2020-09-24
1663
2.1. АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ
2.1.1. Принципы работы ЭВМ
Определение
Электронная вычислительная машина (ЭВМ), или компьютер, - это совокупность технических и программных средств, предназначенных для автоматизации процессов приема, хранения, обработки и передачи информации.
Если говорить о терминологии, используемой в информатике, то, учитывая передовые позиции, которые занимают англоязычные страны в этой науке, большинство названий имеют английское происхождение. Так, вместо названия «ЭВМ» в литературе чаще можно встретить слово «компьютер» (от англ. computer - вычислитель). Поэтому в дальнейшем будем использовать эти слова как синонимы.
Основы функционирования ЭВМ (электронная вычислительная машина) были сформулированы Джоном фон Нейманом в 1945 г. в виде трех общих принципов: программного управления, однородности памяти и адресности. Для реализации этих принципов была предложена структура ЭВМ (рис. 2.1), которая использовалась в первых двух поколениях, но основные узлы сохранились и в современных ЭВМ.
|
|
|
Основными блоками ЭВМ являются: устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), устройства ввода и вывода. В современных компьютерах арифметикологическое устройство и устройство управления объединены в один блок, который называется процессором. На рис. 2.1 сплошной линией показано направление потоков информации, а пунктирной - команды от устройства управления.
Рис. 2.1. Структурная схема ЭВМ
Назначение основных блоков ЭВМ заключается в следующем. АЛУ предназначено для выполнения арифметических и логических операций, именно в этом блоке происходит решение задач. ЗУ хранит исходные данные, промежуточные и окончательные результаты решения задачи, а также программу решения задачи. ЗУ подразделяется на оперативное ЗУ, которое взаимодействует с АЛУ и должно обладать высоким быстродействием, и более медленно действующее внешнее ЗУ, где хранятся данные, временно не используемые в вычислительном процессе. Этим реализуется принцип однородности памяти, заключающийся в том, что данные и программы хранятся в памяти ЭВМ. УУ организует процесс решения задачи и синхронизирует работу всех устройств ЭВМ. Устройства ввода и вывода предназначены для ввода исходных данных и программ, а также для вывода результатов решения задач.
Решение задачи на ЭВМ в соответствии принципами фон Неймана происходит без вмешательства человека, что осуществляется программой, хранимой в памяти ЭВМ. Решение задач в ЭВМ выполняется по следующей схеме. В память машины с помощью устройства ввода заносятся программа и исходные данные.
|
|
|
Определение
Программа - набор команд, понятных компьютеру, выполнение которых позволяет решить конкретную задачу за конечное число шагов.
Программа и исходные данные хранятся в памяти по соответствующим адресам, что соответствует принципу адресности, т. е. все пространство памяти состоит из пронумерованных ячеек, и по команде содержимое любой ячейки может быть направлено в АЛУ. Каждая команда представляет собой двоичное число - машинный код (рис. 2.2), который содержит следующую информацию:
• код операции - двоичное число, обозначающее арифметическую или логическую операцию;
• A1 - адрес, под которым в ОЗУ хранится первое число, участвующее в операции;
• A2 - адрес, под которым в ОЗУ хранится второе число, участвующее в операции;
• A3 - адрес, куда заносится результат операции.
Рис. 2.2. Машинная команда
В УУ имеется специальный регистр, который называется счетчиком команд. В него заносится номер (адрес) ячейки памяти, из которой в УУ будет извлечена очередная команда. В УУ эта команда расшифровывается, и управляющие команды поступают в ОЗУ для считывания необходимых данных и направления их в АЛУ, а команды в АЛУ выполняют необходимые операции. После завершения операции по команде УУ результат заносится в ОЗУ по указанному адресу. После этого в счетчик команд добавляется единица, и УУ переходит к выполнению следующей, очередной команды. Таким образом, последовательно выполняются все команды программы, что приводит к решению задачи.
В программе могут быть предусмотрены переходы при выполнении некоторых логических условий, при разветвлении программы или неоднократное обращение к фрагментам программы при организации цикла. После завершения вычисления из УУ поступают команды на выдачу результатов вычислений в устройство вывода информации или на хранение в ОЗУ. На этом работа ЭВМ по решению задачи заканчивается.
Описанная структура и функционирование ЭВМ относятся к машинам первого и второго поколений. Естественно, что с развитием технологии производства ЭВМ и совершенствования программного обеспечения (ПО) структура претерпевала некоторые изменения. Прежде всего это коснулось взаимодействия электронной части ЭВМ, а именно - процессора и механических устройств ввода-вывода информации, медленная работа которых значительно снижала быстродействие процессора. Были разработаны специальные электронные схемы управления внешними устройствами - контроллеры. Контроллер имеет собственную программу работы с внешними устройствами, что освобождает центральный процессор от управления периферийными устройствами.
Кроме того, изменилась внутренняя структура ЭВМ. Одно из достижений фирмы IBM состоит в использовании магистрального принципа построения ЭВМ, или использовании общей шины (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Структура общей шины ЭВМ
Шина состоит из трех частей:
• шина данных, по которой передается необходимая информация;
• шина адреса для передачи адреса ячейки памяти или устройства, с которым будет происходить обмен информацией;
• шина управления, по которой передается команда выполняемой операции.
Так, при считывании числа из памяти на шине адреса указывается адрес ячейки памяти, по шине управления передается команда на считывание информации, и содержимое ячейки передается по шине данных.
Магистральная структура позволяет через контроллер подключить к компьютеру различные внешние устройства в зависимости от решаемой задачи и скомпоновать конфигурацию машины, необходимую пользователю. В машинах третьего и четвертого поколений появились устройства вывода информации на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ) - дисплеи.
|
|
|
Дисплеи, не имея механических составляющих, позволяют достаточно оперативно отражать необходимую информацию на экране ЭЛТ. Для формирования видеокартинки используется видеопамять, объем которой зависит от характера информации и количества цветов изображения. Конструктивно видеопамять может представлять собой обычное ОЗУ или находиться в контроллере дисплея.
Таким образом, внутренняя структура и организация вычислительного процесса совершенствовались из поколения в поколение и существенно зависели от назначения ЭВМ.
По мере развития ЭВМ улучшались и их функциональные характеристики. Основными характеристиками ЭВМ являются следующие.
• Скорость выполнения операций, или быстродействие. Учитывая, что скорость выполнения операций зависит от формы представления числа (с плавающей или фиксированной точкой), быстродействие ЭВМ оценивается приблизительно. Поэтому для характеристики быстродействия используют тактовую частоту, так как выполнение каждой операции происходит за определенное число тактов. Так, микропроцессор с частотой 100 МГц выполняет 20 млн коротких операций в секунду (сложение и вычитание чисел с фиксированной запятой). Следовательно, чем выше тактовая частота, тем больше производительность ЭВМ. Часто в качестве характеристики быстродействия ЭВМ используют связанную с ней характеристику - производительность, которая определяет объем задач, решаемых ЭВМ в единицу времени.
