

Количество ячеек памяти, адресуемых при прямой адресации можно оценить по формуле: N = 2 R , где R - разрядность шины адреса.

Шина управления. По шине управления передаются сигналы управления, определяющие выполняемую операцию в адресуемом устройстве. Например, при чтении данных из памяти формируется сигнал чтения, а при записи – сигнал записи.

Рис.2.1. Структура персонального компьютера

2.3. Базовая конфигурация ПК

Персональный компьютер является универсальной системой обработки и хранения информации, конфигурацию которого можно гибко изменять в соответствии с классом решаемых задач. Такие компьютеры называют компьютерами с открытой архитектурой. В базовую конфигурацию ПК входят следующие модули:

· системный блок;

· монитор;

· клавиатура;

На рис.2.2 показаны основные модули базовой конфигурации и основные устройства системного блока.

2.3.1 Системный блок

Системный блок представляет собой основу компьютера, внутри которого установлены основные устройства. Устройства, подключаемые к системному блоку, называют внешними или периферийными, предназначенными для ввода, вывода и долговременного хранения информации.

Рис.2.2. Состав ПК и устройств системного блока

Основными устройствами системного блока (рис. 2.2) являются следующие:

· системная (материнская) плата-2;

· центральное процессорное устройство - 3;

· оперативная память - 4;

· платы расширений – 5;

· блок питания – 6;

· привод оптических дисков – 7;

· накопители на жестких дисках – 8;

2.3.2. Системная плата

Системная плата (systemboad), материнская плата(motherboard) или главная плата (mainboard) - это различные названия печатной платы с набором микросхем, на которой осуществляется монтаж большинства компонентов персонального компьютера посредством печатных проводников и различных разъёмов (слотов). На материнской плате также располагаются слоты для центрального процессорного устройства, графической и звуковой плат, жёстких дисков, оперативной памяти и других дополнительных компонент.

Материнская плата представляет собой многослойную печатную плату из диэлектрика, на которой электропроводящие проводники выполнены из фольги.

Также на плате находятся слоты и порты шин, например PCI Express (PCI-E), PCI, AGP(Accelerated Graphics Port), USB, контроллеров дисков SATA и IDE/ATA. Слотами называют разъемы для подключения внутренних плат, отдельные слоты предназначены для плат оперативной памяти. Разъемы крепления внешних компонентов называют портами, сейчас многие устройства подключаются через USB-порт. Пример системной платы приведен на рис 2.3.

Рис. 2.3. Системная плата

На системной плате размещаются следующие компоненты:

· процессор – основная микросхема, выполняющая обработку данных

· шины интерфейсы – системная магистраль, включающая шину данных, адреса и управляющих сигналов, по которым происходит передача данных и команд;

· оперативная память представляет набор микросхем, она используется оперативного хранения данных во время работы компьютера;

· постоянное запоминающее устройство – микросхема, предназначенная для долговременного хранения данных, в том числе и после выключения компьютера, в которой хранится BIOS;

· комплект чипсет – набор микросхем, который определяет характеристики материнской платы;

· набор разъемов (слотов) и портов - используется для подключения дополнительных внешних и внутренних устройств.

От производительности перечисленных компонентов в значительной степени зависит производительность компьютера и поэтому выбор системной платы является очень важной задачей при конфигурировании ПК.

Чипсет (Chip Set) . Это набор микросхем материнской платы, состоящий из двух основных микросхем:

· «Северный мост» (Northbridge) - обеспечивает взаимодействие ЦПУ с памятью и видеоадаптером. В новых чипсетах используется интегрированная видеокарта.

· «Южный мост» (Southbridge) - обеспечивает взаимодействие между ЦПУ и жестким диском, слотами PCI-Е, USB и другими.

Южный мост реализует взаимодействия на материнской плате между чипсетом материнской платы и её компонентами. Южный мост обычно не подключён напрямую к процессору в отличие от северного моста.

На системных платах для установки процессоров используется специальный разъем-сокет, который может быть квадратной формы с многочисленными отверстиями под выводы микросхемы. Однако можно встретить не только квадратный сокет, а и длинный разъем – слот.

Системная шина. Это компьютерная шина, которая передает данные, команды, управляющие сигналы и питание между компонентами компьютера. Каждая шина имеет свой набор соединителей (коннекторов) для физического подключения устройств, карт и кабелей. Современные компьютерные шины используют как параллельные, так и последовательные соединения.

Шины подразделяются на внутренние (local bus) и внешние (external bus). Первые используются для подключения внутренних устройств, таких как видеоадаптеры и звуковые платы, а вторые предназначаются для подключения внешних устройств, например, сканеров. IDE является внешней шиной по своему предназначению, но почти всегда используется внутри компьютера.

В последнее время используются такие шины как HyperTransport и Infiniband. Infiniband - это высокоскоростная коммутируемая последовательная шина, применяющаяся как для внутрисистемных, так и для межсистемных соединений. Данные шины позволяют обеспечивать как большие скорости, необходимые для памяти, видеокарт и межпроцессорного взаимодействия, так и небольшие скорости для работы с медленными устройствами, например, приводами дисков.

На производительность компьютера оказывают влияние следующие основные факторы:

· частота процессора - это частота, на которой работает центральный процессор, определяется исходя из частоты шины FSB (Front Side Bus - переводится как «системная шина») и коэффициента умножения. Большинство современных процессоров имеют заблокированный коэффициент умножения, так что единственным способом разгона процессора является изменение частоты FSB;

· память - до определённого момента в развитии компьютеров частота работы памяти совпадала с частотой FSB, на современных персональных компьютерах частоты FSB и шины памяти могут различаться.

· периферийные шины - в старых компьютерах частоты шин ISA, PCI, AGP задавались в соотношении с FSB, на новых компьютерах частоты для каждой шины задаются независимо.

Характеристики системной платы . Системная плата имеет следующие основные характеристики:

· форм - фактор платы - определяет форму, размер, расположение компонентов на плате и тип корпуса компьютера, в который можно ее поместить. Например, корпус типа ATX предоставляет дополнительные возможности: программное включение/выключение компьютера, более надежный разъем питания, лучшая вентиляция корпуса.

