Лекция № 9 Основные устройства компьютера

Лекция № 9

Основные устройства компьютера

1. Основные устройства ввода информации

Устройства ввода информации (клавиатура, мышь, сканер и др.) «переводят» информацию с языка человека на машинный язык компьютера

1. Клавиатура – клавишное устройство управления персональным компьютером. Служит для ввода знаковой информации (букв, цифр и др. символов) и команд управления. Комбинация монитора и клавиатуры обеспечивают простейший интерфейс пользователя. С помощью клавиатуры управляют компьютерной системой, а с помощью монитора получают от неё отклик.

Стандартная клавиатура имеет более 100 клавиш, функционально распределённых по нескольким группам.

Клавиатура состоит из 6 групп клавиш:

1)    Буквенно-цифровые клавиши (А-Я, A-Z, 0-9) аналогичны клавиатуре обычной пишущей машинки. В верхнем регистре печатаются прописные буквы, а в нижнем – строчные. Цифровые клавиши в нижнем регистре печатают цифры, а в верхнем – знаки и символы. В зависимости от выполняемой программы клавиши меняют своё назначение.

Пробел (Space bar) – длинная клавиша без надписи в нижней части клавиатуры - служит, как и в пишущей машинке, для ввода пробела.

Ctrl + Shift (или Alt + Shift) – переключение раскладок клавиатуры

Shift + < буквенно-цифровая клавиша > - ввод прописных букв или других символов (верхний регистр)

2) Управляющие клавиши расположены в каждой части клавиатуры, слева и справа от буквенно-цифровой клавиатуры, на цифровой клавиатуре и справа от функциональных клавиш.

Enter – для выполнения команд; курсор в начало следующей строки (в текстовом редакторе);

Backspace – удаляет символ слева от курсора;

Esc – отмена какого-либо действия, выход из режима программы;

Tab – переключение между полями запроса;

Print Screen – позволяет сделать «снимок» с экрана компьютера, помещая его в «буфер обмена»;

Shift, Ctrl, Alt – для изменения значений других клавиш;

Pause – приостанавливает выполнение программы (для продолжения нажать любую клавишу)

3) Назначение функциональных клавиш определяется текущей прикладной программой (F1-F12)

4) Цифровая клавиатура. В режиме блокировки цифр (вкл. Num Lock) вводится числовая информация и знаки арифметических действий. В противном случае клавиши дублируют клавиши управления курсором, Insert, Delete.

Insert – вставка символов, переключение между режимами ввода символов;

Delete – удаление символов справа от курсора; удаление выделенного текста, файла и т.д.

5)    Клавиши управления курсором:

стрелки (влево, вправо, вверх, вниз);

PgUp – «пролистывание» изображения вверх;

PgDn – «пролистывание» изображения вниз;

Home – перемещает курсор в начало строки;

End – перемещает курсор в конец строки.

6)    Световые индикаторы функций:

Num Lock – режим блокировки цифр;

Caps Lock – режим прописных букв;

Scroll Lock – режим блокировки прокрутки.

Дополнительные клавиши

клавиша Windows («летящее окно») - вызов меню «Пуск»;

клавиша «Контекст» (рядом с «летящим окном») – вызов контекстного меню (можно также правой клавишей мыши);

Power – включение/выключение ПК;

Sleep – переключение компьютера в «спящий» режим;

Wake – выход из «спящего» режима;

Ctrl + Alt +Delete – вызов диспетчера задач

Названия некоторых символов.

/ - слэш;

& - амперсанд;

$ - доллар;

~ - тильда;

@ - собака;

\ - бэкслэш (обратная косая черта);

# - решётка;

^ - крышка;

*  - звёздочка;

“ ” - кавычки.

2. Мышь – устройство, облегчающее ввод информации в компьютер; манипулятор, представляющий собой небольшую коробочку с 2-3 кнопками. Стандартная мышь имеет только две кнопки, хотя существуют мыши с тремя кнопками или с двумя кнопками и вращающимся колёсиком.