• Разрядность машины и шин интерфейса. Разрядность определяется максимальным количеством разрядов, которые одновременно хранятся или передаются по шинам интерфейса. Длина разрядной сетки определяет производительность ЭВМ и точность вычислений. Чем больше разрядов, тем выше скорость обработки и выше точность вычислений. Современные компьютеры являются 32- или 64-разрядными. С помощью языков программирования возможно увеличить разрядность ЭВМ в несколько раз и тем самым достичь более высокой точности.
|
|
|
• Емкость запоминающих устройств. Емкость памяти позволяет определить объем информации (данных и программ), которые могут храниться в оперативной и внешней памяти. Емкость памяти определяет возможности использования различных программных пакетов и объемов обрабатываемой информации.
2.1.2. Классификация ЭВМ
За все время существования ЭВМ разработаны сотни и тысячи различных моделей. В настоящее время в мире эксплуатируются разнообразные вычислительные средства, предназначенные для решения различных задач. Предложено несколько классификаций ЭВМ: по типоразмерам, по специализации, по совместимости, по типу процессора. Однако, учитывая высокие темпы развития технических и программных средств информатики, эти классификации условны. Наиболее общей является классификация по назначению, согласно которой ЭВМ можно разделить на следующие типы.
СуперЭВМ. Основу суперкомпьютеров составляют более тысячи параллельно работающих процессоров, что позволяет значительно увеличить скорость обработки информации. Суперкомпьютеры занимают большие площади и требуют специальных систем кондиционирования воздуха. Эти ЭВМ предназначены для решения глобальных задач, таких как: сбор и обработка метеорологической информации в масштабах всей Земли, управление системами противоракетной обороны, моделирование задач ядерной физики, расшифровка генома человека и т. п.
Большие универсальные ЭВМ (mainframe) представляют собой вычислительные системы, обеспечивающие совместную деятельность многих управленческих работников в рамках одной организации, одного проекта, одной сферы информационной деятельности при использовании одних и тех же информационно-вычислительных ресурсов. Машины этого типа постепенно сменяют серверные компьютеры.
Серверы предназначены для обслуживания локальных и глобальных компьютерных сетей. Серверы имеют один или несколько процессоров, накопители с большим объемом памяти и подключены к каналам связи. С помощью каналов связи к серверу подключаются терминалы или ПК, которые пользуются ресурсами сервера для хранения и обработки информации.
Промышленные ЭВМ встраиваются в промышленное оборудование для обработки информации и управления промышленным объектом. Такие компьютеры оснащены универсальными процессорами, но имеют специализированное программное обеспечение. Так, каждый военный или пассажирский самолет имеет бортовой компьютер для контроля и управления работой всех приборов и устройств самолета, а также для его управления в режиме автопилота.
Персональные ЭВМ представляют собой вычислительные системы, все ресурсы которых полностью направлены на обеспечение деятельности одного рабочего места пользователя.
Персональные компьютеры в свою очередь имеют множество разновидностей как по габаритам, так и по вычислительным возможностям. Каждый человек, желающий приобщиться к компьютерной обработке или получению необходимой информации, может подобрать ПК, отвечающий его запросам и финансовым возможностям. На рис. 2.4 приведена классификация ПК.
Рис. 2.4. Классификация ПК
Рис. 2.5. Стационарный компьютер
Стационарные ПК - настольные ЭВМ, состоящие из системного блока, клавиатуры для ввода информации, монитора, предназначенного для отображения информации, и мыши (рис. 2.5).
Моноблоки - это настольные компьютеры, отличительной особенностью которых является «встроенный» в монитор системный блок. В результате создается ложное впечатление, что системный блок отсутствует. Все комплектующие для моноблоков специально разработаны и переделаны под новый компьютерный стандарт, чтобы уместить их под тонким дисплеем. С виду моноблок выглядит как обычный монитор, но по бокам и на задней стенке у него находятся всевозможные разъемы, а у некоторых моделей и DVD-привод (рис. 2.6). В связи с тем, что все комплектующие встроены в дисплей устройства, нет необходимости в лишних проводах, тянущихся от монитора к системному блоку. Традиционная для большинства моделей комплектация беспроводной клавиатурой и мышью также вписывается в концепцию «минимум проводов».
Рис. 2.6. Внешний вид современного моноблока
Моноблоки оснащаются мобильными процессорами и системой охлаждения, свойственной ноутбукам, что обеспечивает их бесшумную работу. С точки зрения технической оснащенности все моноблоки можно разделить на три основные группы. Первая - бюджетная - предназначена для выполнения базовых задач, связанных с офисными приложениями, навигацией и общением в Интернете, а также воспроизведением музыки, видео и несложных компьютерных игр. Такие моноблоки, как правило, построены на базе мобильных процессоров, характерных для нетбуков. Мультимедийные модели имеют более мощные процессоры, сенсорный экран и дискретную видеокарту. Такие моноблоки могут стать домашним центром развлечений, оптимальным для воспроизведения музыки, видео и фотографий. Модели топ-класса предназначены для работы с ресурсоемкими графическими приложениями и для современных компьютерных игр, так как оснащены многоядерными процессорами, мощными видеокартами, сенсорными экранами.
Переносные, или мобильные ПК представляют собой ЭВМ, меньшие по размеру, чем стационарные, имеющие автономное питание, системный блок, монитор и клавиатуру, размещенные в одном корпусе. Такие персональные компьютеры имеют вычислительные характеристики, сравнимые со стационарными ПК, но значительно меньший вес, что позволяет использовать их вне дома и офиса, во время поездок и на отдыхе. В настоящее время более 80% пользователей работают на мобильных ПК.
Ноутбук (от англ. notebook - блокнот) сравним по функциональным возможностям со стационарным ПК, использует те же операционные системы, имеет размеры небольшой книги (толщина 2-5 см), вес от 1,5 до 3,5 кг. Ноутбуки имеют компоненты с пониженным энергопотреблением и могут автономно работать от 6 до 12 ч. Для отображения информации используют жидкокристаллические дисплеи до 17 дюймов (рис. 2.7).
Нетбуки (netbook), или субноутбуки (subnotebook) имеют меньшие габариты, чем ноутбуки (размер экрана 6-12 дюймов). Отсутствие дисковода, а иногда замена жесткого диска на флеш-память снижают вес ПК и увеличивают время автономной работы.
Планшетные компьютеры имеют сенсорный экран, а некоторые и специальное перо, с помощью которого вводится печатный текст, рисунки, данные и т. д. Функциональные возможности соответствуют хорошим ноутбукам, вес - до 2 кг, размер дисплея - до 13,3 дюймов (рис. 2.8).
Ноутбуки-трансформеры - это отдельный класс устройств, в котором идеально сочетаются преимущества планшета и вычислительной машины с клавиатурой (ноутбука). Сенсорное управление является одной из сильных сторон таких устройств. Ими можно управлять с помощью пальцев (или стилуса) без использования мыши. Интерфейс у них ориентирован на использование возможностей сенсорного ввода.