· количество и тип разъемов для плат расширения, для подключения которых (видеокарт, звуковых карт, внутренних модемов и др.) необходимо иметь на плате достаточное количество разъемов расширения соответствующего типа.

· набор микросхем - это одна или несколько микросхем, таймеры, системы управления, специально разработанные для "обвязки" процессора.

· наличие интегрированных возможностей - на некоторых материнских платах интегрируют дополнительные возможности, которые могут находится на платах расширения. При такой интеграции повышается надежность системы (меньшее количество контактов), плата стоит дешевле, но модернизировать такую плату дороже.

2.3.3. Центральное процессорное устройство

Центральное процессорное устройство (ЦПУ) является основной микросхемой компьютера, в которой выполняется обработка данных. Современные процессорные микросхемы помимо центрального процессора содержат также математический процессор, называемый сопроцессором. Начиная с процессора Intel486, сопроцессор, выполняющий операции с плавающей запятой, был интегрирован в процессорный чип и назван FPU (Floating Point Unit). Основными операциями, выполняемыми сопроцессором, являются: арифметические, сравнение, деление по модулю, квадратный корень, тригонометрические, загрузка констант, логарифмические и некоторые другие специальные операции.

В состав центрального процессора входят арифметико-логическое устройство для выполнения арифметических и логических операций, регистры процессора, образующие сверхоперативную память процессора для временного хранения данных. Кроме того, процессор содержит регистр команд, в котором хранится выполняемая команда, и программный счетчик для адресации команд программы, хранящейся в оперативной памяти компьютера. В процессорную микросхему также включают кэш-память, например двух уровней L1 и L2.

Команды также как и данные представлены в виде последовательности байтов и хранятся в оперативной памяти. Множество команд процессора образует систему команд процессора. Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют совместимые системы команд. Процессоры, относящиеся к разным семействам, различаются по системе команд и являются несовместимыми.

Выполнение команд в процессоре сводится к следующим основным этапам:

· процессор выдает из программного счетчика адрес памяти для выборки команды из оперативной памяти;

· память, получив адрес и сигнал чтения, передает в регистр команд процессора код команды по шине данных;

· процессор расшифровывает полученную команду, выполняет ее, формирует адрес следующей команды и переходит к первому этапу.

Данный цикл выполняется периодически и называется циклом выборки и выполнения команд. Данную последовательность команд называют программой, разработанной в соответствии с алгоритмом решаемой задачи. Линейный порядок выборки команд из памяти может нарушаться при появлении команд условного перехода для выполнения разветвлений или организации программных циклов.

Характеристики процессоров. Основными характеристиками процессоров являются:

· Разрядность процессора - определяет количество бит данных, которое он может загрузить и обработать одновременно (параллельно). Современные процессоры, разрабатываемые фирмами Intel и AMD, являются 64-разрядными.

· Тактовая частота . В основе работы процессора положен тактовый принцип, в соответствии с которым для выполнения каждой команды требуется определенное количество тактов. В компьютере частоту тактовых импульсов, поступающих в процессор, задает генератор тактовых импульсов Чем выше частота тактовых импульсов, тем выше производительность компьютера. Современные процессоры могут работать на тактовых частотах примерно 4 ГГц.

· Кэш-память . Обмен данными внутри процессора происходит значительно быстрее, чем с оперативной памятью.

· Для уменьшения обращений оперативную память в процессор имеется буферная область памяти, называемая кэш-памятью. Процессор вначале выполняет обращение за данными в кэш-память и при их отсутствии происходит запрос в оперативную память. Получая данные из оперативной памяти, процессор загружает их и в кэш.

· Кэш-память может иметь несколько уровней. Кэш-память первого и второго уровней (L1,L2) размещается в том же кристалле, что и сам процессор и имеет объем от десятков Кбайт до нескольких мегабайт. Кэш-память третьего уровня реализуют на быстродействующих микросхемах памяти типа SRAM (статическая память с произвольным доступом) и размещают на материнской плате вблизи процессора. Емкость данной памяти составляет десятки Мбайт, работает она на частоте материнской платы.

· Напряжение питания процессора по мере развития микропроцессорной техники постепенно понижается. В настоящее время ядро процессора питается напряжением 2,2 В и 1,8 В. Такое напряжение позволяет уменьшить потребляемую мощность блока питания и является важной тенденцией в развитии микроэлектронных технологий. Кроме того, уменьшается и тепловыделение в процессоре, что позволяет увеличить его производительность и является одним из важных факторов надежной работы компьютера в целом.

· Компьютерный блок питания . Предназначен для питания узлов компьютера и обеспечивает для платформы ПК выходные напряжения +5В, +12В, −12В, +3,3В, −5В.

Мультиядерные процессоры. Эра одноядерных процессоров фирмы Intel завершается, на замену их приходят более современные процессоры с мультипроцессорной архитектурой, содержащие 2,4, 6 и более процессоров, часто называемых «ядрами». К росту быстродействия процессоров привыкли уже все пользователи, частоты достигли нескольких гигагерц и остро встала задача охлаждения кристаллов с возможным переходом на жидкостное охлаждение. Большой интерес вызывают разработки, основанные на новой архитектуре следующего поколения от основных разработчиков процессорных кристаллов фирм Intel и AMD. Рассмотрим кратко некоторые разработки многоядерных процессоров фирмы Intel.

