Контроллеры управления периферийными устройствами

(схемы для взаимодействия с другими устройствами:

монитором, клавиатурой, дисководами)

На системной плате находятся микросхемы с дополнительными процессорами ″местного значения″ - контроллеры, которые освобождают центральный процессор от выполнения функций управления отдельными внешними устройствами (клавиатурой, монитором, жестким диском, принтером…), устанавливают связующие ″мосты взаимопонимания″ между внутренними и периферийными устройствами, обслуживают их запросы к памяти, расставляют приоритеты в обслуживании. В идеальном варианте системная плата должна иметь как можно больше встроенных стандартных контроллеров и интерфейсов (за исключением, возможно, видеоадаптеров). Системная плата должна поддерживать частоты, соответствующие реально существующему быстродействию дисководов.

Для подключения периферийных устройств используются порты. Порт – это разъем, предназначенный для подключения периферийных устройств и передающий данные компьютеру от периферийного устройства и обратно. Все порты – это интерфейсы ввода – вывода информации. Для управления портами используется микросхема Super I/O, расположенная на системной плате, или высокоинтегрированная микросхема South Bridge.

Различают следующие виды портов (разъемов):

- последовательный (COM) Порт компьютера для организации побайтной асинхронной связи. Последовательный порт называется также коммуникационным портом, или портом связи, или COM -портом. Модемы, плоттеры, сканеры, устройства считывания штрих - кода всегда подключаются к последовательным (COM) портам.

- параллельный (LTP). Параллельный порт – это разъем ввода/вывода, предназначенный для подключения к компьютеру устройств параллельного интерфейса (принтеров), а также для соединения компьютеров между собой. В параллельных портах для одновременной передачи байта информации используется восемь линий, данный интерфейс отличается высоким быстродействием (значительно выше, чем в последовательных портах). Даже в самых первых компьютерах были три параллельных порта. Достоинство: более простая конфигурация по сравнению с последовательными портами. Существенный недостаток – соединительные провода не могут быть слишком длинными. При большой длине соединительного кабеля приходится вводить в кабель промежуточные усилители сигналов.

Новые интерфейсы ввода – вывода

Самые высокоскоростные коммуникационные соединения с периферийными устройствами FireWire и USB. Данные порты отличаются от последовательных и параллельных портов более широкими возможностями: к ним можно подсоединять все типы внешних периферийных устройств (попытка объединения устройств ввода – вывода). Новым направлением в развитии высокоскоростных периферийных шин является использование последовательной архитектуры. Для передачи информации в параллельной архитектуре, где биты передаются одновременно, необходимы линии в 8, 16 и более проводов (т.е. пропускная способность достаточно высока), но на самом деле увеличить пропускную способность последовательного соединения намного легче и проще, чем параллельного. Еще одно достоинство последовательного способа передачи данных – возможность использования только одно-, двухпроводного канала, поэтому помехи, возникающие при передаче, очень малы. А в параллельном соединении помехи достаточно высоки! Стоимость параллельных кабелей высока из-за специальной укладки для предотвращения помех + необходимость большого количества проводов. При подключении периферийного устройства к порту USB его настройка происходит автоматически, сразу после физического подключения, без перезагрузки или установки (т.е. поддерживается технология самонастраивающихся устройств Plug and Play).

- FireWire (IEEE-1394 или i.Link). Высокоскоростной коммуникационный порт для соединений всех типов внешних периферийных устройств с компьютером (попытка объединения устройств ввода – вывода). Скорость передачи достигает 400 Мбит/сек. Преимущество перед портом USB: периферийные устройства к данному порту подключаются напрямую, без узловых устройств, коим является компьютер. Поэтому данная технология получила наибольшее распространение в цифровых видеоустройсвах!!

- USB (Universal Serial Bus = универсальная последовательная шина). USB — это стандарт высокоскоростной внешней шины, допускающий передачу данных со скоростью до 480 Мбит/с. Порты USB поддерживают разъем размером приблизительно 7мм x 1мм. Интерфейс компьютера, позволяющий подключать устройства USB (флэшку, фотоаппарат, видеокамеру…..). Самая первая версия USB 1.1 появилась в 1996г. В настоящее время для одновременного подключения нескольких устройств разработаны концентраторы (модуль, выполняющий функцию тройника в быту). Практически все системные платы имеют два или четыре порта USB. Подключая несколько концентраторов, можно создать каскадную структуру до пяти уровней в глубину. К одному порту USB можно подключить до 127 периферийных устройств, включая динамики, телефоны, дисководы компакт-дисков, джойстики, магнитофоны, клавиатуры, сканеры и камеры.