Мыши бывают механическими (имеют тяжёлый металлический шарик, одетый в тонкую резиновую оболочку) и оптическими (все движения такой мыши отслеживает специальный световой луч).

По типу подключения к компьютеру мыши подразделяются на проводные и инфракрасные (к порту на системном блоке присоединяется приёмник инфракрасного сигнала).

В портативных компьютерах вместо мыши используют трекбол, сенсорную панель, трекпойнт (все они эквивалентны мыши; выбор между ними – дело вкуса).

Нажатие на левую кнопку мыши (её иногда называют основной) выделяет объект, а двойное нажатие на неё активизирует этот объект, запускает программу, открывает документ. Нажатие на правую (дополнительную) кнопку вызывает контекстное меню (т.е. список тех действий, которые можно выполнить с данным объектом).

3. Сканер – устройство для считывания текстовой и графической информации в компьютер. 

Ручные сканеры занимают места не больше, чем книжка среднего формата.

Планшетные сканеры представляют собой что-то вроде большого планшета. Бумажный лист с изображением или текстом кладётся  на прозрачную стеклянную поверхность, под которой находится распознающий элемент сканера, прибор закрывается крышкой. А дальше сканер сделает всё сам – так же, как работает ксерокс.

Существуют ещё и протяжные сканеры, которые называются так потому, что сканируемый лист протягивается сквозь эти устройства с помощью специального механизма.

Сканер необходим нам для сканирования изображений и сканирования текста для дальнейшего распознавания (перевода из формата «картинки» в формат собственно текста; для этого необходимо, чтобы была установлена программа автоматического распознавания текста).

4. Графический планшет (дигитайзер) – устройство для ручного ввода изображений в компьютер. Со специального планшета, оборудованного чувствительной поверхностью, которая реагирует на испускаемые пером сигналы и передаёт точные координаты «точки соприкосновения» в компьютер. «Перо» при контакте с планшетом испускает специальные сигналы, говорящие ему о том, каким цветом нужно нарисовать в компьютере тот или иной элемент, какой толщины должен быть штрих и т.д. Размер планшета может колебаться от стандартного формата машинописной страницы A4 до размера большого газетного листа.

5. Джойстик – манипулятор в виде укреплённой на шарнире ручки; используется для компьютерных игр.

2. Основные устройства вывода информации

1. Монитор – устройство визуального представления данных. Мониторы бывают электронно-лучевыми, жидкокристаллическими, плазменными. К основным параметрам мониторов относятся: 1) размер экрана (в дюймах). Стандартные размеры – 14, 15, 17, 19, 20 и 21 дюйм (1 дюйм = 2,54 см) 2) максимальная частота регенерации изображения показывает, сколько раз в секунду монитор может полностью сменить изображение. Минимальным считается значение частоты 75 Гц, нормальным – 85 Гц, комфортным – 100 Гц и более. 3) разрешающая способность (в пикселах) показывает, сколько пикселов по высоте и ширине помещается на экран. Минимальные значения – 640*480, максимальные значения для хороших мониторов – до 1600*1200.

2. Принтер – устройство, служащее выводом на печать текстовой и графической информации. В настоящее время предпочтение отдаётся лазерным принтерам, хотя до сих пор применяют и струйные, и матричные (реже) принтеры. Некоторые принтеры поддерживают цветную печать, а другие позволяют печатать только чёрно-белые документы и изображения.

Печатающее устройство матричных (игольчатых) принтеров содержит в себе некоторое число иголок, которые выскакивают из головки и наносят удар по красящей ленте, похожей на машинописную. От удара иголочки на бумаге оставалась точка. А комбинация этих иголочек при движении головки давала символ – букву или цифру. В основном, конечно, эти принтеры чёрно-белые. Но есть и матричные принтеры, работающие с многоцветной печатной лентой. При печати матричные принтеры издают большой шум. В настоящее время такие принтеры используют крайне редко.