Процессоры Core 2 Duo используют микро - архитектуру Core. На этот раз фирме Intel удалось выиграть гонку производительности и, что важнее, процессоры Core 2 Duo обеспечивают не только высокую скорость, но и отличаются прекрасным соотношением производительности на ватт потребляемой мощности. Все процессоры архитектуры Core 2 Duo работают с тактовой частотой системной шины FSB (Front Side Bus,) 266 МГц, в то время как большинство моделей Pentium 4 используют 200-МГц шину. Поскольку за такт передаётся учетверённое количество информации (QDR), то получается эквивалентная частота FSB 1066 МГц с пропускной способностью 8,5 Гбайт/с. За исключением процессоров начального уровня, все модели оснащены 4 Мбайт кэша L2, который используют оба процессорных ядра. Все процессоры поддерживают 64-битные расширения Intel (EM64T), мультимедийные и инструкции, технологию виртуализации. Кроме этих функций, все модели поддерживают последние технологии управления энергопотреблением. Основные характеристики некоторых двухъядерных процессоров Pentium D приведены в таблице:

В 2006 году корпорация Intel начала переход на четырехъядерные процессоры, которые обеспечивают новые возможности для реализации научных исследований, ведения бизнеса и развлечений. Основные характеристики четырехъядерных процессоров Intel Xeon приведены в таблице:

Фирма Intel выпускает процессоры Dunnington, объединяющие шесть ядер в одном корпусе. Данные процессоры имеют 16 Мб кэш-памяти третьего уровня, а также 9 Мб кэш-памяти второго уровня (по 3 Мб на каждую пару ядер).

2.3.4. Шинные интерфейсы и порты системной платы

Порты компьютера. Под портами понимаются разъемы на задней стенке компьютера, предназначенные для подключения таких внешних устройств, как принтер, сканер, внешние диски, флэшки, внешние модемы, мышки и другие периферийные устройства.

ISA. Интерфейс ISA (Industry Standard Architecture) являлся долгие годы промышленным стандартом, она все еще используется в промышленных компьютерах для подключения относительно медленных периферийных устройств.

PCI. Интерфейс PCI (Peripheral Component Interconnect – стандарт подключения внешних компонентов) появился в персональных компьютерах, реализованных на основе процессоров Pentium. Данный стандарт стал поддерживать режим «plug-and-play», который обеспечивает автоматическое распознавание подключаемых устройств «на лету».

FSB . PCI в настоящее время применяется только как шина для интерфейса с периферийными устройствами, а для сопряжения процессора с оперативной памятью, используют шина, которая получила название FSB (Front Side Bus).

PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association – стандарт международной ассоциации производителей плат памяти для персональных компьютеров). Данный стандарт используется для подключения «плоских» карт памяти, в портативных персональных компьютерах, его используют при изготовлении плат ввода-вывлда информации, модемов.

PCI Express. PCI Express или PCI-E - компьютерная шина, использует программную модель шины PCI. В отличие от шины PCI, используемой для передачи данных по общей шине, PCI-E является пакетной сетью с топологией типа звезда. Устройства на шине PCI-E взаимодействуют между собой через среду, образованную коммутаторами, при этом каждое устройство напрямую связано соединением типа точка-точка с коммутатором. Шина PCI Express поддерживает горячую замену карт, управление энергопотреблением и контроль передаваемых данных.

Официально первая базовая спецификация PCI Express появилась в 2002 году и ориентирована на использование в качестве локальной шины. Так как программная модель PCI Express во многом унаследована от PCI, то существующие системы и контроллеры могут быть доработаны для использования шины PCI Express заменой только аппаратного уровня без доработки программного обеспечения. Высокая пиковая производительность шины PCI Express позволяет использовать её вместо шин AGP и PCI.

Hyper-Transport. Шина HyperTransport (HT) - это двунаправленная последовательно/параллельная компьютерная шина с высокой пропускной способностью и малыми задержками, она работает на частотах до 2,6 ГГц. HyperTransport поддерживает автоматическое определение ширины шины, от 2-х битных линий до 32-х битных линий. Полноразмерная, высокоскоростная 32-х битная шина в двунаправленном режиме способна обеспечить пропускную способность до 41600 МБ/с. Шина может быть использована как с устройствами с высокими требованиями к пропускной способности (оперативная память и ЦПУ), так и с устройствами с низкими требованиями (периферийные устройства).

USB (Universal Serial Bus) - универсальная последовательная шина, предназначенная для подключения периферийных устройств. Шина USB представляет собой последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств. Для высокоскоростных устройств лучше применять FireWire. USB - кабель представляет собой две витые пары: по одной паре происходит передача данных в каждом направлении, а другая пара используется для питания периферийного устройства (+5 В).

Первые компьютеры с портами USB (USB 1.1) появились в 1996 году, скорость обмена составляла 12Мбит/сек при длине кабеля 3-5 метров.

USB 2.0 отличается от USB 1.1 большей скоростью и небольшими изменениями в протоколе передачи данных для режима Hi-speed (до 480Мбит/сек).

USB OTG (On-The-Go) - дальнейшее развитие спецификации USB 2.0, предназначенное для лёгкого соединения периферийных USB-устройств без необходимости подключения к компьютеру. Например, цифровой фотоаппарат можно подключать к фотопринтеру напрямую, если они оба поддерживают стандарт USB OTG. Этот стандарт возник из-за возросшей в последнее время необходимости надёжного соединения различных USB-устройств без использования компьютера.

USB 3.0. Находится на этапе разработки и будет передавать сигналы посредством оптоволоконного кабеля. USB 3.0 будет совместима с USB 2.0 и USB 1.1, теоретическая пропускная способность 4,8 Гбит/с.

USB wireless . Эта технология стала доступной в 2005 году и позволяет организовать беспроводную связь с высокой скоростью передачи информации (до 480 Мбит/с на расстоянии 3 метра и до 110 Мбит/с на расстоянии 10 метров).

Wi-Fi . В последние годы широкую популярность приобрелибеспроводные технологии Wi-Fi (Wireless Fidelity – беспроводная достоверность). Это семейство технологий беспроводной передачи данных, максимальная производительность канала более 50 Мбод, а радиус действия около 100 метров, что достаточно для создания беспроводных локальных сетей. Точки доступа Wi-Fi создают в общественных местах: гостиницы, кафе, вокзалы и др. Находясь в зоне действия Wi-Fi , в Интернет можно выйти с помощью ноутбука или ПКП. Мобильные устройства (КПК, ноутбуки), оснащённые клиентскими Wi-Fi приёмо-передающими устройствами, могут подключаться к локальной сети и получать доступ в Интернет.

Wi-Max . Это еще одна интенсивно развивающаяся беспроводная технология, но в России она еще практически не распространена. Производительность канала – около 75Мбод, а дальность действия измеряется уже десятками километров. Это хорошая альтернатива выделенной линии для Интернета.