Для увеличения количества портов можно использовать интерфейсную плату ввода – вывода – multi-I/O card, которая содержит один – два последовательных и один – два параллельных порта.

§ Платы расширения

(схемы дополнительных устройств)

В современных компьютерах устанавливаются дополнительные служебные платы расширения:

- видеоадаптеры

- звуковые платы

- сетевые платы

Видеоадаптеры

Видеоадаптер предназначен для связи монитора с микропроцессором и обеспечения совместимости различных мониторов с микропроцессорным комплектом ЭВМ. Основными характеристиками видеоадаптеров являются: объем видеопамяти (Мбайт), разрядность шины видеосистемы, глубина цвета.

В состав видеоадаптера входят: BIOS видеоадаптера, видеопамять, блок сопряжения с монитором, блок управления, различные ускорители и разъем.

Видеоадаптеры имеют свою BIOS, которая полностью независима и хранится в микросхеме ROM. Данная микросхема содержит основные команды, которые представляют интерфейс между оборудованием видеоадаптера и программным обеспечением

Самым важным является видеопамять. Она построена на обычной динамической памяти (DRAM), в которой для доступа к биту надо задать адрес строки и столбца. Существуют и другие, более усовершенствованные виды видеопамяти: EDO DRAM (расширенная система вывода данных из динамической памяти), FPM DRAM (режим быстрых страниц динамической памяти). Память медленная, устаревшая, не применяется; Высокоскоростная память (современные типы): SDRAM (синхронная DRAM). Очень быстрая, применяется в видеоадаптерах PCI/AGP; SGRAM. Очень быстрая. Применяется в высококачественных видеоадаптерах PCI/AGP; DDR. Очень быстрая. Применяется в высококачественных видеоадаптерах AGP; BEDO DRAM (импульсная расширенная система вывода данных из динамической памяти).

 

Звуковыеплаты

Звуковая плата (аудиоплата) применяется для улучшения качества звука. Звуковая плата – это самое сложное и большое устройство из всех подключаемых к компьютеру. В конце 80-х годов появившиеся первые звуковые платы использовались только для игр.

Звук – колебания (волны), распространяющиеся в воздухе или в другой среде от источника колебаний во всех направлениях. Когда волны достигают нашего уха, расположенные в нем чувствительные элементы воспринимают эту вибрацию, и мы слышим звук. Каждый звук характеризуется частотой и интенсивностью (громкостью). Частота – это количество звуковых колебаний в секунду; измеряется в Гц. Один цикл (период) – это одно движение источника колебания (туда и обратно). Чем выше частота, тем выше тон. Человеческое ухо воспринимает лишь небольшой диапазон частот: от 16Гц до 20КГц., дети - до 30КГц. Колебания с частотой <20 Гц называются инфразвуком, колебания с частотой >20 КГц – ультразвуком. Частота звука самой низкой ноты на рояле = 27Гц, а самой высокой - чуть больше 4КГц; и наивысшая частота, которую могут передать радиовещательные станции – 15КГц, а для передачи разборчивой речи достаточен диапазон 300-3000Гц. Громкость звука определяется амплитудой звуковых колебаний. Амплитуда в первую очередь зависит от мощности источника звука. Громкость звука измеряется в децибелах (дБ). Например, шорох листьев имеет громкость около 20дБ, близкий удар грома – 120дБ.

Для хранения звука в персональном компьютере используются файлы двух основных типов:

- обычные звуковые файлы. Данные файлы содержат информацию о форме волны и представляют собой запись аналоговых аудиосигналов в цифровой форме. Хранятся в ПК в форматах с расширениями: .wav.voc.au.aiff.mp3 Размер файла зависит от качества записи. Для достижения компромисса между высоким качеством звука и малым размером файла используется самый популярный формат звуковых файлов - .mp3 Данный формат предназначен для улучшения эффективности сжатия звукового файла при уменьшении размера файла примерно наполовину. Единственным недостатком формата .mp3 является отсутствие защиты от несанкционированного использования (из Интернета можно свободно скачивать любую музыку)

- файлы MIDI. Данные файлы полностью цифровые; содержат не запись звука, а команды, используемые для создания (синтезирования) звука аудиооборудованием. Имеют расширение .mid.rmi MIDI - специальный язык программирования для электронных музыкальных инструментов, с помощью которого можно создавать, записывать, редактировать и воспроизводить музыкальные файлы на ПК. MIDI - файлы относительно небольшие по объему (для записи одного часа стереомузыки требуется менее 500Кбайт). Поскольку файл MIDI состоит из цифровых команд, его намного легче редактировать, чем звуковой файл типа .wav Соответствующее программное обеспечение позволяет выбирать любой канал MIDI, записывать ноты, а также добавлять различные эффекты.