Рис. 2.7. Ноутбук
Рис. 2.8. Планшетный компьютер
Такие ноутбуки являются симбиозом функциональности и производительности, со всеми удобствами применения. Большинство современных ноутбуков не имеет сенсорного дисплея, а для их использования нужна горизонтальная поверхность. Ноутбуки-трансформеры, обладая всеми преимуществами обычных ноутбуков, предоставляют пользователю более высокую гибкость и легко превращаются в планшеты, которые удерживаются на ладони (рис. 2.9).
Рис. 2.9. Ноутбуки-трансформеры
Карманные компьютеры (palmtop - наладонные) - полноправные ПК, имеющие большие функциональные возможности, цветной дисплей, клавиатуру, большую автономность работы. Вес - 100-300 г, размер - порядка 150x80x15 мм (рис. 2.10).
Смартфоны (коммуникаторы) - сотовые телефоны с компьютерными возможностями и сетевыми функциями (рис. 2.11). Современные смартфоны можно сравнить с планшетными ПК. Последним они лишь уступают в размерах, а функционально и по технической мощности лучшие смартфоны уже конкурируют с планшетными ПК.
Рис. 2.10. Карманный персональный компьютер
Рис. 2.11. Смартфон
Рис. 2.12. Электронный секретарь
Электронные секретари (hand help - ручной помощник) предназначены для организации различных справочников, адресов, телефонов, списка текущих дел, распорядка дня и т. п. Имеют встроенные текстовые и графические редакторы, электронные таблицы. Вес - не более 0,5 кг (рис. 2.12).
Электронные записные книжки (organizer - органайзер) используют для записи и редактирования необходимых документов, хранения адресов и телефонов, распорядка дня и встреч. Имеется звуковой сигнал для напоминания о встрече. Вес - до 200 г (рис. 2.13).
Рис. 2.13. Электронные записные книжки: а - клавиатурная; б - сенсорная
2.1.3. Структурная схема ПК
Определение
Структура ЭВМ - совокупность основных блоков, определяющих состав и принципы их взаимодействия в процессе обработки информации.
Структурная схема стационарного ПК представлена на рис. 2.14. Главной особенностью ПК типа IBM PC является использование системной шины (магистрали), к которой подсоединяются основные модули ПК. Шина представляет собой совокупность кабелей, используемых для передачи данных, адресов и управляющих сигналов. Количество проводов для передачи данных и адресов определяется разрядностью кодов адресов и данных, а в шине управления - числом управляющих сигналов. Все блоки ПК подключены к шине с помощью разъемов либо непосредственно, либо через контроллеры. При наличии свободных разъемов возможно подключение дополнительных устройств, например, модема для подключения к Интернету.
Рис. 2.14. Структурная схема персонального компьютера
Центральным устройством ПК является микропроцессор, который выполняет основные функции обработки информации и управления всеми блоками ПК. Микропроцессор состоит из:
• арифметико-логического устройства (АЛУ), где выполняются все арифметические и логические операции над числовой и символьной информацией;
• устройства управления (УУ), которое формирует адреса ячеек памяти для направления их содержимого в АЛУ, расшифровывает команды программы и управляет работой АЛУ, подает управляющие сигналы во все блоки машины;
• микропроцессорной памяти (МПП), или регистров, предназначенных для кратковременного хранения данных и адресов, используемых в работе АЛУ, применение регистров повышает быстродействие МП, так как скорость обмена информацией между регистром и АЛУ выше, чем между ОЗУ и АЛУ;
• схем управления шиной, которые реализуют сопряжение и связь МП с другими устройствами ПК.
Непосредственную связь с системной шиной имеет внутренняя память, которая делится на постоянную (ПЗУ) и оперативную (ОЗУ). ПЗУ используется для хранения неизменной информации, которая постоянно используется МП, в частности, базовой системой вводавывода (Basic Input/Output System, BIOS). Программы ПЗУ начинают работать при включении компьютера.
ОЗУ построено на СБИС (сверхбольшая интегральная схема) и является энергозависимым, т. е. при отключении питания информация в ОЗУ стирается. ОЗУ предназначено для хранения программ и данных, непосредственно участвующих в вычислительном процессе. ОЗУ обладает высокой скоростью записи и считывания информации по сравнению с внешней памятью. Объем ОЗУ измеряется в мегабайтах, иногда адресное пространство расширяется до гигабайтов.
Внешняя память ПК включает накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД), на оптических дисках (НОД) и флеш-память.
Все устройства внешней памяти относятся к энергонезависимым, поэтому предназначены для длительного хранения информации, а также переноса ее с одного компьютера на другой.
Для управления работой внешних устройств используются контроллеры, или адаптеры (от англ. to adapt - приспосабливать). Контроллеры выполнены на отдельных печатных платах, содержат регистры состояния и регистры данных. Эти регистры называются портами ввода-вывода. Они предназначены для подключения внешних устройств. К внешним устройствам ПК относятся устройства вводавывода информации, а также средства связи и телекоммуникации.
Работа контроллеров осуществляется по программе, которая называется драйвером и входит в состав операционной системы ПК.
В состав ПК входит генератор тактовых импульсов, который определяет скорость обработки информации. Чем выше частота тактовых импульсов, тем больше количество операций в единицу времени (в секунду) выполняет ПК.
Базовая конфигурация стационарного ПК включает следующие устройства:
• системный блок (для размещения основных элементов компьютера);
• клавиатуру (для ввода символов в компьютер);
• монитор (для отображения текстовой и графической информации);
• мышь (для ввода символов в компьютер и управления курсором).
2.1.4. Состав персонального компьютера
Конструктивно стационарный ПК выполнен в виде системного блока (рис. 2.15), к которому через разъемы подключаются внешние устройства. В состав системного блока входят: материнская плата, блок питания, внешние накопители, контроллеры, разъемы или порты, корпус.
На передней панели системного блока расположены кнопки включения компьютера. Кнопка Power предназначена для выключения и включения компьютера. Кнопка Reset служит для перезапуска ПК, если в результате сбоя в работе программы или оборудования он не реагирует на команды, т. е. «компьютер завис».
На передней панели имеется дисковод с выдвижным лотком, предназначенный для работы с компактными дисками (CD-ROM и DVDROM). В нижней части обычно расположены два универсальных разъема USB, квадратное гнездо порта FireWire и гнездо для подключения наушников и микрофона. На задней панели имеются другие разъемы для подключения внешних устройств.
Рис. 2.15. Системный блок
Материнская плата
Материнская плата (motherboard) является основной составной частью каждого ПК. Это самостоятельный элемент, который управляет внутренними связями и взаимодействует через прерывания с другими внешними устройствами. В этом отношении материнская плата является элементом внутри ПК, влияющим на общую производительность компьютера. Супербыстрый винчестер или высокопроизводительная графическая карта нисколько не смогут увеличить его производительность, если тормозится поток данных к материнской плате и от нее. Материнскую плату также называют главной (mainboard), или системной платой.