GPRS (General Packet Radio Service) – это cтандарт для передачи данных всотовыхсетях. Соединение с помощью мобильного телефона может принципиально заменить обычную телефонную линию. Но обычный голосовой модем сотового телефона обеспечивает скорость передачи данных со скоростью 9.6 Кбод, что недостаточно для работы в Интернете. Поэтому для мобильной связи была создана специальная технология пакетной передачи данных GPRS, позволяющая вести обмен со скоростью около 200Кбод. Эта величина пока теоретическая, на практике большинство операторов мобильной связи обеспечивает канал со скоростью 56Кбод.

Технология BlueTooth («блютуз»). Буквально переводится как «синий зуб» и это название исторически связано с датским королем 10 века Гаральдом «Синие зубы», который собирал скандинавские земли, а данная технология как раз и предназначена для объединения мобильной электроники. Данная технология считается пригодной для беспроводной передачи данных для мобильных устройств различного назначения: мобильные телефоны, портативные компьютеры, принтеры, цифровые фотоаппараты и т.п. Необходимость в низком энергопотреблении обусловила и небольшую дальность действия – до сотни метров. Разрабатывается вариант, способный передавать данные на инфракрасные порты на расстояние до 30-40 километров. По умолчанию устройства с данной технологией соединяются друг с другом автоматически, как только они оказываются в зоне обнаружения.

IEEE 1394 (FireWire) –высокоскоростная последовательная шина, используемая для передачи данных между персональным компьютером и различными периферийными устройствами: принтерами, сканерами, жёсткими дисками, цифровыми видеокамерами. Она позволяет подключать внешние устройства и конкурирует с USB.

2.3.5. Базовая система ввода-вывода

BIOS (basic input/output system) – представляет встроенный в компьютер набор базовых программ для загрузки операционной системы, проверки устройств компьютера во время запуска, а также для поддержки обмена данными между устройствами. Eсли при загрузке возникают отказы оборудования, то на экран выдается сообщение об ошибке.

Программы базовой системы ввода-вывода, как правило, остаются недоступными для пользователей. В настоящее время материнские платы включают Flash - BIOS и программа может быть перезагружена в микросхеме.

После выполнения диагностики компьютера BIOS выводит на монитор основные параметры аппаратных средств и после этого загружается операционная система. Пользователь может предварительно нажать Del и вызвать BIOS - Setup, которая позволяет изменить различные установки в CMOS RAM.

2.3.6. Энергонезависимая память

Системная плата содержит микросхему «энергонезависимой памяти», изготовления по технологии CMOS. В отличие от оперативной памяти содержимое CMOS не стирается после выключения компьютера. В нее можно записывать данные, а также их модифицировать согласно устройствам, входящим в состав компьютера. Данная схема использует для питания автономный аккумулятор, который находится на системной плате. CMOS хранит информацию о дисках, процессоре и других устройствах системной платы.

2.4. Система памяти компьютера

Система памяти компьютера используется для хранения информации в персональных компьютерах и включает следующие устройства:

· регистры ЦПУ, представляющие самую быстродействующую память ограниченного объема (8-16 регистров) и называемую сверхоперативной памятью компьютера;

· кэш-память;

· модули оперативной памяти;

· накопители на жестких магнитных дисках;

· оптические диски (CD и DVD диски);

· внешняя память (внешние диски, флэш-память).

Ниже будут более подробно рассмотрены вопросы организации, функционирования и основные характеристики устройств памяти.

2.4.1. Кэш-память

Кэш- память (cache - дословно «заначка») - память компьютера с быстрым доступом, в которой дублируется и хранится часть данных памяти с более медленным доступом, которой является оперативная память. Кэш-память позволяет обращаться к часто требуемым данным быстрее, чем это происходит при использовании только оперативной памяти. Процесс организации доступа посредством кэш-памяти называется кэшированием.

Кэш-память в персональных компьютерах обычно разделяется на несколько уровней: L1, L2, L3, причем память младшего уровня всегда меньше по размеру и имеет более высокую скорость доступа. Самой быстрой памятью является кэш-память первого уровня (L1-cache) и она размещается на одном с ним кристалле. Память уровня L1 работает на частоте процессора и объём этой памяти обычно небольшой - примерно 128 Кб. L2 - кэш второго уровня, которая обычно расположена также на кристалле или рядом с ЦПУ, объём L2 доходит до 4 Мб. Кэш-память третьего уровня наименее быстродействующая и обычно расположена вне ЦПУ, она может иметь значительную емкость и работать быстрее оперативной памяти.

2.4.2. Оперативная память

Оперативная память предназначена для временного хранения данных и команд, при отключении питания компьютера вся информация из памяти стирается. Поэтому при работе с документами нужно периодически сохранять данные на диск, так как при случайной перезагрузке, зависании системы или скачке напряжения оперативная память очистится и все данные будут потеряны. Из оперативной памяти команды и данные передаются в процессор напрямую или через кэш-память. В компьютерах оперативная память является динамической памятью с произвольным доступом (dynamic random access memory - DRAM).

Понятие «динамической» памяти DRAM относится ко всем типам оперативной памяти, начиная с самой старой асинхронной динамической памяти и заканчивая современными модулями памяти DDR2, DDR3. Этот термин вводится в противоположность понятию «статической» памяти (SRAM) и означает, что содержимое каждой ячейки памяти периодически необходимо обновлять ввиду особенности ее конструкции, продиктованной экономическими соображениями. В то же время, статическая память, характеризующаяся более сложной и дорогой конструкцией ячейки и применяемая в качестве кэш-памяти в процессорах, свободна от циклов регенерации, так как в ее основе лежит не емкость (динамический элемент), а триггер (статический элемент).Оперативная память является памятью с произвольным доступом RAM (Random Access Memory), это означает, что при обращении к данным порядок их расположения в памяти может быть произвольным. Оперативная память состоит из ячеек определенной разрядности.