Печатным устройством в струйном принтере является ёмкость со специальными чернилами, которые выбрызгиваются на бумагу из миниатюрных дырочек-сопел под большим давлением. На бумаге остаётся крохотная капелька, диаметр которой в десятки раз меньше, чем диаметр точки от матричного принтера. Струйный принтер обеспечивает более высокое качество печати, чем матричные. Но скорость печати одной страницы текста занимает от 30 секунд до 1-2 минут, а картинки – и того дольше. Струйные принтеры поддерживают чёрно-белую и цветную печать, а также многие обычные струйные принтеры имеют в своём арсенале дополнительный картридж для печати фотографий.

В лазерных принтерах печатающим устройством служит валик-«барабан», на котором, в соответствии с «поданным» на печать изображением, формируются различным образом заряженные участки, к которым притягиваются мелкие частицы красящего порошка. После этого валик «прокатывает» бумагу, перенося краску на её поверхность – при этом тонер расплавляется и застывает уже на бумаге. Скорость печати на лазерных принтерах  высокая (7-20 страниц в минуту), работают они почти бесшумно. Поддерживают чёрно-белую и цветную печать.

3. Плоттер (графопостроитель) – устройство для вывода чертежей, графиков, качественных цветных изображений на бумагу или синтетическую плёнку; используется в проектных и конструкторских бюро, в рекламных агентствах.

Графопостроитель представляет собой чертёжное или режущее программно-управляемое устройство. Программой для него могут служить фотографии, рисунок, чертёж, введённые в ЭВМ или программа на некотором языке. Графопостроитель имеет подвижную каретку с закреплённым на ней пишущим узлом, на котором находится несколько пишущих элементов (перьев). Узел может перемещаться над поверхностью листа бумаги. В нужных местах он опускает перо и удерживает его в этом положении, оставляя след в виде непрерывной линии.

4. Акустические системы (колонки) позволяют слушать музыку, речь и др. звуки, воспринимаемые звуковой картой.

3. Внутренняя память компьютера

В состав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-память (сверхбыстродействующая память для ускорения доступа к оперативной памяти на быстродействующих компьютерах) и постоянная память.

Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory – память с произвольным доступом) – это быстрое запоминающее устройство не очень большого объёма, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами.

Оперативная память представляет собой множество ячеек, причём каждая имеет свой уникальный двоичный адрес. Каждая ячейка памяти имеет объём 1 байт. В современных персональных компьютерах количество ячеек памяти достигает десятки миллионов.

Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, так как, когда машина выключается, всё, что находилось в оперативном запоминающем устройстве, пропадает.

Объём ОЗУ обычно составляет 4-64 Мбайта и более, а для эффективной работы современного программного обеспечения желательно иметь не менее 16 Мбайт ОЗУ.

Кэш-память – сверхбыстродействующее ОЗУ, время выборки – 15-20 нс. Используется для ускорения операций в памяти ЭВМ. В кэш-память записывается та часть информации из ОЗУ, с которой процессор работает в данный момент. Кэш-память может содержать до трёх уровней и иметь объём до 2 Мбайт.

Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory – память только для чтения) - энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом «зашивается» в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. На ПЗУ можно только читать.

Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.

Разновидность постоянного ЗУ – CMOS RAM. CMOS RAM – это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы. Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS  (англ. Set-up – устанавливать)

4. Внешняя память компьютера

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения программ и данных, и целостность её содержимого не зависит от того, включён или выключен компьютер. В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором. Устройство, которое обеспечивает запись / считывание информации, называется накопителем или дисководом, а хранится информация на носителях (например, на дискетах).

Информация от ВЗУ к процессору и наоборот циркулирует примерно по следующей цепочке:

В состав внешней памяти компьютера входят:

·        накопители на жёстких магнитных дисках;

·        накопители на гибких магнитных дисках;

·        накопители на компакт-дисках;

·        накопители на магнитооптических компакт-дисках;

·        накопители на магнитной ленте (стримеры) и др.

Им соответствуют основные виды носителей:

·        гибкие магнитные диски (floppy disk);

·        жесткие магнитные диски (hard disk);

·        кассеты для стримеров и других НМЛ;

·        диски CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD-R, DVD-RW

Основные характеристики накопителей и носителей:

·        информационная ёмкость;

·        скорость обмена информацией;

·        надёжность хранения информации;

·        стоимость.