Рис. 2.16. Материнская плата
На материнской плате размещены (рис. 2.16):
• разъем для подключения микропроцессора;
• набор системных микросхем (чипсет);
• микросхема ПЗУ, содержащая программы ввода-вывода (BIOS);
• микросхема CMOS-памяти;
• разъемы для подключения модулей оперативной памяти (DIMM);
• наборы микросхем и разъемы для системных, локальных и периферических интерфейсов и т. д.
Кроме того, на материнской плате имеется система шин, обеспечивающая обмен информации между микросхемами и разъемами для подключения внешних устройств.
Размеры материнской платы нормированы. Также стандартизованы и отверстия внутри платы, которые соединяют ее с дном корпуса. Поэтому говорят не о размерах, а о типоразмерах материнских плат.
Чипсет (chipset) - это набор микросхем, установленных на материнской плате для обеспечения работы процессора по обмену данными с периферийными устройствами. В настоящее время именно чипсет определяет как производительность, так и саму архитектуру материнской платы.
Микросхема ПЗУ является энергонезависимой памятью, которая хранит программу BIOS (Basic Input/Output System - базовая система ввода-вывода). Программа BIOS начинает работать при включении компьютера и осуществляет тестирование основных устройств. Если устройства обнаружены и работают, то программа устанавливает связь системной платы с устройствами, подключает жесткий диск и осуществляет процесс загрузки операционной системы.
Важным элементом на системной плате является CMOS-память (complementary-symmetry/metal-oxide semiconductor - комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник), которая питается от аккумулятора и сохраняет информацию при отключении компьютера от сети. Память хранит информацию о параметрах устройств, входящих в ПК, а также некоторые настройки системы, текущую дату и время, пароль на вход в компьютер. Эта информация может изменяться по мере необходимости. Программа BIOS берет необходимую информацию об изменяемых параметрах ПК из этой памяти.
Процессор
Стержень материнской платы - процессор, или главный процессор (central processing unit, CPU), который регулирует, управляет и контролирует рабочий процесс. Микропроцессор (МП) - это полупроводниковое устройство, состоящее из одной или нескольких программно-управляемых СБИС, включающее все средства, необходимые для обработки информации и управления, и рассчитанное на совместную работу с устройствами памяти и ввода-вывода информации (рис. 2.17).
Для выполнения арифметических операций с плавающей точкой имеется специальный арифметический процессор, называемый сопроцессором. В отличие от процессора он не управляется системой, а ждет команду процессора на выполнение арифметических вычислений и формирование результатов. Согласно заявлениям фирмы Intel по сравнению с процессором арифметический сопроцессор может уменьшить время выполнения арифметических операций, таких как умножение и возведение в степень, на 80% и более. Скорость выполнения сложения и вычитания, как правило, остается без изменения.
Сопроцессор является только обиходным названием для этого чипа. Полностью он называется математическим сопроцессором, или Numeric Processing Unit (NPU), или Floating Point Processing Unit (FPPU).
Наличие сопроцессора на материнской плате не является обязательным, поэтому на его месте может оказаться пустой разъем для дальнейшей установки сопроцессора. В первую очередь область применения сопроцессоров - научно-технические приложения, связанные с выполнением большого количества арифметических операций. Однако это не является ограничением использования. Обычно NPPU ускоряет работу любой программы - даже программы обработки текстов, так как работа с текстовыми блоками и модулями требует сложных вычислений.
Рис. 2.17. Процессор фирмы Intel
Основными характеристиками процессора являются:
• система команд;
• разрядность;
• рабочая тактовая частота;
• количество элементов;
• размер кэш-памяти и др.
Система команд - вид и тип команд, автоматически выполняемых МП. Если компьютеры имеют процессоры с одинаковой системой команд, то все программы на них выполняются одинаково. Все МП по системам команд можно разделить на четыре группы.
• CISC (Complex Instruction Set Computer) - процессор с полной системой команд. Такие МП имеют большой набор микрокоманд (до 400), и на выполнение таких команд требуется несколько машинных тактов, что снижает быстродействие МП.
• RISC (Reduced Instruction Set Computer) - процессор с сокращенным набором команд. Эти МП имеют порядка 100 команд, которые выполняются за один машинный такт. МП RISC программно не совместимы с CISC-процессорами. В настоящее время МП RISC получили широкое распространение.
• MISC (Minimum Instruction Set Computer) - процессор с минимальным набором команд, в котором за счет увеличения разрядности повышено быстродействие.
• VLIW (Very Long Instruction Words) - процессор с системой команд сверхбольшой разрядности. Сверхдлинная команда позволяет в течение одного такта выполнить группу обычных команд. Такая технология применяется в мультимедийных процессорах.
Разрядность определяется числом двоичных разрядов, одновременно обрабатываемых при выполнении одной команды. Последние модели МП имеют 64-разрядную шину данных.
Рабочая тактовая частота определяет скорость выполнения операций (производительность) МП в секунду. Чем выше тактовая частота, тем короче интервал времени и больше команд выполняет МП в единицу времени. Тактовую частоту задает генератор тактовых импульсов, который находится на материнской плате. МП, используемые в настоящее время в ПК, имеют тактовую частоту несколько гигагерц.
Число элементов показывает количество активных элементов (транзисторов), которые умещаются на микросхемах. В первых МП количество транзисторов составляло порядка 30 тыс., в настоящее время этот показатель приближается к 1 млрд.
Кэш-память имеет два уровня: кэш-память первого уровня (L1), которая находится внутри основной микросхемы с объемом памяти до десятков килобайт, и кэш-память второго уровня (L2) с объемом от сотен до тысяч килобайт. Кэш-память второго уровня представляет собой микросхему и размещается отдельно на материнской плате.
Первый микропроцессор МП 4004 был изготовлен фирмой Intel (Integrated Electronics, США) в 1971 году. В дальнейшем компанией Intel было выпущено несколько поколений МП, причем каждое последующее значительно превосходило предыдущее по схемотехническим и технологическим характеристикам.
Президент фирмы Intel Гордон Мур сформулировал закон (закон Мура), согласно которому каждые полтора года частота МП будет удваиваться вместе с числом транзисторов на кристалле. Как видно из табл. 2.1, этот принцип выполнялся до 2005 г., однако в настоящее время толщина «подложки» транзисторов достигла 1 нм, и дальнейшее уменьшение транзисторов физически достигло предела. Поэтому были разработаны МП, в которых увеличение производительности достигнуто за счет параллельного выполнения вычислений. В 2005 г. фирмой Intel и почти одновременно компанией AMD (Advanced Micro Devices) были выпущены первые двухъядерные МП, состоящие из двух процессоров (у каждого свои АЛУ, МПП, кэш-память). Сейчас двухъядерные и четырехъядерные процессоры используются в ПК, однако в ближайшее время на смену им придут восьмиядерные. То есть закон Мура продолжает работать, практически каждый год количество ядер удваивается.
