Файл: Архитектура современных компьютеров (Персональный компьютер - универсальная техническая система).pdf

Рис. 3.5. Внешний вид накопителя на жестких магнитных дисках

Жёсткий диск (Hard Drive Disk, HDD) – основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ. На самом деле это не один диск, а группа дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой скоростью. Таким образом, этот «диск» имеет не две поверхности, как должно быть у обычного плоского диска, а 2n поверхностей, где n — число отдельных дисков в группе. Над каждой поверхностью располагается головка, предназначенная для чтения-записи данных.

Для пользователя персонального компьютера весьма важно иметь большую емкость HDD, высокую производительность, а также обеспечить сохранность данных. Рассмотренные ниже технические параметры определяют затраты времени на позиционирование магнитных головок (МГ) и передачу больших объемов информации, а также оказывают наибольшее влияние на работу прикладных программ, которые часто обращаются к диску для чтения и записи:

     среднее время поиска;

     средняя латентность (запаздывание);

     среднее время доступа;

     скорость передачи данных (пропускная способность);

     скорость передачи данных в групповом (burst) режиме (скорость внешнего обмена);

     скорость внутреннего обмена (долговременная максимальная или минимальная скорость передачи данных).

За функционирование дискового устройства отвечает дисковый контроллер, который обеспечивает интерфейс между этим дисковым устройством и шиной, соединяющей его с остальной частью компьютерной системы. Контроллер может использоваться для управления более чем одним дисковым устройством.

Контроллер диска соединяется непосредственно с процессорной системной шиной или шиной расширения. Он содержит множество регистров, содержимое которых может считываться и записываться операционной системой. Таким образом, операционная система взаимодействует с контролером диска точно так же, как с другими интерфейсами ввода-вывода.

Существует два основных интерфейса контроллера жесткого диска и его драйвера:

      встроенный интерфейс накопителей — IDE (Integrated Drive Electronics);

      интерфейс малых компьютерных систем - SCSI (Small Computer Systems Interface).

В состав конфигурации персонального компьютера входит так же накопитель на CD- или на DVD- дисках. Принцип действия этих устройств состоит в считывании числовых данных с помощью лазерного луча, отражающегося от поверхности диска. Исторически первыми появились CD-ROM дисководы.

Аббревиатура CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) переводится на русский язык как память только для чтения на компакт-диске. Стандартный компакт-диск может хранить до 700 Мбайт данных. Основным параметром дисководов CD-ROM является скорость чтения данных. Она измеряется в кратных долях. За единицу измерения принята скорость чтения в первых серийных образцах, составлявшая 150 Кбайт/с. Таким образом, дисковод с удвоенной скоростью чтения обеспечивает производительность 300 Кбайт/с, с учетверенной скоростью — 600 Кбайт/с и т. д. В настоящее время наибольшее распространение имеют устройства чтения CD-ROM с производительностью 48х-52х.

Вслед за приводами CD-ROM появились диски и сами устройства для многократной записи CD-RW (Compact Disc Rewriter).

Современные образцы устройств многократной записи имеють скорость чтения от 16x до 52х, а скорость записи на CD-R диски до 52x, на CD-RW диски до 24x.

Сами же компакт диски делятся на:

    CD (Compact Disc) – компакт диск с информацией (мультимедийное издание);

    CD-R (Compact Disc Recordable) – компакт диск для записи информации;

    CD-RW (Compact Disc Rewritable) – компакт диск с возможностью многократной перезаписи информации.

Цифровая запись на компакт-диске отличается от записи на магнитных дисках очень высокой плотностью. Большие объемы данных характерны для мультимедийной информации (графика, музыка, видео), поэтому накопители на CD- или на DVD- дисках относят к аппаратным средствам мультимедиа.

Для хранения высококачественного видео емкость CD-дисков оказалась недостаточной, поэтому усилиями международного консорциума, в который входили такие компании как Philips, Sony и Toshiba, был создан новый формат записи дисков – DVD (Digital Versatile Disc – цифровой универсальный диск). Если в накопителях CD – ROM длина волны равна 780 нанометров, то в накопителях DVD – 635 нанометров. Это позволяет уменьшить длину штриха и повысить скорость считывания данных. DVD используют для записи данных в два слоя на одной стороне диска или по одному слою, но с двух сторон диска или по два слоя с двух сторон диска, в зависимости от формата DVD. Емкость дисков варьируется от 2,6 Гбайт до 17 Гбайт. Сейчас устройства для чтения и записи DVD-дисков стали обычным компонентом персонального компьютера.