Под емкостью или объемом модуля памяти понимают максимальный объем информации, которую данный модуль может хранить. Емкость памяти обычно измеряется в байтах, а учитывая емкость современных модулей памяти - в Мегабайтах или Гигабайтах, (например 512 Мб, 1Гб). Наиболее приоритетным направлением развития технологии оперативной памяти в настоящее время является DDR SDRAM (Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory - удвоенная скорость передачи данных синхронной памяти с произвольным доступом). Данная память обеспечивает:

· дальнейшее увеличение ее пропускной способности и снижение задержек;

· уменьшение энергопотребления;

· увеличение емкости отдельных микросхем и модулей памяти в целом.

Реализация данного направления является очень важной, так как происходит постоянное развитие технологии изготовления модулей памяти.

2.4.3. Накопители на жестких магнитных дисках

Накопители на жестких магнитных дисках (HDD - Hard Disk Driver) являются энергонезависимыми, перезаписываемыми запоминающими устройствами для долговременного хранения больших объемов информации. В жестких дисках информация хранится на вращающейся металлической или стеклянной пластине, покрытой магнитным материалом. В первых накопителях на жестких магнитных дисках (НЖМД) использовалась одна пластина, а современные диски имеют несколько пластин, размещенных на одной оси или шпинделе.

Информация записывается на обеих сторонах диска. Когда диск вращается, магнитная головка считывает или записывает двоичные данные на магнитный носитель. Магнитные головки записи - чтения информации в рабочем режиме не касаются поверхности пластин, и расстояние между ними не более нескольких нанометров, что обеспечивает долгий срок службы устройства. Накопитель на жёстком магнитном диске состоит из следующих основных узлов: корпуса из прочного сплава, жестких магнитных дисков (пластин) с магнитным покрытием, магнитных головок, электропривода шпинделя и контроллера, управляющего работой жесткого диска и представляющего собой микросхему. Контроллер диска определяет используемый метод записи данных на диске. Жесткий диск устанавливается в специальные монтажные отсеки внутри системного блока и подключается к материнской плате плоским контактным кабелем. На рис 2.4 представлен накопитель на жестких дисках.

Данные на магнитных дисках хранятся на концентрических круговых участках, называемых дорожками (tracks), которых на жестком диске размером 3,5 дюйма может быть более тысячи. Дорожки представляют собой скорее логическую, чем физическую структуру и наносятся при низкоуровневом форматировании жесткого диска. Нумерация дорожек начинается с 0, которая является ближайшей к внешнему краю диска. Дорожка с самым высоким номером находится ближе всех к шпинделю. На рис.2.5 показаны нулевая дорожка, дорожка в середине жесткого диска (N) и дорожка номер 1023.

Головки чтения-записи представляют собой миниатюрные преобразователи, которые позиционируются над дорожкой диска с помощью шагового двигателя. На каждую сторону пластины диска имеется по одной головке. Как правило, все головки закреплены на едином механизме перемещения головок, и все они перемещаются синхронно. Все головки всегда располагаются над одной и той же логической дорожкой на каждой стороне каждой пластины. Головки перемещаются над поверхностью диска небольшими приращениями, которые называются шагами (steps), каждый шаг соответствует одной дорожке.

Рис. 2.4. Накопитель на жестких магнитных дисках

Рис. 2.5. Расположение дорожек на диске

Некоторые диски имеют по одной головке на каждую дорожку и, следовательно, контроллеры не тратят время на перемещение головок к нужной дорожке для считывания информации. Эти диски существенно дороже и, как правило, устанавливаются только на суперкомпьютерах.

В настоящее время разработаны твердые диски, не имеющие ни пластин, ни головок, вместо которых используется энергонезависимая память (NVRAM). Микрокод контроллера организует память, имитируя логические цилиндры, головки, дорожки и секторы, обеспечивая интерфейс с операционной сис­темой. Время доступа к таким дискам измеряется наносекундами (для сравнения - при использовании традиционных технологий оно измеряется в миллисекундах).

Секторы и кластеры. Каждая дорожка разбивается на фрагменты, называемые секторами (sectors), причем все дорожки на диске имеют одинаковое количество секторов. Сектор представляет собой минимальную физическую единицу хранения информации на диске. Размер сектора почти всегда равен 512 байт. Каждая дорожка имеет одно и то же количество секторов, поэтому на дорожках, расположенных ближе к центру диска, секторы упакованы гораздо плотнее.

Дляподготовки диска к работе необходимо на нем создать разделы и логические диски, а также выполнить форматирование диска, то есть разметить его. При этом уничтожается вся информация на жёстком диске. Под разделом диска понимается часть физического диска, которая ведет себя как отдельное устройство и для хранения данных на созданном разделе необходимо сначала отформатировать его и присвоить имя диску. Диск можно разбить на несколько разделов, например на основной и дополнительные, а в разделах можно создать, в свою очередь, логические диски, каждый из которых будет иметь собственное имя. Логические диски похожи на основные разделы за тем исключением, что на одном диске может быть не более четырех основных разделов, в то время как число логических дисков не ограничено, их можно форматировать и присваивать имена.

Разбиение диска на дорожки и сектора выполняется производителем диска. Сектор емкостью 512 байт представляет минимальный физический объем диска. При логическом разбиении диска на нем создаются более крупные фрагменты, состоящие от одного до нескольких секторов и называемые кластерами. Количество секторов в кластере зависит от используемой файловой системы и емкости диска. Ниже приведена таблица размеров кластеров для файловой системы NTFS (файловые системы обсуждаются в главе 3). В этой системе обычно форматируют жесткий диск при установке операционной системы, например при установке операционной системы Windows.