Таблица 2.1. Характеристики некоторых микропроцессоров фирмы Intel
| Модель МП Intel | Разрядность данных/ адреса, бит | Тактовая частота, МГц | Число элементов | Кэш L1 и L2, Кбайт | Год выпуска | |
| 4004 | 4 | 4 | 0,108 | 2300 | - | 1971 |
| 8080 | 8 | 8 | 2,0 | 10 000 | - | 1974 |
| 8086 | 16 | 16 | 4,77 и 8 | 70 000 | - | 1979 |
| 8088 | 8,16 | 16 | 4,77 и 8 | 70 000 | - | 1978 |
| 80186 | 16 | 20 | 8 и 10 | 140 000 | - | 1981 |
| 80286 | 16 | 24 | 8-20 | 180 000 | - | 1982 |
Окончание табл. 2.1
| Модель МП Intel | Разрядность данных/ адреса, бит | Тактовая частота, МГц | Число элементов | Кэш L1 и L2, Кбайт | Год выпуска | |
| 80386 | 32 | 32 | 16-50 | 275 000 | 8 | 1985 |
| 486 | 32 | 32 | 25-100 | 1,2 х 106 | 8 | 1989 |
| Pentium | 64 | 32 | 60-233 | 3,3 х 106 | 16 | 1993 |
| Pentium Pro | 64 | 32 | 150-200 | 5,5 х 106 | 16 и 256 | 1995 |
| Pentium MMX | 64 | 36 | 166-300 | 5 х 106 | 32 | 1997 |
| Pentium II (Katmai) | 64 | 36 | 233-600 | 7,5 х 106 | 32 и 512 | 1997 |
| Celeron (Mendocino) | 64 | 32 | 300-800 | 19 х 106 | 32 и 128 | 1998 |
| Pentium III (Coppermine) | 64 | 36 | 500-1000 | 28 х 106 | 32 и 256 | 1999 |
| Pentium III Xeon | 64 | 36 | 500-1000 | 30 х 106 | 32 и 256 | 1999 |
| Pentium 4 (Willamette) | 64 | 36 | 1000-3500 | 42 х 106 | 16 и 256 | 2000 |
| Pentium 4 Notrhwood | 64 | 36 | 1600-3400 | 55 х 106 | 16 и 512 | 2001 |
| Pentium 4E (Prescott) | 64 | 36 | 2800-3600 | 125 х 106 | 32 и 1024 | 2003 |
| Pentium 4XE (Gallatine) | 64 | 36 | 3200-3600 | 178 х 106 | 32 и 2048 | 2004 |
| Pentium D 2 ядра | 64 | 64 | 2800-3200 | 275 х 106 | 32 и 2048 | 2005 |
| Intel Core 2 Quad, 4 ядра | 64 | 64 | 2330-3200 | 582 х 106 | 32 и 2048 | 2007 |
| Intel Core i7-5960X, 8 ядер | 64 | 64 | 3000-3500 | 2600 х 106 | 2048 и 5120 | 2014 |
Оперативная память
Элементы памяти составляют основу внутреннего функционирования любой вычислительной системы, так как с их помощью данные хранятся и могут быть вновь прочитаны при дальнейшей обработке.
Чтобы процессор мог выполнять программы, они должны быть загружены в оперативную память (в область памяти, доступную для программ пользователя). Процессор имеет непосредственный доступ к данным, находящимся в оперативной памяти RAM (Random Access Memory - память с произвольным доступом), с другой же, «периферийной», или внешней, памятью (жестким диском) процессор работает через буфер, являющийся разновидностью оперативной памяти, недоступной пользователю. Только после того, как программное обеспечение будет считано в RAM с внешнего носителя данных, возможна дальнейшая работа системы в целом. Оперативная память представляет собой самую быструю запоминающую среду компьютера. Принципиально имеет значение то, что информация может быть как записана в нее, так и считана.
Оперативная память имеет свои достоинства и недостатки.
• Благодаря малому времени доступа к памяти скорость обработки данных существенно возрастает. Если бы информация считывалась только с внешних носителей, то пользователь проводил бы в ожидании завершения выполнения той или иной операции много времени.
• Недостаток оперативной памяти заключается в том, что она является временной памятью. При отключении питания оперативная память полностью «очищается», и все данные, не записанные на внешний носитель, будут навсегда потеряны.
ОЗУ состоит из множества запоминающих ячеек, каждая из которых имеет свой адрес. Данные в ячейках хранятся в двоичном коде (состоящем из 0 и 1) в виде числа определенной длины. Оперативная память может формироваться из микросхем статического (Static Random Access Memory, SRAM) и динамического (Dynamic Random Access Memory, DRAM) типа.
Статическая память построена на схемах с двумя устойчивыми состояниями, что соответствует записи 0 или 1. После записи информации в такую ячейку она может оставаться в этом состоянии до выключения питания. Ячейки SRAM имеют высокое быстродействие (единицы наносекунд), но для хранения одного бита требуется 6 транзисторов и высокое энергопотребление.
Запоминающим элементом динамической памяти является устройство, состоящее из одного транзистора и конденсатора, который может находиться в заряженном или разряженном состоянии. Если конденсатор заряжен, то в ячейку записана логическая единица. Если конденсатор разряжен, то в ячейку записан логический ноль. В идеальном конденсаторе заряд может сохраняться неопределенно долго. В реальном конденсаторе существует ток утечки, поэтому записанная в динамическую память информация со временем будет утрачена, так как конденсаторы запоминающих элементов через несколько миллисекунд полностью разрядятся. Во избежание потери информации существует процесс регенерации памяти (Refresh).
Динамическая память по сравнению со статической имеет большее время срабатывания (до 10 наносекунд), но большую удельную плотность, меньшее энергопотребление и стоит значительно дешевле. Поэтому в ПК оперативное запоминающее устройство использует динамическую память.
Модули памяти характеризуются конструктивом, емкостью, временем обращения и надежностью работы.
Конструктивно оперативная память представляет собой платформу, на которой размещены микросхемы DRAM. Такая плата называется модулем и устанавливается в соответствующие слоты (разъемы) материнской платы. Наибольшее распространение в последнее время получили DIMMмодули (рис. 2.18). Модули вставляются в специально предназначенные для них слоты на материнской плате, называемые банками (Banks).
Сейчас самые распространенные объемы ОЗУ в ПК - 4, 8, 16 Гбайт, используются даже 32 и 64 Гбайт, хотя такой объем достаточно дорогостоящий. Этот объем может состоять как из одной платы, так и из нескольких, установленных в разрядные слоты.
Рис. 2.18. Модуль памяти DIMM
Важной характеристикой оперативной памяти является время доступа, характеризующее интервал времени, в течение которого информация записывается в память или считывается из нее. Время доступа для внешних носителей, таких как гибкий или жесткий диски, выражается в миллисекундах, а для элементов оперативной памяти оно измеряется наносекундами.
Надежность работы современных модулей ОЗУ, т. е. способность не отказывать в заданных условиях работы, весьма велика - среднее время наработки на отказ составляет сотни тысяч часов.
Контроллеры
Для работы ПК необходимо, чтобы в его оперативной памяти находились программа и данные. Попадает информация из различных устройств компьютера - клавиатуры, дисководов для магнитных и оптических дисков. Обычно эти устройства называют внешними, хотя некоторые из них могут находиться не снаружи компьютера, а встраиваются внутрь системного блока. Результаты выполнения программ также выводятся на внешние устройства - монитор, диски, принтер и т. д.