Технический прогресс в области химии и производства лазеров в сочетании с усилиями фирм-производителей компьютерного обеспечения привел к появлению следующего поколения стандартов оптической записи информации – технологий Blu-ray и HD DVD (High Definition DVD).

В технологиях Blu-Ray и HD DVD для чтения и записи информации на диск используется лазер с длиной волны 405 нанометров. Более короткая длина волны сине-фиолетового лазера, применение высоко качественной двухлинзовой оптической системы и более тонкого защитного слоя самого диска позволяет хранить больше информации на дисках стандартного размера.

Однослойный диск Blu-ray (BD) может хранить 23.3, 25, 27 или 33 Гб, двухслойный диск может вместить 46,6, 50, или 54 Гб. Также в разработке находятся диски вместимостью 100 Гб и 200 Гб с использованием соответственно четырёх и шести слоёв. Корпорация TDK уже анонсировала прототип четырехслойного диска объёмом 100 Гб.

Противостояние двух форматов HD DVD и Blu-ray, неофициально названное «Война форматов» разрешилась в пользу последнего. В 2008 году компания Toshiba (основной сторонник HD DVD) официально отказалось от данного формата и прекращает его производство. Важным аргументом в этом споре выступило то, что ряд голливудских киностудий и, в частности, Warner Bros отказалась от формата HD DVD в пользу Blu-ray.

На данный момент доступны диски BD-R и BD-RE, в разработке находится формат BD-ROM. В дополнение к стандартным дискам размером 120 мм, выпущены варианты дисков размером 80 мм для использования в цифровых фото- и видеокамерах. Планируется, что их объём будет достигать 15 Гб для двухслойного варианта.

В наши дни для хранения информации широко используется flash-память. Сейчас flash-память – один из самых актуальных и удобных способов записи и хранения информации средних размеров (2 Гб – 132 Гб). Этот вид памяти не требует постоянного источника питания. Питание необходимо только для записи или стирания информации. Носители на ее основе называются твердотельными, поскольку не имеют механических частей, что повышает надежность flash-памяти. Конструктивно носители на основе flash-памяти выполнены в виде карт или накопителей с USB-интерфейсом. Возможность долговременного хранения информации на микросхемах памяти, компактные размеры сделали flash-карты принадлежностью цифровых фотокамер и мобильных компьютеров. Существуют различные стандарты карт памяти, которые отличаются друг от друга в основном габаритными размерами, количеством и конфигурацией контактных площадок на поверхности, энергопотреблением:

      Compact Flash;

      Smart Media;

      Multi Media Card;

      Secure Digital;

      Memory Stick и т.д.

      RS-MMC;

      Mini-SD;

      T-Flash.

Для быстрого и удобного обмена информацией между Flash-картами и компьютером используются специальные устройства для чтения и записи, по аналогии с дисководами они называются картоводами. Эти устройства бывают мультиформатными (устройства способные читать карты разных моделей), и компактными – устройства способные считывать карты одной модели.

Эти устройства производятся в двух вариантах, как внутренние, то есть вставляются в отсек для 3,5-дюймовый дисководов и подключаются к АТА интерфейсу. Скорость их работы при этом будет 1-2 Мбайт/с. И как внешние, имея возможность подключения к компьютеру через группу интерфейсов:

    USB;

    IEEE1394 (FireWire или iLink).

Flash-накопители по сути, близки к картам памяти, однако они подключаются к компьютеру напрямую через USB интерфейс, то есть коннектор для USB порта является частью платы устройства.

Видеокарта (видеоадаптер) — это электронная плата, которая обрабатывает видеоданные (текст и графику) и управляет работой дисплея. Содержит видеопамять, регистры ввода вывода и модуль BIOS. Посылает в дисплей сигналы управления яркостью лучей и сигналы развертки изображения.