Основные характеристики звуковых плат:

- разрядность. Определяется количеством разрядов разъема расширения звуковой платы. Большинство старых плат поддерживало 8-разрядное представление звука. Все современные платы обеспечивают 16-разрядов и более.

- частота дискретизации – это количество выборок в секунду. Дискретизация – это процесс превращения исходного звукового сигнала в цифровую форму, в которой он и хранится для последующего воспроизведения (процесс преобразования в цифровую форму называется оцифровыванием). Дискретизация = оцифровка!! При этом сохраняются мгновенные значения звукового сигнала в определенные моменты времени, называемые выборками. Чем чаще берут выборки, тем точнее цифровая копия звука соответствует оригиналу. Теоретически частота дискретизации должна быть в два раза выше максимальной частоты сигнала (т.е. верхней границы частот) + 10% запаса. Частотная характеристика определяет тот диапазон частот, в котором уровень записываемых и воспроизводимых амплитуд звука остается постоянным. Для большинства звуковых плат составляет от 30Гц до 20 КГц. Записи с компакт – диска соответствует частота 44,1КГц. Чем шире этот диапазон, тем лучше плата!! Для записи – воспроизведения речи достаточно иметь частоту дискретизации 6-8 КГц, для музыки среднего качества – 20-25 КГц, для высококачественного звука – не менее 44 КГц.

- количество каналов (моно-, стерео-, квадро-). При работе со стереозвуком необходимы два одинаковых канала, а для работы с моно требуется более простая карта. Стереозвук, кроме того, требует вдвое большего объема памяти.

Сетевые платы

Сетевая плата или сетевой адаптер предназначен для подключения ПК или нескольких ПК в сеть. Обычно сетевая карта не требует много ресурсов, как звуковая и видеоплаты. Обычно сетевые адаптеры и концентраторы (хаб, повторитель, ″тройник″ в быту) используются для построения базовых фрагментов сетей, которые объединяются в более крупные структуры с помощью мостов, коммутаторов и маршрутизаторов. Все сетевые адаптеры ориентированы на определенную архитектуру сети и ее характеристики. В зависимости от того, какой протокол реализует адаптер, бывают Ethernet- адаптеры, Token Ring – адаптеры, FDDI – адаптеры и т.д. современные адаптеры выполняют ряд высокоуровневых функций: дистанционное управление компьютером, адаптация к временным параметрам шины и оперативной памяти ПК с целью повышения производительности обмена ″сеть – компьютер″. Основными характеристиками сетевого адаптера являются:

- скорость. Сетевой адаптер должен поддерживать операции полудуплексного и полнодуплексного режимов. Полудуплексный режим означает, что сетевой адаптер за одну операцию может либо передать, либо принимать. Полнодуплексный режим означает, что адаптер может одновременно принимать и передавать данные. Ethernet- адаптеры поддерживают скорость 100 Мбит/сек.

- тип шины: PCI (большая разрядность (32) и высокая скорость передачи данных (100Мбит/сек) делают ее единственным логичным выбором для сетевых адаптеров всех типов), ISA (малая разрядность (16) и низкая скорость передачи данных ( 10Мбит/сек) серьезно ограничивают производительность сети)

- тип разъема. Разъем, похожий на увеличенный телефонный разъем и называется RJ-45. подключается к любому виду провода или кабеля в сети.

§ Накопители информации

(жесткий диск, гибкий диск, оптические диски, стримеры, сменные накопители)