Таким образом, для работы компьютера необходим обмен информацией между оперативной памятью и внешними устройствами. Такой обмен называется вводом-выводом. Но этот обмен не происходит непосредственно между любым внешним устройством и оперативной памятью, в компьютере имеются два промежуточных звена.
1. Для каждого внешнего устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером, или адаптером.
2. Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, которую обычно называют шиной.
Шина представляет собой совокупность линий (проводов), по которым передается информация.
Таблица 2.2. Характеристики портов
| Тип | Пропускная способность | Устройства |
| Последовательный СОМ | 115 Кбит/с | Модем, мышь |
| Параллельный LPT | 1 Мбит/с | Сканер, принтер |
| USB 1.1 | 12 Мбит/с | Универсальный |
| USB 2.0 | 400 Мбит/с | Универсальный |
| USB 3.0 | 5 Гбит/с | Универсальный |
| FireWire (IEEE 1395) | 400 Мбит/с | Внешние накопители, цифровые видеокамеры, видеопроигрыватели |
Одним из контроллеров, которые присутствуют почти в каждом компьютере, является контроллер ввода-вывода. Он управляет работой портов. Эти порты бывают следующих типов (табл. 2.2).
• Параллельные LPT1-LPT4. К ним присоединяют принтеры и сканеры. (Такими портами уже не комплектуются современные периферийные устройства.)
• Асинхронные последовательные СОМ1-COM4. К ним присоединяют мышь, модем и т. д.
• USB (Universal Serial Bus) - универсальная последовательная шина для подключения различных периферийных устройств, работающая по технологии Plug and Play («включай и работай»). Такая технология позволяет подключать устройства без выключения и перезагрузки ПК. Устройства автоматически опознаются, подключаются необходимые драйверы, и им выделяются ресурсы. К шине USB возможно одновременно подключить до 127 устройств. (Современные принтеры, сканеры, беспроводные мыши, внешние жесткие диски и CD/DVD-устройства комплектуются именно USB-выходами для подключения к USB-портам.) В 2001 г. разработан порт USB 2.0 со скоростью обмена 480 Мбит/с, а в 2008 г. фирмой Intel заявлен USB 3.0 с пропускной способностью 5 Гбит/с, который присутствует в современных ПК.
• FireWire (IEEE 1994) - «огненный провод» - последовательный интерфейс для соединения внутренних компонентов компьютера и внешних устройств. Его протокол поддерживает высокоскоростную передачу видео- и аудиосигналов в реальном масштабе времени без заметных искажений. Работает по технологии Plug and Play и допускает подключение до 63 устройств на один порт. Разъемы параллельных и последовательных портов расположены на обратной стороне корпуса ПК (рис. 2.19).
Рис. 2.19. Расположение портов на обратной стороне системного блока ПК
При последовательном способе передачи информация передается по одному проводу последовательно бит за битом, при параллельном - порциями по несколько бит (например, по 8) по параллельным проводам. Параллельный способ передачи быстрее, но требует больше проводов, поэтому для связи на большие расстояния (например, в компьютерных сетях) используется последовательный способ. Параллельный же способ применяют в тех случаях, когда необходимо получить наивысшую пропускную способность канала передачи информации (например, все внутрисистемные интерфейсы микропроцессорных систем являются параллельными).
В последовательном канале синхронный режим работы соответствует передаче всего массива информации без специальных сигналов синхронизации и пауз между словами, асинхронный - с синхронизацией после передачи каждого слова, при этом возможна пауза любой длительности между моментами передачи.
В параллельном интерфейсе асинхронный режим - это режим с формированием и приемом управляющих сигналов - сигналов готовности приемника и передатчика: очередное слово не передается, пока не будут сформированы соответствующие сигналы готовности.
Интерфейс Определение
Объединение модулей микропроцессорного устройства в единую систему производится посредством общей системы сопряжения, называемой интерфейсом (от англ. interface - сопрягать, согласовывать).
Интерфейс должен обеспечивать:
• простое и быстрое соединение данного устройства с любым другим, имеющим такой же интерфейс;
• совместную работу устройств без ухудшения их технических характеристик;
• высокую надежность.
Рис. 2.20. Разъемы интерфейсов на системной плате
Под стандартным интерфейсом понимается совокупность аппаратных (рис. 2.20), программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных компонентов в системах и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости компонентов.
Основными элементами интерфейса являются:
• совокупность правил обмена информации (временные диаграммы и диаграммы состояний сигналов интерфейса);
• аппаратная (физическая) реализация (контроллеры);
• программное обеспечение интерфейса (драйверы).
2.1.5. Периферийные устройства ПК
Определение
Периферийные устройства - часть аппаратного обеспечения, конструктивно не входящая в основной блок ЭВМ, но позволяющая расширить функциональные возможности компьютера.
По назначению можно выделить следующие виды периферийных устройств:
• внешние запоминающие устройства;
• устройства ввода информации;
• устройства вывода информации;
• устройства передачи информации.
Внешние запоминающие устройства
Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) используются в основном для резервного копирования и длительного хранения информации. Основная характеристика внешних запоминающих устройств - большой объем памяти. К ним относят жесткие магнитные диски, оптические диски, карты флеш-памяти.
Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД - Hard Disk Drive, HDD) предназначены для длительного хранения большого объема информации. Такие накопители имеют один или несколько жестких дисков, изготовленных из алюминия или керамики и покрытых с двух сторон магнитным материалом, на который и записываются данные. Поверхность дисков разделена на концентрические (имеющие общий центр) окружности (дорожки), которые, в свою очередь, делятся на секторы. В каждом секторе размещается до 512 байт информации. Дорожки с одинаковыми номерами, расположенные одна над другой, на разных дисках образуют цилиндр. Запись производится на обе поверхности каждой пластины с помощью блока специальных головок. Магнитные головки осуществляют синхронное перемещение вдоль всех цилиндров. Все диски находятся на одной оси и непрерывно вращаются с большой скоростью (до 10 000 об./мин). Головки находятся на расстоянии 0,2-0,07 мм от дисков в «плавающем» режиме, поскольку они удерживаются на расстоянии потоками воздуха, возникающими при вращении дисков.
Рис. 2.21. Винчестер со снятой крышкой
Время на чтение/запись информации состоит из времени поиска соответствующей дорожки, времени ожидания подвода записи и времени обмена с ОЗУ.
Диски вместе с блоком магнитных головок записи-считывания заключены в герметически закрытый корпус (рис. 2.21), что предотвращает попадание пыли или других частиц между головками и вращающимися дисками, способное вызвать их разрушение.