За время существования персональных компьютеров сменилось несколько стандартов видеоадаптеров, в настоящее время применяются видеоадаптеры SVGA, обеспечивающие по выбору воспроизведение до 16,7 миллионов цветов с возможностью произвольного выбора разрешения экрана из стандартного ряда значений (640х480, 800х600,1024х768,1152х864; 1280х1024 точек и далее).

Разрешение экрана является одним из важнейших параметров видеоподсистемы. Чем оно выше, тем больше информации можно отобразить на экране, но тем меньше размер каждой отдельной точки и, тем самым, тем меньше видимый размер элементов изображения. Использование завышенного разрешения на мониторе малого размера приводит к тому, что элементы изображения становятся неразборчивыми и работа с документами и программами вызывает утомление органов зрения. Использование заниженного разрешения приводит к тому, что элементы изображения становятся крупными, но на экране их располагается очень мало.

Рис. 3.6. Видеокарта ATI Radeon X850 XT Platinum с системой охлаждения

С увеличением числа приложений, использующих сложную графику и видео, наряду с традиционными видеоадаптерами широко используются разнообразные устройства компьютерной обработки видеосигналов:

Графические акселераторы (видеоускорители) — специализированные графические сопроцессоры, увеличивающие эффективность видеосистемы. Их применение освобождает центральный процессор от большого объёма операций с видеоданными, так как акселераторы самостоятельно вычисляют, какие пиксели отображать на экране и каковы их цвета. Часть операций по построению изображений может происходить без выполнения математических вычислений в основном процессоре компьютера, а чисто аппаратным путем — преобразованием данных в микросхемах видеоускорителя.

Звуковая карта (Sound Blaster или аудиодаптер) явилась одним из наиболее поздних усовершенствований персонального компьютера. Она подключается к одному из слотов материнской платы в виде дочерней карты и выполняет вычислительные операции, связанные с обработкой звука, речи, музыки. Звук воспроизводится через внешние звуковые колонки, подключаемые к выходу звуковой карты. Специальный разъем позволяет отправить звуковой сигнал на внешний усилитель. Имеется также разъем для подключения микрофона, что позволяет записывать речь или музыку и сохранять их на жестком диске для последующей обработки и использования.

Аудиоадаптер содержит в себе два преобразователя информации:

   аналого-цифровой, который преобразует непрерывные (то есть, аналоговые) звуковые сигналы (речь, музыку, шум) в цифровой двоичный код и записывает его на носитель;

   цифро-аналоговый, выполняющий обратное преобразование сохранённого в цифровом виде звука в аналоговый сигнал, который затем воспроизводится с помощью акустической системы, синтезатора звука или наушников.

Рис. 3.7. Звуковая карта MAYA44 MKII

Звуковые платы обеспечивают двоичное кодирование аналогового звукового сигнала. Непрерывный сигнал дискретизируется, т. е. заменяется серией его отдельных выборок — отсчетов. Качество двоичного кодирования зависит от двух параметров: количества распознаваемых дискретных уровней сигнала и количества выборок в секунду.

Различные звуковые карты могут обеспечить 8-или 16-битные выборки, 8-битные карты позволяют закодировать 256 различных уровней дискретизации звукового сигнала, соответственно 16-битные — 65 536 уровней.

Количество выборок в секунду, т. е. частота дискретизации аналогового звукового сигнала, может принимать следующие значения: 5,5 КГц, II КГц, 22 КГц и 44 КГц. Таким образом, качество звука в дискретной форме может быть очень плохим (качество радиотрансляции) при 8 битах и 5,5 Кгц и очень высоким (качество aудиoCD) при 16 битах и 44 КГц.

Для записи звука к звуковой плате может быть подключен микрофон или устройство воспроизведения звука (магнитофон, CD-плейер). Для воспроизведения звука к ее выходу могут быть подключены акустические колонки или наушники, а также любая акустическая система (магнитофон, музыкальный центр и т. д.).

Профессиональные звуковые платы позволяют выполнять сложную обработку звука, обеспечивают стереозвучание, имеют собственное ПЗУ с хранящимися в нём сотнями тембров звучаний различных музыкальных инструментов. Звуковые файлы обычно имеют очень большие размеры. Так, трёхминутный звуковой файл со стереозвучанием u1079 занимает примерно 30 Мбайт памяти. Поэтому платы Sound Blaster, помимо своих основных функций, обеспечивают автоматическое сжатие файлов.