Основными характеристиками НЖМД являются следующие:

· интерфейс - существует огромное количество разных моделей жестких дисков многих фирм, для обеспечения совместимости дисков разработаны стандарты на их интерфейсы, определяющие номенклатуру соединительных проводников, их размещение в переходных разъемах, электрические параметры сигналов и т.п. Распространенными являются интерфейсы IDE (Integrated Drive Electronics) или ATA (Advanced Technology Attachment), Serial ATA, SCSI (Small Computer System Interface), EIDE (Enhanced IDE). Характеристики интерфейсов, с помощью которых винчестеры связаны с материнской платой, в значительной степени определяют производительность современных жестких дисков;

· емкость диска – максимальное количество данных, хранимых накопителем, емкость современных дисков достигает до 1000 Гб (1Тбайт). Обычно оптимальный объём определяется минимальной стоимостью одного гигабайта данных. Для её определения необходимо ёмкость HDD разделить на цену. На рис. 2.6. представлена зависимость стоимости хранения одного гигабайта для наиболее распространенных НЖМД до 500 Гбайт;

Рис. 2.6. Стоимость хранения гигабайта информации на диске

За основу бралась стоимость моделей с SATA-интерфейсом и буфером от 8 Мбайт. Цены на НЖМД от разных производителей суммировались, определялось среднее значение, которое и делилось на ёмкость диска. Наиболее выгодным по стоимости за один гигабайт оказались модели ёмкостью 250 Гбайт. С небольшим отрывом за ними следуют НЖМД ёмкостью 200 Гбайт и 300 Гбайт, именно на них и следует обратить внимание пользователям;

· физический размер (форм-фактор) - большинство современных накопителей персональных компьютеров и серверов имеют размер 3,5, или 2,5 дюйма, применяются в основном в ноутбуках. Другими популярными форматами являются диски 1,8 дюйма, 1,3 дюйма и 0,85 дюйма;

· время произвольного доступа (random access time) – среднее время доступа составляет от 3 до 15 мс, как правило, минимальным временем обладают серверные диски;

· скорость вращения шпинделя (spindle speed) – диски имеют различные стандартные скорости вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 7200 и 10 000 (ПК), 10 000 и 15 000 об./мин. (серверы и высокопроизводительные рабочие станции);

· потребляемая энергия - важный показатель для мобильных устройств;

· уровень шума - определяется шумом, порождаемым работой механических частей накопителя. Данный параметр определяется в децибелах. Бесшумными накопителями являются накопители с уровнем шума менее 25 дБ;

· скорость передачи данных (Transfer Rate) – средняя скорость лежит в диапазоне (45-500) Мбайт/с.

2.4.4. Накопители на оптических дисках

Под оптическими дисками понимают носители информации, выполненные в виде дисков, запись на которые выполняется с помощью оптического излучения. Диск изготовлен из поликарбоната толщиной 1,2 мм, на который нанесен специальный слой, служащий для хранения информации. При чтении данных луч лазера отражается к читающей лазерной головке по разному для «0» и «1», посредством которых и передается информация. Диаметр дисков может быть 12см или 8см (210 Мбайт).

Первые компакт-диски были созданы для хранения аудио информации в 1979 году компаниями Philips и Sony, однако в настоящее время широко используются как устройства хранения данных широкого назначения. CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory) означает компакт-диск с возможностью только чтения. Для штамповки существует специальная матрица (мастер-диск) будущего диска, которая выдавливает дорожки на поверхности и после штамповки на поверхность диска наносят защитную пленку из прозрачного лака. Накопитель CD-ROM содержит:

· электродвигатель, который вращает диск;

· оптическую систему, состоящую из лазерного излучателя, оптических линз и датчиков и предназначенную для считывания информации с поверхности диска;

· микропроцессор, который руководит механикой привода, оптической системой и декодирует прочитанную информацию в двоичный код.

Компакт-диск раскручивается электродвигателем. На поверхность диска с помощью привода оптической системы фокусируется луч из лазерного излучателя. Луч отражается от поверхности диска и сквозь призму подается на датчик. Световой поток превращается в электрический сигнал, который поступает в микропроцессор, где он анализируется и превращается в двоичный код.

DVD – диски. Официально DVD диск был объявлен в 1995 году и вначале под данной аббревиатурой понимался Digital Video Disk (цифровой видео диск), а затем данное сокращение стало соответствовать названию Digital Versatile Disk (Versatile – универсальный). DVD имеет более высокую плотность записи за счет использования лазера с меньшей длинной волны. Кроме того, DVD могут быть двухслойными, это позволяет записывать данные на одной стороне диска в два слоя. Данные могут записываться также на две стороны диска, что обеспечивает удвоение ёмкости.

HD DVD (High Definition DVD) - это DVD высокой чёткости, использующие такие же диски стандартного размера (12см) и синий лазер с длиной волны 405 нанометров. Однослойный HD DVD имеет ёмкость 15 GB, двухслойный - 30 GB. Фирма Toshiba также анонсировала трёхслойный диск, который будет хранить 45 GB данных. Это меньше, чем ёмкость основного конкурента Blu-ray, который поддерживает 25 GB на один слой и 100 GB на четыре слоя. Оба формата совместимы с DVD и используют одни и те же методики сжатия видео.

BD DVD (Blu-Ray Disc) - это стандарт DVD дисков - Blu-Ray Disc (Голубой луч) следующего поколения. Запись и чтение данных выполняется "сине-фиолетовым" лазером длиной волны 0,4 мкм. Это обеспечивает возможность размещать на одной стороне диска 27 Гбайт, а для двухслойного диска – порядка 50 Гбайт информации. Blu-ray Disc, сокращённо BD - это следующее поколение оптических дисков с высокой плотностью.

2.5. Периферийные устройства

Периферийными или внешними устройствами называют устройства, размещенные вне системного блока и используемые для обмена информацией с компьютером. К ним относятся устройства вывода результатов (мониторы, принтеры, плоттеры и другие) и устройства ввода данных (клавиатура, сканеры и т.п.).

2.5.1. Монитор

Это стандартное устройство вывода, предназначенное для визуального отображения текстовой и графической информации. В зависимости от принципа действия, мониторы подразделяются на:

· мониторы на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ или CRT- Cathod Ray Tube);

· жидкокристаллические мониторы.