Различные виды носителей информации

Гибкий диск, дискета (англ. floppy disk) – устройство для хранения небольших объёмов информации, представляющие собой гибкий пластиковый диск в пластмассовом корпусе.  Используется для переноса данных с одного компьютера на другой и распространения программного обеспечения.

В центре дискеты имеется приспособление для захвата и обеспечения вращения диска внутри пластмассового корпуса. Дискета вставляется в дисковод, который вращает диск с постоянной угловой скоростью.

Информационная ёмкость дискеты такова, что на ней может быть, например, записана книга объёмов около 600 страниц или несколько десятков графических изображений.

В целях сохранения информации гибкие магнитные диски необходимо предохранять от воздействия сильных магнитных полей и нагревания, так как такие физические воздействия могут привести к размагничиванию носителя и потере информации.

Альтернатив старому дисководу (1,44 Мб) сегодня существует много, например, Flash-брелок (способен хранить в себе от 32 Мб до 2 Гб данных), карты памяти (используются в различных видах мобильных устройств – от плееров до карманных компьютеров и фотоаппаратов).

Накопитель на жёстких магнитных дисках (англ. HDD – Hard Disk Drive) или винчестерский накопитель – это наиболее массовое запоминающее устройство большой ёмкости, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые пластины – плоттеры, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Используется для постоянного хранения информации – программ и данных.

В отличие от дискеты, винчестерский диск вращается непрерывно. Винчестерский накопитель связан с процессором через контроллёр жёсткого диска. Все современные накопители снабжаются встроенным кэшем (64 Кбайт и более), который существенно повышает их производительность.

В целях сохранения информации и работоспособности жёсткие диски необходимо оберегать от ударов и резких изменений пространственной ориентации в процессе работы.

Накопители на оптических носителях

Оптический принцип считывания информации

Накопители на компакт-дисках и DVD. CD-ROM состоит из прозрачной полимерной основы диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм. Одна сторона покрыта тонким алюминиевым слоем, защищённым от повреждений слоем лака. Двоичная информация представляется последовательным чередованием углублений (pits – ямки) и основного слоя (land – земля).

На одном дюйме (2,54 см) по радиусу диска размещается 16 тысяч дорожек с информацией. Ёмкость CD до 780 Мбайт.

Достоинства CD-ROM:

·        при малых физических размерах CD-ROM обладают высокой информационной ёмкостью, что позволяет использовать их в справочных системах и в учебных комплексах с богатым иллюстративным материалом;

·        один CD, имея размеры примерно дискеты, по информационному объёму равен почти 500 таким дискетам;

·        считывание информации с CD происходит с высокой скоростью, сравнимой со скоростью работы винчестера;

·        CD просты и удобны в работе, практически не изнашиваются;

·        на CD-ROM невозможно случайно стереть информацию;

·        стоимость хранения данных (в расчёте на 1 Мбайт) низкая.

Со временем на смену CD-ROM пришли цифровые видеодиски DVD («ди-ви-ди»). Эти диски имеют тот же размер, что и обычные CD, но вмещают 4,7 Гбайт данных, т.е. по объёму заменяют семь стандартных дисков CD-ROM. В скором времени ёмкость дисков DVD возрастёт до 17 Гбайт. На таких дисках будут выпускаться полноэкранные видеофильмы отличного качества, программы-тренажёры, мультимедийные игры и многое другое.

Существуют CD-R и DVD-R диски (R – recordable, записываемый), которые имеют золотистый цвет. Информация на таких дисках может быть записана, но только один раз. На дисках CD-RW и DVD-RW (RW – ReWritable, перезаписываемый), которые имеют «платиновый» оттенок, информация может быть записана многократно.

В целях сохранности информации лазерные диски необходимо предохранять от механических повреждений (царапин), а также от загрязнения.

5. Процессор – устройство обработки информации

Для того чтобы ориентироваться в окружающем мире, человек постоянно обрабатывает информацию. В компьютере устройством, которое обрабатывает информацию, является процессор.