Вся информация в компьютерах хранится на носителях, использующих магнитные или оптические принципы. Существует три основные категории сменных носителей: дисковые, ленточные и флэш – память. Каждый из них предназначен для решения определенного круга задач. Все типы магнитных дисковых носителей имеют несколько одинаковых характеристик. Дисковые накопители по сравнению с ленточными стоят дороже (из расчета за мегабайт или гигабайт), имеют меньшую емкость и более просты в работе с файлами. Дисковые накопители работают в режиме произвольного доступа, что позволяет находить, использовать, модифицировать или уничтожать любой файл или группу файлов на диске, не беспокоясь об остальном его содержании. Ленточные накопители намного дешевле (из расчета за мегабайт или гигабайт), имеют б о льшую емкость и более просты при создании резервных копий дисков и при работе с большим количеством разных файлов. Ленточные носители используют последовательный доступ, а это означает, что содержимое ленты должно считываться с самого начала и отдельные файлы будут найдены в порядке их записи на ленту. Кроме того, отдельный файл не может быть редактирован или удален с ленты; уничтожено или переписано может быть содержимое всего картриджа. Поэтому ленточные носители больше приспособлены для полного дублирования всего жесткого диска, включая все приложения и данные. Новейшим типом сменного накопителя является флэш – память. Это твердотельный чип памяти, который не требует постоянного питания для хранения информации. Флэшки легко подключаются через последовательный порт USB к любому современному компьютеру, фотопринтеру.

Существуют следующие виды накопителей информации:

- Жесткие диски

- Гибкие диски

- Оптические диски: (CD-ROM,CD-R, CD-RW, DVD)

- Стримеры (ленточный носитель)

- Сменные накопители информации (флэшки, карты памяти)

Жесткие диски

HAD: Head Disk Assembly – блок головок и дисков; диски C, D,E….

Дисковые накопители работают в режиме произвольного доступа, что позволяет находить, использовать, модифицировать или уничтожать любой файл или группу файлов на диске, не беспокоясь об остальном его содержании. Основной характеристикой жестких дисков является их емкость, плотность записи, скорость считывания/записи. Емкость (Гбайт) в наибольшей степени зависит от плотности записи, которая в свою очередь зависит от технологии изготовления. Плотность записи – это количество информации, которое может быть надежно размещено на определенной площади записываемой поверхности. Все диски имеют три типа плотности записи: радиальную, линейную и поверхностную. Радиальная плотность указывает, сколько дорожек может быть записано на диске, и выражается в количестве дорожек на 1 дюйм (измеряется в tpi). Линейная плотность – это способность отдельной дорожки накапливать данные; выражается в количестве битов на 1 дюйм (измеряется в bpi). Поверхностная плотность записи – это произведение линейной плотности на радиальную плотность (количество информации в 1 квадратном дюйме диска, измеряется в или ). В современных дисках поверхностная плотность достигает . Дальнейшее повышение поверхностной плотности записи связано с созданием новых типов носителей информации (например, с использованием некристаллических стекловидных материалов) и конструкций головок, с применением метода псевдоконтактной записи, а также более совершенных методов обработки сигналов. Для достижения более высокого уровня поверхностной плотности необходимо создавать такие головки и диски, которые могли бы функционировать при минимальном зазоре между ними. В современных устройствах этот зазор составляет около 10 нм (тоньше человеческого волоса в 8 раз).

Все современные жесткие диски поддерживают интерфейс IDE и SCSI (т.е., поддерживают интерфейс указанных шин). Данные накопители имеют встроенную кэш – память для повышения быстродействия и времени обращения к диску, времени записи/чтения.

Гибкие диски

Диски А, В. В 1983г. компания представила свой первый накопитель и гибкий диск (дискету) диаметром 3,5 дюйма. Различают следующие виды дисков:

- 5,25 дюймов. (Диск В). Объем 1,2 Мбайт. Снят с производства из-за неэкономичности.

- 3,5 дюймов. (Диск А). Объем 1,44 Мбайт. Иногда записываются программы установочные (установочная дискета).

Оптические диски

В настоящее время существует два основных типа хранения данных в компьютере: магнитный и оптический. Устройства магнитного хранения - это жесткий диск и дисковод. В них информация записывается на магнитный вращающийся диск. В устройствах оптического хранения запись и считывание осуществляются на вращающийся диск с помощью лазерного луча, а не магнитного поля. В некоторых устройствах применяются и магнитный, и оптический способы записи/считывания информации. Такие устройства получили название магнитооптические.

Виды оптических дисков:

- CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory – память только для чтения на компакт – диске). Термин относится как к самим дискам, так и устройствам считывания (накопителям). Может хранить до 650 Мбайт информации до 30 лет. Штампованное или литое основание пластины физически является одной спиральной дорожкой, которая начинается на внутренней и заканчивается на внешней части диска. Спиральная дорожка разделена на секторы, каждый сектор разделен на блоки (фреймы) информации, а каждый фрейм содержит 33 байт информации. Компакт – диск (если смотреть на него снизу) всегда вращается против часовой стрелки.