В корпусе НЖМД имеются два двигателя: один - для вращения пакета дисков, а второй устанавливает головки в место записи или считывания информации. В состав НМЖД входит кэш-память для хранения промежуточных данных, что повышает производительность винчестера. Термин «винчестер», который часто используется для названия НМЖД, связан с первой моделью жесткого диска, имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что совпадало с калибром 30/30 охотничьего ружья. НМЖД относится к машинным носителям информации с прямым доступом. Понятие «прямой доступ» означает, что ПК может «обратиться» к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию. Этим обстоятельством НЖМД отличается от устройств с произвольным доступом (оперативная память) и устройств с последовательным доступом (стриммеры или магнитные ленты).
Перед началом эксплуатации жесткого диска необходимо выполнить процедуру, которая называется физическим, или низкоуровневым, форматированием. Она необходима для создания на диске магнитных дорожек, секторов и кластеров. Для этого в процессе форматирования магнитные головки дисковода расставляют в определенных местах диска служебную информацию. Форматирование предусматривает поиск и маркировку секторов, чтобы использовать запись на них в процессе работы накопителя.
К основным характеристикам НМЖД относятся:
• емкость накопителя - максимальный объем данных, которые может хранить винчестер; современные ПК имеют объем памяти порядка 500 Гбайт - 1 Тбайт, однако каждый год выпускаются модели, объем памяти которых увеличивается вдвое по сравнению с предыдущей (вспомним закон Мура);
• время доступа - интервал времени между моментом, когда МП запрашивает данные с диска, и моментом их выдачи (7-9 мс);
• средняя скорость считывания записи информации - порядка 60 Мбайт/с;
• скорость вращения диска - от 5400 до 7200 об./мин;
• объем кэш-памяти - 2-8 Мбайт.
Накопители на оптических дисках (НОД). Первый оптический компакт-диск (Compact Disk, CD) появился в 1982 г. и вмещал 650 Мбайт информации. В 1995 г. появились новые, еще более емкие оптические носители - DVD (Digital Versatile Disk) - цифровые универсальные диски, емкость которых достигала 4,7 Гбайт. Накопители на оптических дисках состоят из дисковода и носителя информации - оптического диска. Дисководы являются универсальными устройствами, позволяющими записывать и считывать информацию как на компактдиске, так и на DVD.
Оптические диски изготавливают из поликарбоната, покрытого тонким слоем светоотражающего вещества и защитной пленкой лака. Для записи информации используется луч высокотемпературного лазера, который выжигает на поверхности светочувствительного слоя углубления, называемые питами и расположенные на спиральной дорожке (правда, таких дорожек на диске несколько). Если лазер воздействует на блестящую поверхность, то на ней остается точка, которая не отражает свет; если нет воздействия, то такая поверхность отражает падающий свет. Таким образом записываются логические единицы и нули на дорожки оптического диска. При чтении информации луч лазера меньшей интенсивности, чем записывающий (он не повреждает поверхностный слой), по-разному отражается от участков поверхности диска и воспроизводит записанную информацию. Такой способ используется для одноразовых дисков, которые служат только для хранения однократно записанной информации.
В перезаписываемых дисках используется несколько иная технология, основанная на изменении оптического состояния вещества под действием лазерного луча. В перезаписываемых дисках поверх металлической основы наносится специальный прозрачный состав, который, находясь в кристаллическом состоянии, соответствует записи «единица», а в аморфном - «ноль». В процессе записи лазерный луч нагревает определенные участки диска выше точки плавления и переводит их в аморфное состояние, остальные участки остаются кристаллическими.
При стирании лазерный луч нагревает регистрирующий слой до температуры, необходимой для возвращения атомов к упорядоченному (кристаллическому) состоянию. Таким образом, пишущий дисковод имеет лазер, который работает в трех режимах мощности:
• высокая - для записи информации путем создания непрозрачных участков;
• средняя - для стирания ранее записанной информации путем возврата к кристаллическому состоянию;
• низкая - для считывания данных без изменения состояния регистрирующего слоя.
Конструктивно дисководы (рис. 2.22) включают следующие основные блоки:
• электрический двигатель, вращающий оптический диск;
• систему загрузки дисков;
• оптико-механический лазерный блок;
• электронный блок для управления, преобразования, согласования и передачи сигналов.
Все эти компоненты дисковода размещаются в едином корпусе, который вставляется в системный блок или используется как внешний дисковод.
Оптический диск DVD имеет диаметр 120 или 80 мм при толщине 1,2 мм. В зависимости от технологии изготовления различают следующие типы дисков:
• DVD-5 - однослойный/односторонний диск, 4,7 Гбайт;
• DVD-9 - односторонний/двухслойный диск, 8,5 Гбайт;
• DVD-10 - двухсторонний с информационным слоем на каждой стороне, 9,4 Гбайт;
• DVD-14 - двухсторонний: на одной стороне - один информационный слой, на другой - два информационных слоя, 13,24 Гбайт;
• DVD-18 - двухсторонний/двухслойный диск, 17 Гбайт.
Рис. 2.22. Дисковод
В зависимости от стандарта записи цифровые универсальные диски делятся на:
• DVD-ROM, предназначены только для считывания информации;
• DVD-R, DVD+R, DVD-RDL, DVD+RDL, предназначенные для однократной записи, позволяют дописывать информацию на свободное пространство диска; отличие приведенных дисков состоит в информационной емкости: DVD-R - соответствует типу DVD-5, DVD+R - DVD-9, DVD-RDL - DVD-14, DVD+RDL - DVD-18;
• DVD-RW, DVD+RW, DVD-RAM - позволяют стирать и перезаписывать информацию до 1000 раз.
Диски DVD-RAM помещены в специальный картридж для защиты от физических повреждений, поэтому они не совместимы с дисководами других DVD, но их можно перезаписывать до 100 000 раз.
Blu-ray disk (BD) - разновидность цифровых оптических дисков, при работе с которыми используется синий лазер с длиной волны 0,4 мкм, что увеличивает плотность записи информации. Имеются диски форматов BD, BD-R - записываемые и BD-Re-R - перезаписываемые, емкость памяти - 50 Гбайт.
Магнитооптические (МО) накопители появились на рынке в середине 1980-х гг. и базируются на использовании двух технологий - лазерной и магнитной. Основу диска составляет магнитный слой, который может быть перемагничен в точке разогрева его лазерным лучом. Таким образом происходит процесс записи информации в виде нулей и единиц. При считывании информации отраженный лазерный луч более низкой мощности меняет направление вектора поляризации в зависимости от намагниченности элемента магнитного слоя.
Различают два типа магнитооптических накопителей:
• CC-WORM (Write Once Read Many) - с однократной записью;
• СС-Е (Continuos Composite Erasable) - перезаписываемые.
Магнитооптические диски выпускаются двух типоразмеров: 3,5 и 5,25 дюйма. Диски размером 3,5 являются односторонними и имеют емкость от 128 Мбайт до 2,6 Гбайт. Диски размером 5,25 дюйма выполнены двухсторонними с емкостью до 9,1 Гбайт. Достоинство МО-дисков заключается в надежности работы, долговечности хранения данных (до 50 лет) и возможности многократной перезаписи (до 1 млн).
Флеш-память - особый вид энергонезависимой перезаписываемой полупроводниковой памяти. Ячейка флеш-памяти состоит из одного транзистора особой конструкции и допускает запись нескольких битов информации. Флеш-память не содержит механических частей и в отличие от жестких и оптических накопителей потребляет меньше энергии (порядка 10-20 раз). Конструктивно флеш-накопитель включает электронный блок (микросхему), который представляет собой перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство, и контроллер. Все это находится внутри защитного корпуса, имеющего выходной разъем для подключения к системному блоку через USB-порт (рис. 2.23).
Данный накопитель поддерживается операционными системами Windows без установки каких-либо специальных драйверов. Емкость флеш-памяти составляет от единиц до сотен гигабайт при крайне миниатюрных размерах. Достоинствами флеш-памяти являются: высокая надежность, компактность, быстрый доступ, малое потребление электроэнергии. Накопители на базе флеш-памяти могут в будущем заменить накопители на жестких дисках.
Флеш-память может быть встроенной в мобильное устройство, а может быть реализована в виде переносной флеш-карты. Например, флеш-карта цифрового фотоаппарата может быть прочитана на ПК при помощи специального устройства card reader.
При всем многообразии карт флеш-памяти можно выделить лишь несколько основных типов.
Compact Flash (CF). Это один из самых долгих по использованию и распространенных стандартов карт флеш-памяти. Первая CF-карта была произведена в 1994 году. Существуют два типа карт CF: это CF I (размеры 43x36x5 мм) и CF II (размеры 43x36x3,3 мм). В настоящий момент распространенным объемом карты CF является 8 Гбайт (рис. 2.24, а). Применяется этот тип памяти чаще всего в профессиональной фото- и видеоаппаратуре, а также в некоторых планшетных компьютерах.
Multi Media Card (MMC). Карты стандарта MMC появились в 1997 году. Карта MMC малогабаритна - 24x32x1,4 мм и весит всего 2 г (рис. 2.24, б). MMC-карты предназначены для применения в цифровых камерах (видео- и фото), в смартфонах, в цифровых плеерах, в игровых приставках и в планшетных компьютерах. Карты MMC имеют 100% совместимость с устройствами, использующими карты типа Secure Digital. Чаще всего MMC-карты имеют объем до 4 Гбайт.
Рис. 2.23. Флеш-память
Рис. 2.24. Карты флеш-памяти: а - Compact Flash; б - Multi Media Card; в - Redused Size Multi Media Card; г - Multi Media Card Mobile; д - Multi Media Card Plus; е - Secure Digital; ж - Mini Secure Digital; з - Micro Secure Digital с адаптером; и - Memory Stick PRO Duo; к - xD Picture Card
Redused Size Multi Media Card (RS MMC). RS MMC представляет собой уменьшенную вдвое карту памяти MMC: ее размеры - всего 24x18x1,4 мм (рис. 2.24, в). Предусмотрена совместимость карт RS MMC с обычными MMC-носителями: при помощи переходников они могут быть использованы в устройствах, оснащенных слотами ММС. Данный тип карт памяти используется в основном в мобильных телефонах, коммуникаторах и смартфонах.
Multi Media Card Mobile (MMC Mobile). Это разновидность карт RS MMC, может работать от двух напряжений питания: 1,8 В (пониженное напряжение) и 3,3 В (как обычная MMC-карта). Данный тип карт флеш-памяти (рис. 2.24, г) совместим как с обычными устройствами, имеющими слот памяти MMC, так и с низковольтными устройствами (например, телефоны Nokia).
Multi Media Card Plus (MMC plus). Еще одна разновидность MMCкарт - карты MMC plus (рис. 2.24, д), соответствующие новому стандарту MMC System Specification 4. Эти карты отличаются от обычной MMC наличием большего числа контактов, что обеспечивает скорость передачи данных до 200x, в тандеме с устройствами, поддерживающими эту технологию.
Secure Digital (SD). Флеш-карты SD представляют собой дальнейшее развитие стандарта MMC - они являются представителями третьего поколения флеш-памяти. SD является одним из самых распространенных типов карт памяти на рынке. Внешне SD-карты похожи на MMC и почти равны им по размерам (рис. 2.24, е). В отличие от MMC, имеющих 7 контактов, карты SD оснащены 9-контактным интерфейсом и маленьким переключателем для защиты от случайного уничтожения хранимых данных. Благодаря компактности (габариты 24x32x2,1 мм) и легкости (вес 2 г) карты SD используются во многих современных устройствах с расширяемой памятью (MP3-плееры, фотоаппараты, планшетные компьютеры, коммуникаторы и смартфоны). Название Secure Digital указывает на поддержку картами памяти технологии защиты данных от несанкционированного доступа и копирования. В отличие от других типов флеш-памяти, все SD-карты оснащаются электронной схемой защиты информации. Карта может хранить как незащищенную, так и защищенную информацию. Данные могут быть защищены или уникальным ID-ключом карты, или алгоритмом шифрования. Это дает владельцу карты уверенность в надежности защиты его данных. На сегодняшний день карты SD имеют объем до 4 Гбайт.
Mini Secure Digital (miniSD). Стандарт miniSD был разработан в 2003 г. на базе стандарта SD. Размеры карты miniSD - 20x21,5x1,4 мм. Карты этого формата могут устанавливаться и в разъем стандарта miniSD, и в разъем стандарта SD (при помощи специального адаптера). В настоящий момент выпускаются miniSD-карты объемом до 4 Гбайт (рис. 2.24, ж).
Micro Secure Digital (microSD). Карты microSD являются одними из самых маленьких флеш-карт - их размеры всего 11x15x1 мм. В качестве основной области их применения можно назвать мультимедийные мобильные телефоны и коммуникаторы. Объем таких карт может достигать 64 Гбайт (рис. 2.24, з).
Memory Stick (MS). Компания Sony имеет собственную версию флешпамяти, известную под названием Memory Stick. Это маленькое сменное устройство хранения данных большой емкости размером 21,5x50x2,8 мм. В этом устройстве используется уникальный переключатель защиты от стирания. Этот тип карт достаточно популярен, так как используется во всех мультимедийных устройствах, выпущенных компанией Sony и шведско-японским альянсом SonyEricsson. Существуют разные версии этих флеш-карт: обычные, Micro (или M2), Duo, PRO, PRO Duo (рис. 2.24, и). Модель Micro обладает меньшими размерами (15x12,5x1,2 мм), как видно из названия, и меньшим энергопотреблением. Модель DUO имеет габариты 31x20x1,6 мм. Последние две модели являются более развитыми версиями обычных карт памяти Memory Stick. Объем Memory Stick (в зависимости от форм-фактора и модели) варьируется от 16 Мбайт до 4 Гбайт.
xD Picture Card (xD). Данный тип карт памяти предназначен только для использования в цифровых фотоаппаратах (рис. 2.24, к).
Card Reader (картридер) - устройство для чтения карт флеш-памяти (рис. 2.25). Card Reader представляет собой адаптер, через который флеш-карту можно напрямую подключить к USB-порту компьютера. Скорость обмена данными между компьюте