Процессор может обрабатывать различные виды информации: числовую, текстовую, графическую, видео- и звуковую информацию. Процессор является электронным устройством, поэтому различные виды информации должны обрабатываться в нём в форме последовательностей электрических импульсов.

Такие последовательности электрических импульсов можно записать в виде последовательностей нулей и единиц (есть импульс – единица, нет импульса – нуль), которые называются машинным языком.

Процессор аппаратно реализуется на большой интегральной схеме (БИС). Большая интегральная схема на самом деле не является «большой» по размеру и представляет собой, наоборот, маленькую плоскую полупроводниковую пластину размером примерно  2020  мм, заключённую в плоский корпус с рядами металлических штырьков (контактов).

Использование современных высоких технологий позволяет разместить на БИС процессора огромное количество (42 миллиона в процессоре Pentium 4) функциональных элементов (переключателей), размеры которых составляют всего около 0,18 микрон (1 микрон = 10^{-6 метра).}

Эти элементы образуют сложную структуру, что позволяет процессору производить обработку информации (например, складывать числа) с очень высокой скоростью. Современные процессоры обладают большим быстродействием, например, процессор Pentium 4 может выполнять обработку информации с частотой в 1,5 ГГц (выполнять 1,5 миллиарда операций в секунду).

6. Устройства передачи и приёма информации

Модем – устройство подключения компьютера для передачи и приема по телекоммуникационным линиям. Для передачи информации модем преобразует сигнал из цифровой формы в аналоговую, для приема сигнала – наоборот.

Устроен любой модем достаточно просто: его основой являются несколько микросхем, отвечающие за выполнение трёх ключевых задач:

1. цифровой сигнальный процессор (DSP) руководит всем процессом подготовки компьютерной информации к передаче – её разбивку на «пакеты» в соответствии с одним из поддерживаемых протоколов. Именно в его ведении находится поддержка протоколов, а также программная «начинка» модема – BIOS, который чаще называют ещё «прошивкой».

2. пройдя через DSP, информация передаётся специальной микросхеме контроллёра, отвечающей за сжатие информации, а заодно и за коррекцию ошибок.

3. наконец, за полностью готовые к отправке данные берётся кодек (Digital-Analog Coder-Decoder), чьей работой является перевод цифровых сигналов в аналоговые, которые и отправляются в путешествие по телефонным линиям. Информация, поступающая на компьютер через Интернет, проходит через обратное преобразование, из аналоговых сигналов в цифровые, и затем передаётся для обработки контроллёру и процессору DSP.

Сетевой адаптер (сетевая карта) – устройство для подключения компьютера к локальной сети. Сетевой адаптер контролирует доступ к среде передачи данных и обмен данными в сети, выполняет функцию сопряжения компьютера с каналами связи.

Магистраль – линия связи, к которой подключена сеть. Для крупных сетей магистраль реализуют на волоконно-оптическом кабеле.

7. Архитектура ЭВМ.

Магистрально-модульный принцип построения компьютера

В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости её модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных (по этой шине данные передаются между различными устройствами), шину адреса (по ней передается адрес ячейки оперативной памяти или адрес устройства, причём сигналы передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина)), шину управления (по ней передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали; эти сигналы определяют, какую операцию нужно производить, синхронизируют обмен между устройствами и т.д.).

В основу построения большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским учёным Джоном фон Нейманом.

1.        Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определённой последовательности. Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

2.        Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

3.        Принцип адресуемости. Структурно основная память состоит из перенумерованным ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка памяти. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ  с использованием присвоенных имён. Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских.

Принципы действия ЭВМ

Арифметико-логическое устройство выполняет вычисления и расчёты по заранее заданной программе.

Устройство управления обеспечивает управление и контроль всех устройств, входящих в ЭВМ.

Арифметико-логическое устройство + устройство управления = процессор ЭВМ

Запоминающее устройство обеспечивает хранение исходных и промежуточных данных, результатов решения, а также программ.

Входное устройство используется для ввода в ЭВМ данных, необходимых для решения задач и программ.

Выходное устройство обеспечивает выдачу результатов решения в удобной для человека форме.