Монитор с электронно-лучевой трубкой представляет собой электронно-вакуумное устройство в виде стеклянной колбы, в горловине которой находится электронная трубка с экраном со слоем люминофора. При нагревании электронная пушка излучает поток электронов, которые с высокой скоростью двигаются к экрану. Изображение на мониторе формируется при помощи электронного луча, очень быстро проходящего последовательно по строкам слева- направо, сверху- вниз. Если бы луч проходил всю область экрана очень медленно, то мы бы увидели точку, последовательно проходящую по всей области экрана. Но, так как луч проходит весь экран с очень большой скоростью, мы видим изображение с небольшим мерцанием. Чем быстрее луч проходит по экрану, тем менее заметно мерцание картинки. Считается, что мерцание картинки будет незаметно, если луч полностью пройдет экран 75 раз за секунду (то есть с частотой 75Гц). Естественно, чем больше этот параметр, тем лучше для глаз пользователя и рекомендуемая величина - это 85Гц и выше.

При выборе монитора следует учитывать и разрешающую способность экрана (разрешение). Как правило, производитель указывает в паспорте к монитору максимальное разрешение (например макс. - 2048x1536, 60 Гц) и оптимальное (например оптим. - 1280x1024, 85 Гц).

Следующий критерий выбора - размер экрана по диагонали в дюймах. Основными стандартными размерами экрана являются 15"; 17",19"; 20"; 21", 22”,24”.

Если вы собираетесь работать только с текстовой информацией и простой графикой, вам вполне подойдет монитор 17"", 1024x768, 85Гц. Для игр следует брать монитор с наиболее большим разрешением экрана и частотой, а для профессиональной работы с видео и графикой рекомендуется монитор с диагональю экрана не менее 19"". Достоинствами мониторов на основе ЭЛТ являются:

· отличный обзор экрана под любым углом;

· достаточно точная цветопередача;

· идеально подходит для отображения видео и анимации.

К недостаткам мониторов данного типа можно отнести:

· занимают много места на рабочем столе;

· всегда присутствует электромагнитное излучение;

· мерцание вредно для глаз, чувствуется усталость после нескольких часов работы.

Монитор этого типа подойдет, если вы занимаетесь профессиональной работой с графикой и видео, в других случаях рекомендуется обратить внимание на ЖК-мониторы.

Жидкокристаллические мониторы (ЖК или LCD - Liquid Crystal Display ) – пассивные плоские мониторы, данный тип мониторов был разработан в 1963 году. Большое значение имеют чистота и тип полимера со свойствами жидких кристаллов, примененный в мониторе. В основе мониторов этого типа лежит вещество, находящееся в жидком состоянии (жидкие кристаллы), благодаря которому и формируется изображение. Экран ЖК-монитора представляет собой массив пикселей из жидких кристаллов (матрица), которые используются для отображения информации. У ЖК-мониторов нет мерцаний, дефектов сведения, помех от магнитных полей, идеальны фокусировка, геометрия изображения и фиксированное разрешение. Энергопотребление ЖК-мониторов в несколько раз меньше, чем у ЭЛТ и плазменных экранов сравнимых размеров Энергопотребление ЖК мониторов на 95% определяется мощностью ламп подсветки или светодиодной матрицы подсветки пассивного ЖК экрана. При выборе ЖК монитора следует обратить внимание на следующие основные характеристики:

· яркость - е диницей измерения яркости является «кандела» (лат. candela- свеча) на квадратный метр (кд/м 2). В некоторых документах применяется единица измерения яркости - нит, который равен 1 кд/м 2 , стандартная яркость равна 300 кд/м 2 ;

· контрастность - определяется отношением самой яркой и самой темной точки экрана. Данная величина является безразмерной и обозначается, например так: 1600:1;

· угол обзора - он бывает как горизонтальный, так и вертикальный. Горизонтальный угол обзора позволяет вам видеть изображение на мониторе (если вам позволит угол самого обзора), если вы сидите не напротив монитора, а чуть сбоку (справа или слева – вот самые крайние боковые точки и формирует данный угол – стандартный горизонтальный угол равен 160 градусам). Вертикальный угол обзора – это угол между верхней точкой перед монитором и нижней (стандартный угол составляет 60 градусов, но чем больше, тем лучше). В отличие от ЭЛТ-мониторов, в которых картинка видима под любым углом обзора, кристаллическое содержание не позволяет ЖК-мониторам похвастать этим. Наибольший угол обзора для ЖК на сегодняшний день составляет 178 градусов и по горизонтали и по вертикали;

· максимальное разрешение - от этого показателя зависит плотность или, так сказать, наибольшая детализация изображения. Стандартное разрешение составляет 1280:1024, но чем больше, тем качественнее изображение, например хорошее качество соответствует разрешение - 1920х1200;

· частота и время отклика - время отклика характеризует суммарное время переключения пиксела LCD-матрицы из черного в светлое состояние и обратно;

· потребление энергии - важный показатель при выборе монитора, потребление эпергии примерно от 30 Вт, а в режиме экономии монитор потребляет 1-2 Вт.

ЖК-мониторы имеют не только вышеперечисленные характеристики, некоторые модели имеют возможность поворота экрана на разные углы, как по горизонтали и вертикали, так и в других плоскостях. При выборе ЖК монитора следует попросить показать тест поверхности монитора на "битые пиксели" - точки на экране, которые при прохождении через них светового луча утратили свою способность изменять цвет. Дело в том, что наличие до 5 "битых пикселей" не является гарантийной ситуацией, а это значит, что никто такой монитор вам заменять не будет. Так же следует обратить внимание на "смазывание" текста при прокрутке станицы с текстовой информацией. Если текст при прокрутке оставляет за собой на некоторый момент "шлейф", приобретать такой монитор не стоит. Достоинствами ЖК мониторов являются:

· низкая потребляемая мощность электроэнергии;

· возможность поворота экрана;

· занимают достаточно мало места;

· достаточно безопасны для зрения;

· идеально подходят для работы с текстовой информацией и простой графикой, а так же для игр.

Рынок ЖК-мониторов движется все больше в сторону широкого формата. Выход Windows Vista еще больше подстегивает этот процесс. Интерфейс Vista «настроен» под формат экрана 16:10, соответственно, и большинство новинок будет теперь выходить с таким соотношением сторон. Параметры продолжают улучшаться: у новинок выросла контрастность до 3000:1. Любители игр, как обычно, не обделены вниманием: время отклика 5 мс уже никого не удивляет, в семействе моделей основных производителей имеются разработанные специально для «геймеров» двухмиллисекундные мониторы. Для профессиональной работы с графикой имеются мониторы, например NEC LCD2690WUXi с экраном 26 дюймов по диагонали.