- CD-R. В 1996г. компания Ricoh представила первый накопитель. Предназначен для однократной записи информации и многократного ее чтения. Работают по тем же принципам, что и CD-ROM, отражая лазерный луч от поверхности диска и отслеживая изменения отражательной способности, при появлении переходов ″впадина – площадка″ или ″площадка – впадина″. Диски CD-R содержат впадины с выжженными участками, отражающими меньшее количество света. Поэтому часто процесс записи любого диска называют выжиганием или прожигом. Изменение этих свойств возможно только один лишь раз, поэтому диски CD-R называются носителями с однократной записью. Недостатки данных дисков: увеличение плотности расположения витков спиральной дорожки привело к несовместимости с некоторыми накопителями CD - ROM,автомобильными аудио - проигрывателями.

- CD - RW (R: Read = чтение; W: Write = запись). Май 1996г. Записывающий слой CD-RW представляет собой сплав серебра, индия, сурьмы и теллурия, обладающий возможностью фазовых превращений. Диски CD – RW могут записываться и перезаписываться до 1000 раз. Недостатками данных дисков является малая скорость записи данных, низкая отражательная способность, высокая стоимость и несовместимость со многими стандартными накопителями CD-ROM и CD-R.

- DVD (Digital Versatile Disk – цифровой универсальный диск). Апрель 1997г. Диск с очень высокой плотностью записи информации. По сравнению с компакт – дисками плотность увеличена в 7 раз за счет более мелкого микрорельефа информационной дорожки и использования многоуровневой записи. Для считывания данных используется красный лазер с длиной волны 650 нм. Различают DVD диски:

Ö DVD – ROM. Происходит только считывание информации.

Ö DVD – RAM. Только чтение информации с диска. Используют технологию, схожую с технологией CD – RW (сигнал записывается и на выступ, и на впадины). Различают двусторонние и односторонние диски, которые должны упаковываться в картриджи. Двусторонние все время должны оставаться внутри картриджа, а односторонние при необходимости можно вынимать. Совместим только с накопителями DVD, поддерживающими стандарт MultiRead (промышленный стандарт, гарантирующий совместимость накопителей и дисков). Данный стандарт определяет соответствие отражательной способности материала и длины волны лазера.

Ö DVD – R. Можно записывать один раз, а считывать многократно. Данные записываются только во впадины, которые расположены очень плотно (поверхности не используются для записи). Различают односторонний (до 4 Гбайт) и двусторонний (7,9 Гбайт).

Ö DVD -RW. Предназначены для многократного чтения и записи информации. Проблемы согласования большого количества форматов перезаписываемых DVD. Используется технология записи в волнообразные желобки.

Ö DVD - +RW. Иногда их называют перезаписываемые DVD с изменяющейся фазой. Являются наименее дорогими, самыми простыми в использовании и наиболее совместимыми с существующими форматами записи и чтения информации. Единственный перезаписываемый формат с проигрывателями DVD – Video и накопителями DVD – ROM при выполнении видеозаписей или записи видеофрагментов. Кроме этого, эти диски можно быстро форматировать непосредственно перед записью. Различают односторонние (4,7 Гбайт) и двусторонние (9,4 Гбайт), до 4 часов видеозаписи (односторонние) и до 8 часов видеозаписи (двусторонние).

Стримеры

Стример – это внешнее устройство, предназначенное для записи и воспроизведения цифровой информации на кассету с магнитной лентой. Основное их назначение – архивирование редко используемых больших массивов информации, резервное копирование (информация может сжиматься до 6раз). Данное устройство называется ″floppy tape″. Конструктивно стримеры бывают внутренние и внешние. Контроллеры стримеров выполняются по технологии Plug&Play (95% необходимых параметров определяется программным путем автоматически). Вместимость информации: от 2 до 400 Гбайт. Ленточные накопители намного дешевле (из расчета за мегабайт или гигабайт), имеют б о льшую емкость и более просты при создании резервных копий дисков и при работе с большим количеством разных файлов. Ленточные носители используют последовательный доступ, а это означает, что содержимое ленты должно считываться с самого начала и отдельные файлы будут найдены в порядке их записи на ленту. Кроме того, отдельный файл не может быть редактирован или удален с ленты; уничтожено или переписано может быть содержимое всего картриджа. Поэтому ленточные носители больше приспособлены для полного дублирования всего жесткого диска, включая все приложения и данные.