2.5.2. Видеоплата

Видеоплата, известная также под названием графическая карта, видеокарта или видеоадаптер, является частью видиосистемы компьютера и выполняет преобразование изображения, хранящегося в памяти компьютера, в видеосигнал монитора. Видеокарта представляет собой плату расширения, встраиваемую в специальный разъём для видеокарт на материнской плате или бывает встроенной в материнскую плату микросхемой. Современные видеокарты имеют специализированный микропроцессор, выполняющий большую часть обработки изображений, освобождая от этих задач центральный процессор компьютера.

Стандартная видеоплата плата включает:

· графический процессор (Graphic Processor Unit) - является основой графической платы и в значительной степени определяет ее быстродействие. Поэтому используется понятие «графический ускоритель» (graphics accelerator), который обеспечивает выполнение определенных графических функций аппаратными средствами. Графический процессор выполняет обработку выводимого изображения, производит обработку команд трёхмерной графики. Графические процессоры являются достаточно сложными устройствами, соответствующими центральному процессору. Архитектура современного графического процессора обычно предполагает наличие блоков обработки 2D- и 3D-графики;

· видеопамять - выполняет роль буферной памяти, в которой хранится изображение, формируемое и обрабатываемое графическим процессором и выводимое на экран монитора. Основное назначение видеопамяти - временное хранение выводимой на экран монитора информации. Каждая картинка имеет определенный объём, который измеряется в байтах, поэтому больший объем видиопамяти обеспечивает лучшее разрешение, а также глубину цвета изображения. Часть видеопамяти, используемая для хранения выводимого изображения, называют кадровым буфером (фрейм- буфером). Например, если разрешение 1024х768 точек, то на экране будет 786 432 точек и при использовании 32-битного цвета для кодирования одной точки потребуется: (1024х768х32)/8 = 3145728 байт, то есть нужно более 3 Мбайт памяти. Таким образом, емкость буфера кадра видеопамяти в байтах можно в общем случае определить следующим образом: М=(r*c*b)/8, где:

М – емкость буфера памяти видеоплаты;

r - количество точек (пикселов) по горизонтали экрана;

с - количество точек (пикселов) по вертикали экрана;

b – количество бит для кодирования цвета;

8 – количество бит в байте.

· цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) используется для формирования изображений, формируемых специальным видеоконтроллером. Он формирует изображение в видеопамяти и вырабатывает сигналы развёртки монитора.

Основными характеристиками видеоадаптера являются следующие:

· разрядность шины данных, то есть количество бит информации, передаваемых за один такт и определяемых производительность видеоадаптера;

· производительность видеопамяти, от нее зависит, как быстро видеопроцессор будет получать данные для обработки. Большинство современных видеокарт сегодня имеют быстрые видеопроцессоры;

· емкость видеопамяти на плате;

· частота работы видеокарты, определяющая скорость обработки видеоинформации и измеряемая в мегагерцах;

· тип используемого интерфейса, в качестве которого сейчас применяется PCI Express, являющийся последовательным интерфейсом, его пропускная способность может достигать 8 Гб/с. В настоящее время имеет место практически полный отказ от шины AGP (Accelerated Graphics Port - ускоренный графический порт) в пользу PCI Express.

2.5.3. Звуковая карта

Звуковые карты (платы) используются для записи и воспроизведения звуковых сигналов: речи, музыки, различных звуковых эффектов. Современные звуковые платы предоставляют большие возможности для обработки звуковых сигналов и превращают обычный компьютер в достойную аудиосистему. Звуковая плата (sound card), также называемая звуковой картой, музыкальной платой бывает встроенной микросхемой в материнскую плату, отдельной платой расширения или внешней звуковой картой, соединяемой с компьютером через порт USB.

Любая звуковая плата представляет собой, по сути, схему цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразователей (ЦАП и АЦП).

Упрощенная структура аудио тракта показана на рис. 2.7. Микшерный пульт - это устройство, предназначенное для суммирования звуковых сигналов от нескольких источников в один или несколько, также при помощи микшерного пульта осуществляется маршрутизация звуковых сигналов.

При цифровом представлении аналогового сигнала изменение его амплитуды происходит дискретно и как бы фиксируется в течение некоторых моментов времени, в которые осуществляются измерения. Измеренные значения определяют аналоговый (непрерывный) сигнал, представляя его состояние в дискретные моменты времени. Таким образом, звук после аналого-цифрового преобразования представляется последовательностью цифровых кодов. Очевидно, что чем короче временные промежутки между отдельными измерениями, то есть чем выше частота дискретизации (Sampling Rate), тем точнее описывается и затем воспроизводится звуковой сигнал. Необходимая частота измерений (выборки) зависит от частотного диапазона преобразуемого сигнала.

Обычно применяется частота 44.1 KHz, что соответствует стандарту Audio CD и обеспечивает воспроизведение частот приблизительно до 22.05 KHz. Напомним, что человек воспринимает звуковые колебания в диапазоне примерно от 20 до 20000 Гц. Под точностью или разрешающей способностью понимают наименьшее изменение аналогового сигнала, которое приведет к изменению цифрового кода. Это определяется разрядностью АЦП и ЦАП при воспроизведении звука, с увеличением которой увеличивается их динамический диапазон. Звуковые карты могут иметь разрядность 16, 20, а иногда и 24 бита, хотя последняя уже практически не приводит к заметному улучшению качества.

Рис. 2.7. Структура аудио тракта

В принципе вся необходимая обработка может выполнятся центральным процессором, но гораздо лучше, если обработку выполняет расположенный на плате специализированный звуковой процессор, называемый DSP (Digital Signal Processor). От его возможностей и производительности напрямую зависит качество и точность звуковы

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Информатика

Санкт петербургский государственный университет сервиса и.. кафедра информатика..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях: