Устройства вывода 

Устройства вывода – это устройства, которые представляют компьютерные данные в форме, доступной для восприятия человеком.

   Первыми устройствами вывода были панели индикаторных лампочек. Каждая из них показывала состояние отдельного бита: горящая лампочка обозначала единицу, а выключенная – ноль. Для чтения результата нужно было хорошо знать двоичную систему. 

       Этот схематический рисунок изображает индикаторную панель на пульте ЭВМ первых поколений. Разноцветные колпачки патронов с лампочками помогали правильно считывать результат: каждая группа из трѐх битов – это одна восьмеричная цифра. Если считать, что горящие лампочки на рисунке обозначены тѐмным цветов, то в регистре Рг1 читается восьмеричное число 700707708, а сумматор См очищен (заполнен нулями). 

        Такие панели использовались для обслуживающего персонала вплоть до третьего поколения ЭВМ, однако для большинства пользователей такой вывод данных был непонятен. Первые «настоящие» устройства вывода печатали числа в десятичном виде на бумагу. Затем печатающие устройства научились печатать не только цифры, но и буквы. Они работали по принципу печатающей машинки: рельефный шаблон символа ударял по красящей ленте, прижатой к бумаге, и оставлял отпечаток. 

      Кроме устройств, печатающих символы, появились графопостроители (плоттеры), которые рисовали перьями на бумаге графики функций и простейшие картинки.       

      Революционным событием стало создание мониторов. Это позволило избавиться от ненужного расхода бумаги – теперь можно было выводить на печать только самое необ- ходимое. Кроме того, управление и обслуживание ЭВМ стало более удобным. 

     Компьютеры четвертого поколения начали обрабатывать мультимедийную информацию – звуковые и видеоданные. Поэтому к компьютерам стали подключать устройства для вывода такой информации: звуковые колонки, наушники, телевизор и т.п.  Эволюция устройств вывода не остановилась – все время разрабатываются устройства новых типов, порой весьма экзотические. Например, появились сообщения о создании «3D-принтеров», которые способны под управлением компьютера создавать объем- ные тела из различных материалов (прежде всего, из пластика)

           Монитор 

       Компьютерный монитор состоит из дисплея (панели, на которую смотрит человек) и электронных схем, позволяющих выводить на этот дисплей текстовую и графическую ин- формацию. 

        Мониторы во многом используют телевизионные технологии. В конце XX века для компьютеров применялись мониторы на основе электронно-лучевых трубок (ЭЛТ), но они были  вытеснены  жидкокристаллическими  (ЖК)  мониторами, которые обладают  рядом преимуществ: 

• малый вес и размеры;
•  в 2-4 раза меньшее потребление электроэнергии; 
• нет искажений изображения, характерных для электронно-лучевых трубок; 
• значительно ниже уровень электромагнитного излучения. 

      Тем не менее, некоторые профессионалы по-прежнему работают на электронно-лучевых мониторах. Дело в том, что ЖК-мониторы имеют недостатки, которые трудно устранить в производстве:   

• цветопередача хуже, чем у ЭЛТ-мониторов; например, очень трудно получить чисто черный цвет; 
•   контраст и цвета изображения меняются в зависимости от угла, под которым мы смотрим на монитор;  
•  при быстром изменении изображения заметно «запаздывание» (жидкие кристаллы не могут поворачиваться слишком быстро);  
•  при существующих технологиях изготовления у многих мониторов есть дефектные точки, которые не работают (так называемые «битые пиксели»);   
• могут отображать чѐткую картинку только в одном разрешении, совпадающем с размерами матрицы. 

    Наиболее важные характеристики мониторов – это размер диагонали (в дюймах) и максимальное  разрешение  (количество  точек  экрана  по  ширине  и  высоте).  Для  ЖК- мониторов максимальное разрешение – это количество элементов матрицы. Если установить другое (более низкое) разрешение, то качество изображения будет хуже, т.к. видео- системе придется «растягивать» картинку на реально существующие точки. 

      Процессор  передает  данные для  вывода  видеокарте (видеоконтроллеру),  которая управляет выводом изображения на монитор. Современные видеокарты содержат микро- процессор для обработки графической информации (графический ускоритель) и собст- венную видеопамять. Можно считать, что видеокарта – это специализированный компь- ютер, который существенно ускоряет построение и вывод на монитор графических изо- бражений, особенно трехмерных.. 

      Печатающие устройства 

Печатающие устройства (принтеры) служат для вывода текстовой и графической информации на бумагу или плѐнку. Современные принтеры обрабатывают символы как графику, т.е. рисуют их. На принтерах можно печатать очень сложные изображения, в том числе цветные фотографии. В настоящее время существует четыре основных типа принтеров: матричные, струйные, лазерные и сублимационные. 

 

   Матричные принтеры – это последнее поколение принтеров с ударным принципом работы. Печатающая головка содержит вертикальный ряд иголок, которые  под  воздействием  управляющих  сигналов ударяют по красящей ленте, оставляя на бумаге отпечатки в виде маленьких точек. Головка  движется  в  горизонтальном  направлении, что позволяет сформировать строку из символов произвольного вида. На таком принтере можно получать не только тексты, но черно-белые рисунки, однако вывод графики происходит очень медленно

       Достоинства матричных принтеров – дешевизна самих принтеров и расходных материалов (красящих лент), а также способность печатать практически на любой бумаге.    
      Печатающая головка струйных принтеров содержит крошечные отверстия, через которые под большим давлением на бумагу выбрасываются чернила. Диаметр получаемых при этом точек гораздо меньше, чем у матричных принтеров, что позволяет получить значительно лучшее качество печати. В цветных принтерах чаще всего устанавливается два картриджа: один с черной краской, а второй – с голубой, фиолетовой и желтой (вспомните цветовую модель CMYK). Изображение строится из точек этих цветов. В некоторых моделях для повышения качества используют шесть базовых цветов. Для печати на струй- ных принтерах необходима качественная бумага, кроме того, напечатанное изображение расплывается при попадании воды. 
    
   

Лазерные принтеры обеспечивают очень высокое качество печати. Компьютер строит в памяти полный образ страницы и предает его принтеру. Тот с помощью лазерного луча построчно переносит изображение на вращающийся барабан – строит электростатическую копию картинки. Затем к барабану притягиваются мелкие частицы красящего порошка – тонера, причем, чем сильнее наэлектризован участок барабана, тем больше краски он получает. На следующем этапе бумага прижимается к барабану, в результате на ней строится  отпечаток  картинки.  Чтобы  краска не осыпалась,  на выходе  нагретый  валик вплавляет частицы тонера в бумагу. Поскольку лазерные принтеры используют достаточно сложные технологии, они стоят дороже матричных и струйных, и потребляют больше электроэнергии. 
    Светодиодные принтеры (их тоже часто называют лазерными) работают по такому же принципу, но изображение переносится на барабан не лазером, а светодиодной матрицей.  
   Сублимационный принтер печатает изображение совсем иначе: головка принтера нагревает поверхность, размягчая ее, а затем «впрыскивает» крохотные частицы красителя. Сверху наносится защитный слой, который предохраняет краску от разрушения солнечными лучами, и в итоге образуется очень стойкое изображение. Сублимационные принтеры прекрасно подходят для печати на пластиковых картах и компакт-дисках, часто используются для печати фотографий. Их недостатки – низкая скорость печати (более 1 минуты на одну фотографию) и высокая стоимость 
       Важнейшей характеристикой принтера является его разрешающая способность. 

Разрешающая способность принтера – это максимальное количество точек, которые он способен напечатать на единицу длины.

      По традиции разрешающая способность измеряется в точках на дюйм (англ. dpi = dots per inch). Все современные струйные и лазерные принтеры имеют разрешающую спо- собность  не  ниже  300 dpi,  что  обеспечивает  высококачественную  печать.  Некоторые принтеры позволяют пользователю менять разрешающую способность, регулируя тем са- мым качество печати.  

 Устройства ввода/вывода

      Некоторые компьютерные устройства нельзя однозначно отнести ни к устройствам ввода, ни к устройствам вывода. Пример такого «гибрида» – сенсорный экран. С одной стороны, на него выводится информация, а с другой – пользователь вводит команды, на- жимая на нужный участок изображения. Сенсорные экраны применяют в портативных компьютерах, платѐжных и информационных терминалах, а также для представления пре- зентаций.
   В некоторых мобильных телефонах, карманных и планшетных персональных ком- пьютерах сенсорный экран заменил клавиатуру и занимает всю переднюю панель. Многие из этих устройств (например, смартфон iPhone и планшетный компьютер iPad фирмы Apple) используют технологию мультитач (англ. multitouch). Это значит, что сенсорный экран отслеживает нажатия и движения пальцев в нескольких точках одновременно. На- пример, сближая пальцы рук, пользователь уменьшает масштаб изображения на дисплее, а раздвигая — увеличивает.

                                          

                           Устройства ввода 

    Что относится к устройствам ввода?

      Устройством ввода называется устройство, которое: 

• позволяет человеку отдавать компьютеру команды и/или
•  выполняет первичное преобразование данных в форму, пригодную для хранения и обработки в компьютере.

      К устройствам ввода относятся :

• клавиатура;
•  манипуляторы: мышь, трекбол, сенсорная панель, джойстик, трекпойнт; 
• сканер; 
• микрофон, видеокамера и другие источники мультимедийных данных; 
• световое перо и графический планшет – специализированные устройства ввода графической информации; 
•   датчики.

     Заметим, что некоторые устройства ввода, например, датчики и веб-камеры, работают без непосредственного участия человека.



          Клавиатура

      Одним из первых устройств ввода была клавиатура. С ее помощью человек вводит в компьютер текст. Текст может быть записью числа: тогда компьютер по программе пре- образует текстовую строку в соответствующее двоичное число, с которым может работать процессор.
     Кроме символьных клавиш, на клавиатуре есть дополнительные (управляющие) клавиши. Значения некоторых из них жѐстко задано (например, клавиши управления курсо- ром, Page Up, Home, Delete, Print Screen и др.), функции других (в первую очередь, функ- циональных клавиш F1-F12) программист может назначить сам. Клавиши Shift, Caps Lock, Ctrl и Alt изменяют результат нажатия остальных клавиш. С их помощью можно, напри- мер, вводить заглавные буквы.  Еще один вариант – это емкостные клавиатуры, где при нажатии клавиши сближаются две небольшие пластины, образующие конденсатор. Емкостные клавиатуры более долговечны, так как в них нет механического контакта деталей.
        Работой современной клавиатуры руководит встроенный  в нее микроконтроллер, который:   

• опрашивает все клавиши и фиксирует изменение их состояния: нажатие или отпус- кание;  
•  временно (до момента передачи в центральный процессор) хранит коды нескольких последних нажатых или отпущенных клавиш (скан-коды);
•    при наличии данных посылает требование прерывания центральному процессору и затем (по его запросу) передает имеющиеся данные;
•  управляет световыми индикаторами клавиатуры;
•  выполняет диагностику неисправностей клавиатуры. 

         Контроллер клавиатуры выполняет лишь минимальную обработку информации: в компьютер уходят исключительно данные о нажатии или отпускании клавиши с заданным  номером. 
      Клавиатура имеет определенные технические характеристики, такие как усилие нажатия клавиш (в ньютонах) и ход клавиш (в миллиметрах).

      Манипуляторы 

     Для ввода команд и данных в компьютер широко используются манипуляторы – разнообразные по конструкции устройства, воздействуя на которые (путем их перемеще- ния, давления на их чувствительную поверхность и т.п.), пользователь может управлять компьютером, не набирая текста.
     Самый распространенный манипулятор – компьютерная мышь. Это название принято связывать с кабелем («хвостом»), соединяющим устройство с компьютером. Многим современным мышам «хвост» уже не нужен: они передают данные о своем движении с помощью электромагнитных волн (к компьютеру при этом подсоединяется специальное устройство для приема и декодирования радиоволн). Такие мыши более удобны, хотя стоят дороже и используют дополнительные элементы питания (батарейки или аккумуляторы).
         Первоначально датчики движения мыши были механическими: при перемещении мыши вращался находящийся внутри нее шарик. Шарик, в свою очередь, вращал два взаимно перпендикулярных колесика, и их поворот фиксировался электронным устройством. Полученная информация об изменении координат передавалась в компьютер. Такая меха- ническая конструкция была неудобна, так как шарик и колесики приходилось часто очищать от пыли и грязи. 
     Оптические мыши, которые используются сейчас, не содержат механических частей, поэтому они долговечны и обладают высокой точностью. Расположенная «под брюхом» миниатюрная видеокамера снимает изображение поверхности стола через небольшие промежутки времени (для подсветки используется светодиод или портативный лазер). Сравнивая полученные картинки, специальный микропроцессор вычисляет перемещение мыши по двум осям координат. Этот метод даѐт плохие результаты, когда поверхность очень гладкая и однородная (например, стекло). В таких случаях значительно лучше работают лазерные мыши, потому что подсветка лазером дает более контрастное изображение
    Наиболее интересная характеристика оптической мыши – это разрешение оптического сенсора (видеокамеры). Оно определяется как количество точек, которые способно различить  устройство  на  отрезке  заданной  длины.  Чем  выше  разрешение,  тем  точнее мышь способна отслеживать перемещение (это важно, например, при точной обработке изображений в графическом редакторе). Разрешение обычно измеряется в точках на дюйм (англ. dpi = dots per inch). Обычное разрешение мыши – около 1000 dpi, а у некоторых особо «точных» экземпляров – в несколько раз больше.
       Кроме разрешения, на качество работы мыши влияет количество кадров, которые делает видеокамера за одну секунду (до десяти тысяч). Размеры каждого кадра определяются датчиком, обычно они находятся в пределах от 16×16 до 30×30 пикселей. Зная эти данные, можно найти скорость обработки изображения в мегапикселях в секунду (Мп/с).
   

 Шаровой манипулятор – трекбол – это перевернутая мышь. Его чувствительный элемент – закрепленный шар, который вращается вокруг своего цен- тра.  Название  «трекбол» происходит  от  английских слов track – направляющее устройство и ball – шар. Для портативных компьютеров он удобнее мыши, по- тому что не требует дополнительного ровного пространства. Кроме того, трекболы могут работать там, где есть вибрация.
    В ноутбуках в качестве встроенного «заменителя» мыши устанавливают еще один тип манипулятора –  сенсорную  панель  (англ.  touchpad),  воспринимающая движение по ней пальца. Панель состоит из не- большой чувствительной к давлению поверхности и двух кнопок. Короткое касание чувствительной панели заменяет щелчок мышью (можно использовать также кнопки рядом с панелью). 
     . «Менее серьезный» манипулятор – джойстик(англ. joy stick – «весѐлая» рукоятка) – используется, в основном, в компьютерных играх и может быть оформлен самым причудливым образом. Джойстик имеет ручку, при повороте которой внутри корпуса за- мыкаются контакты, соответствующие направлению наклона ручки. В некоторых моделях дополнительно установлен датчик давления, и чем сильнее поль- зователь наклоняет ручку, тем быстрее движется указатель по экрану.

         В некоторых ноутбуках в середине клавиатуры устанавливается трекпойнт (это слово можно перевести с английского как указатель курса или маршрута). 
     Трекпойнт – это кнопка, которая определяет направление давления пальца и преобразует эту команду в перемещение курсора на экране.




      Сканер

Сканер – это устройство для ввода в компьютер графической информации.
  
    С его помощью можно преобразовать в компьютерные данные рисунки, фотографии, снимки на фотоплѐнке (негативы и слайды), а также получить снимки объектов не слишком большой толщины. 
     Часто при помощи сканера в компьютер вводят офисные документы. При этом сканер передает в компьютер изображение документа в виде картинки. Чтобы отсканированный текст можно было редактировать, нужно превратить эту картинку в коды символов. Для этого используют программы оптического распознавания символов (англ. OCR = Optical  Character  Recognition).  
      Принцип работы сканера достаточно прост. Луч света от яркого источника пробегает вдоль сканируемой поверхности, а светочувствительные датчики при этом воспринимают отраженные лучи и определяют их интенсивность и цвет. Можно сказать, что сканер – это очень сильно упрощенный цифровой фотоаппарат.
      Сканеры могут иметь разную конструкцию:   

• ручные, где считывающую головку перемещает пользователь (вспомните, как считываются штрих-коды);  
•  планшетные, в которых неподвижный объект кладется на стекло, а светочувствительная головка перемещается внутри сканера;
• рулонные, протягивающие бумагу с изображением мимо неподвижной головки; 
• барабанные, где сканируемый объект наклеивается на вращающийся барабан, который медленно вращается мимо неподвижной головки; такие сканеры обеспечивают наилучшее качество сканирования и применяются в издательской деятельности.

        Сканеры часто объединяют в одном корпусе с лазерным принтером,  копировальным аппаратом и факсом – получается многофункциональное устройство (МФУ).
       Самая важная характеристика сканера – разрешающая способность.

  Разрешающая способность – это максимальное количество точек на единицу длины, которые способен различить сканер.

       Разрешающая способность сканера измеряется в пикселях на дюйм (англ. ppi = pixels per inch). При сканировании совсем не обязательно устанавливать максимально возмож- ное разрешение. Конечно, чем оно выше, тем лучше качество, но зато и файл займет больше места на диске! Рекомендуемое разрешение зависит от того, зачем сканируется материал (см. таблицу).





     Другая важная характеристика режима сканирования – глубина цвета (разрядность), то есть количество двоичных разрядов, которое используется для кодирования цвета одного пикселя . Если для кодирования цвета использовано N  двоичных разрядов, то общее количество возможных цветов равно 2N . Высококачественные устройства позволяют сканировать изображения с глубиной цвета 48 бит. 

   Цифровые датчики

 Датчик – устройство, регистрирующее какую-либо физическую величину и преобразующее ее в сигналы (обычно электрические)

       Многие датчики вырабатывают аналоговые данные. Поэтому для их подсоединения к компьютеру необходимо устройство, преобразующее аналоговые сигналы в цифровые – аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

                                      

                                          Память 

Память – это устройство компьютера, которое используется для записи, хранения и вы- дачи по запросу команд программы и данных. 

          Существует большое количество видов памяти, которые различаются по устройству, организации, функциям и т.д. Обычно выделяют внутреннюю и внешнюю память. Термины эти имеют историческое происхождение, связанное с конструкцией первых ЭВМ: одна часть памяти находилась внутри главного шкафа (в котором размещался процессор), а другая – вне его. 
          Внутренняя память предназначена для хранения программ и данных, которые используются для задач, решаемых в данный момент. А внешняя память служит для того, чтобы сохранить данные на длительный срок, пока они не потребуются, именно поэтому ее еще часто называют долговременной.

         Внутренняя память

 Внутренняя память – часть памяти компьютера, которая используется для хранения программ и данных во время решения задачи.

          Часто ее называют основной памятью. В состав внутренней памяти входят ОЗУ и ПЗУ. Внутренняя память строится в соответствии с базовыми принципами. Основное отличие внутренней памяти от внешней – произвольный доступ к отдельным ячейкам памяти по их адресам (обращение к внешней памяти происходит иначе, см. далее). Информация, хранящаяся в ОЗУ, считается временной (оперативной), поэтому пользователь должен сам сохранять необходимые данные во внешней памяти.

            Существуют два типа оперативной памяти, отличающиеся по технологии изготовления – статическая и динамическая. Первая строится на триггерах , а вторая – на полупроводниковых конденсаторах. Конденсатор намного проще и меньше триггера, так что на одном и том же кристалле можно сделать гораздо больше запоминающих элементов динамического типа, чем статического. Поэтому динамическая память имеет большую емкость и меньшую стоимость, чем статическая. К сожалению, у нее есть очень существенный недостаток: она работает намного медленнее статической. Сейчас в персональных компьютерах используется динамическая оперативная память.. 

          Внутри компьютеров семейства IBM PC есть еще один особый вид памяти – память конфигурации (CMOS-память). В ней хранятся разнообразные настройки аппаратного обеспечения, а также часы и календарь, благодаря которым компьютер всегда знает текущую дату и время. Данные сохраняются благодаря питанию от небольшой батарейки. CMOS-память – это особая память, которая не входит в адресное пространство внутренней памяти. Поэтому к ней невозможно обратиться просто по адресу, и в этом смысле она скорее похожа на внешнюю память. Для работы с памятью конфигурации в ПЗУ современного ПК предусмотрена специальная программа (она называется BIOS Setup), причем работать с ней можно только до загрузки операционной системы (при включении компьютера).

Внешняя память

 Внешняя память – часть памяти компьютера, которая используется для долговременного хранения программ и данных.
      К внешней памяти относятся разнообразные устройства хранения данных, начиная от накопителей на магнитных дисках и кончая современными внешними запоминающими устройствами на основе полупроводниковой флэш-памяти. 
         Любой тип внешней памяти состоит из некоторого носителя информации (например, диска или полупроводникового кристалла) и электронной схемы управления (контроллера). 
          Компьютерный носитель информации – это средство длительного хранения данных в компьютерном формате. Носитель может быть съемным (как в накопителях на оптических дисках), а может быть помещѐн внутрь неразборного устройства (жесткий магнитный диск – винчестер). 
         В переносных устройства внешней памяти, например, во внешних винчестерах и флэш-накопителях, носитель и схема управления объединены в единый блок. Такие устройства подключаются к компьютеру снаружи через разъем. 
          Центральный процессор не может непосредственно обращаться к данным на носите- ле, он работает с ними через контроллер внешней памяти. На рисунке схематично показано, как читаются данные с внешнего носителя информации в ОЗУ.

         Для связи с контроллером процессор использует порты –  регистры контроллера, к которым процессор может обратиться по номеру. Процессор передает контроллеру «задание» на передачу данных, и контроллер берет руководство процессом на себя. В это время цен- тральный процессор может параллельно выполнять программу дальше или решать другую задачу. Таким образом, выполнить чтение (и запись) данных из внешней памяти гораздо сложнее, чем из внутренней памяти

    Для внешней памяти характерны следующие черты: 

• обменом данными управляют контроллеры; 
• прежде чем процессор сможет непосредственно использовать программу или данные, хранящиеся во внешней памяти, их нужно предварительно загрузить в ОЗУ;  
•  данные располагается блоками (на дисках их принято называть секторами);
• блок данных читается и пишется как единое целое, что существенно ускоряет процедуру обмена; работать с частью блока невозможна.

     В качестве  внешней  памяти  используются  самые разные носители. Первоначально программы и данные  сохранялись  на  бумажных  перфокартах  и перфолентах. Подписанные обычной ручкой или карандашом, они сортировались программистами вручную. Затем произошел переход к магнитным носителям: магнитным лентам, барабанам и дискам.

                                                             перфокарта

      Следующей технологией хранения информации стали оптические компакт-диски (англ. CD = Compact Disk). При записи данных (одним из способов) луч лазера «выжигает» на поверхности диска дорожку, в которой чередуются впадины и возвышения. При считывании также применяется луч лазера, только меньшей интенсивности, чтобы не раз- рушить данные. Для распознавания нулей и единиц используется различное отражение от перепадов глубины и ровной поверхности диска. В отличие от магнитных дисков, где информация хранится в виде на отдельных замкнутых дорожках, данные на оптическом дис- ке записываются вдоль непрерывной спирали, как на старых грампластинках27. 
         Сейчас широко используются оптические диски следующих поколений: DVD (англ. Digital Versatile Disk – цифровой многоцелевой диск, емкость до 17 Гбайт) и Blu-ray-диски (емкостью до 66 Гбайт). Они имеют тот же диаметр, что и CD-диски, но для повышения плотности записи используют лазер с меньшей длиной волны.
          Наконец, последнее достижение в области устройств внешней памяти – запоминающие устройства на базе флэш-памяти. В ней нет движущихся частей, а носителем информации служит полупроводниковый кристалл. Данные во флэш-памяти обновляются только блоками, но для устройств внешней памяти это вполне естественно. Максимальное количество перезаписей данных для каждого блока хотя и велико, но все же ограничено. Поэтому встроенный контроллер при записи использует специальный алгоритм для выбора свободных блоков, стараясь загружать сектора диска как можно более равномерно. Кроме широко распространенных флэш-дисков («флэшек»), этот вид памяти используется в картах памяти для фотоаппаратов, плееров и сотовых телефонов, а также в твердотельных винчестерах . Напомним, что ПЗУ также может изготовляться на базе флэш-памяти.  

                                                                       Флэш-карта


      Взаимодействие разных видов памяти

Иерархия памяти.
Кэширование.

 Самая  быстрая  (и  очень небольшая) память –  это регистры процессора.  Гораздо больше по объему, но заметно медленнее, внутренняя память (ОЗУ и ПЗУ). Далее следует огромная, но еще более медленная внешняя память. Наконец, последний уровень – это данные, которые можно получить из компьютерных сетей.

              Для редактирования файла с диска (внешняя память) программа обработки загружает его в ОЗУ (внутренняя память), а конкретные символы, с которыми в данные доли секунды работает процессор, «поднимаются» по иерархии выше – в регистры процессора.      
           Производительность компьютера в первую очередь зависит от «верхних» уровней памяти – процессорной памяти и ОЗУ. Быстродействие процессоров значительно выше, чем скорость работы ОЗУ, поэтому процессору приходится ждать, пока до него дойдут данные из оперативной памяти. Чтобы улучшить ситуацию, между процессором и ОЗУ добавляют еще один слой памяти, который называют кэш-памятью (от англ. cache – тай- ник, прятать). 

Кэш-память – это память, ускоряющая работу другого (более медленного) типа памяти, за счѐт сохранения прочитанных данных на случай повторного обращения к ним

         Кэш-память – это статическая память, которая работает значительно быстрее дина- мического ОЗУ. В ней нет собственных адресов, она работает не по фон-неймановскому принципу адресности. При чтении из ОЗУ процессор обращается к контроллеру кэш-памяти, который хра- нит список всех ячеек ОЗУ, копии которых находятся в кэше. Если требуемый адрес уже есть в этом списке, то запрашивать ОЗУ не нужно, и контроллер передает процессору значение, связанное (ассоциированное) с этим адресом. Такой принцип организации памяти называется ассоциативным. 

      Если нужных данных нет в кэш-памяти, они читаются из ОЗУ, но одновременно по- падают и в кэш – при следующем обращении их уже не нужно читать из ОЗУ.

 




        Подчеркнем, что термин «кэширование» в вычислительной технике имеет довольно широкий смысл: речь идет о сохранении информации в более быстродействующей памяти с целью повторного использования. Например, браузер кэширует файлы, полученные из Интернета, сохраняя их на винчестере в специальной папке. В накопителе на жестком диске также используется кэширование. Таким образом, кэш может быть организован как с помощью аппаратных средств (кэш процессора), так и программно (кэш браузера).

         Основные характеристики памяти 

   Информационная емкость – это максимально возможный объем данных, который мо- жет сохранить данное устройство памяти.
       
            Емкость памяти измеряется в тех же самых единицах, что и объем информации, т.е. в битах, байтах и производных единицах (чаще всего – в мегабайтах или гигабайтах). 
            Для дисков часто говорят о форматированной и неформатированной емкости. Первая величина – это объем «полезной» памяти, а вторая включает еще и ту область диска, которую занимает служебная разметка. 
             Для оценки быстродействия памяти используют несколько величин. Любая операция обмена данными включает не только саму передачу данных, но и подготовительную часть. Это может быть, например, поиск нужного сектора диска или установка адреса внутри микросхемы ОЗУ. Время подготовки соизмеримо со временем передачи, так что пренебрегать им нельзя. Общее время обмена данными от начала подготовки до окончания передачи называют временем доступа. 

 Время доступа – интервал времени от момента посылки запроса информации до момента получения результата на шине данных. 

        При измерении этой величины обычно рассматривают самый сложный случай, когда данные считываются или записываются в случайных местах памяти. На практике байты или сектора часто читаются по порядку, поэтому время ввода или вывода уменьшается. 
          Для ОЗУ время доступа измеряется в наносекундах (1 нс = 10-9  с), а для винчестеров – в миллисекундах (1 мс = 10-3 с). Такая разница связана с тем, что дисковод должен сначала переместить считывающую головку в нужное положение. Поскольку устройства внешней памяти работают с целыми блоками данных, для их характеристики требуется какой-то дополнительный показатель. 

Средняя скорость передачи данных – это количество передаваемых за единицу времени данных после непосредственного начала операции чтения (т.е. без учета подготовительной стадии).

        Эта характеристика обычно измеряется в мегабайтах в секунду (Мбайт/с). 
        Для оценки стоимости памяти используют отношение стоимости модуля памяти к его информационной емкости. Часто говорят о стоимости одного бита или стоимости одного гигабайта. Для дисковых накопителей часто указывают частоту вращения (в оборотах в минуту). Чем быстрее вращается диск, тем выше может быть скорость считывания и записи.

                                    

                                   Процессор

               Центральным устройством, во многом определяющим возможности компьютера, является процессор.

 Процессор – это блок, предназначенный для автоматического считывания команд программы, их расшифровки и выполнения.  

 Название «процессор» происходит от английского глагола «to process» – обрабатывать. Иными словами, процессор – это блок компьютера, который автоматически обрабатывает информацию по заданной программе. 

                 Процессор, изготовленный в виде большой или сверхбольшой интегральной схемы (БИС, СБИС), называется микропроцессором. 

                Любой процессор обязательно включает в себя две важные части, каждая из которых решает свои задачи: 

• арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее обработку данных, 
• устройство управления (УУ), которое управляет выполнением программы и обеспечивает согласованную работу всех узлов компьютера. 

         Арифметико-логическое устройство

          АЛУ не только выполняет вычисления, но и анализирует полученный результат. Обычно проверяется два свойства: равенство нулю (совпадение всех разрядов сумматора с нулем) и отрицательность результата . Результаты этого анализа заносятся в определенные биты регистра состояния процессора. Используя эти значения, можно сделать вывод об истинности или ложности условий R = 0, R ≠ 0, R > 0, R < 0, R ≥ 0, R ≤ 0, где R обозначает результат операции. Это позволяет организовать ветвления в программе, например, для неотрицательного числа вычислять квадратный корень, а иначе – выдать сообщение об ошибке. 
       Как правило, АЛУ работает только с целыми числами. Операции с вещественными числами выполняются в математическом сопроцессоре, который встроен внутрь современных микропроцессоров.

        Устройство управления

         Главная задача устройства управления – обеспечить автоматическое выполнение последовательности команд программы в соответствии с основным алгоритмом работы процессора . УУ выполняет следующие действия: 

• извлечение из памяти очередной команды; 
• расшифровка команды, определение необходимых действий; 
• определение адресов ячеек памяти, где находятся исходные данные; 
• занесение в АЛУ исходных данных; управление выполнением операции; 
• сохранение результата. 

          Таким образом, выполнение каждой машинной команды состоит из элементарных действий, которые называются микрокомандами. 
         В зависимости от сложности, машинная команда может быть выполнена за различное  число  микрокоманд.  Например,  пересылка  числа  из  одного  внутреннего  регистра микропроцессора требует значительно меньшего числа действий, чем умножение. Команды, работающие с оперативной памятью, выполняются дольше, чем команды, работающие только с регистрами процессора. 
       Каждая из микрокоманд машинной инструкции запускается с помощью управляющего импульса. Опорную последовательность импульсов для этих целей УУ получает от генератора тактовых импульсов. Интервал между двумя соседними импульсами называется тактом.
        Если две микрокоманды полностью независимы друг от друга, то их можно выполнить одновременно (за один такт), даже если они принадлежат к разным командам программы. Такая оптимизация широко применяется в современных процессорах для организации конвейерной обработки ради увеличения быстродействия.

           Регистры процессора  

            Кроме  регистров  АЛУ  и  УУ,  в  микропроцессоре  есть  много  других  регистров. Большинство из них – внутренние, они недоступны программисту. Однако есть несколько регистров, специально предназначенных для использования программным обеспечением. Их часто называют регистрами общего назначения (РОН), подчеркивая тем самым универсальность их функций. В РОН могут храниться не только сами данные (числа, коды символов и т.д.), но и адреса ячеек памяти, где эти данные находятся. 

          Основные характеристики процессора

              Как вы уже знаете, для организации выполнения команд в компьютере есть генератор импульсов, каждый из которых «запускает» очередной такт машинной команды. Очеdblyj, что чем чаще следуют импульсы от генератора, тем быстрее будет выполняться операция.  Следовательно,  тактовая  частота,  измеряемая  количеством  тактовых  импульсов в секунду, может быть характеристикой быстродействия процессора.  

     Тактовая частота – количество тактовых импульсов за одну секунду. 

               В настоящее время тактовая частота измеряется в гигагерцах, т.е. в миллиардах (109) импульсов за секунду. Эту частоту нельзя установить сколь угодно высокой, поскольку процессор может просто не успеть выполнить действие очередного такта до прихода следующего импульса. 
        Другая характеристика, позволяющая судить о производительности процессора, – это его разрядность.   
   Разрядность – это максимальное количество двоичных разрядов, которые процессор способен обрабатывать за одну команду. 

          Чаще всего разрядность определяют как размер регистров процессора в битах. Однако, важны также разрядности шины данных и шины адреса, которые поддерживает процессор. Разрядность шины данных – это максимальное количество бит, которое может быть считано за одно обращение к памяти. Разрядность шины адреса – это количество адресных линий; она определяет максимальный объем памяти, который способен поддерживать процессор. Этот объем памяти часто называют величиной адресного пространства, он вычисляется по формуле 2R , где R – количество разрядов шины адреса.
        Все три разрядности могут не совпадать. Так, у процессора  Pentium II были 32- разрядные регистры, разрядность шины данных – 64 бита, а шины адреса – 36 бит.

   Система команд процессора 

          В системах команд разных процессоров есть много общего. Они обязательно включают следующие группы машинных команд:

•  команды передачи (копирования) данных;
•  арифметические операции;
•  логические операции, например, «НЕ», «И», «ИЛИ», «исключающее ИЛИ»; 
• команды ввода и вывода;
• команды переходов. 

           Существует два основных подхода к построению системы команд процессора:

• процессоры с полным набором команд (англ.CISC=Complex Instruction Set Comput- er);
•  процессоры с сокращенным набором команд (англ. RISC = Reduced Instruction Set Computer). 

          CISC-процессоры  содержат  широкий  набор  разнообразных  команд.  При  этом  на скорость их выполнения обращают меньшее внимание, главное – удобство программиро- вания. При разработке RISC-процессоров набор команд, наоборот, весьма ограничен, но это позволяет значительно ускорить их выполнение. Многие современные процессоры (например, процессоры Intel) – гибридные, у них полный набор команд, которые выполняются RISC-ядром. Это позволяет совместить достоинства обоих подходов. 
              Почти все инструкции, входящие в систему команд компьютера, состоят из двух частей – операционной и адресной. Операционная часть – код операции – указывает, какое действие необходимо выполнить. Адресная часть описывает, где хранятся исходные данные и куда поместить результат. Часто исходные данные для команды (содержимое регистра или ячейки памяти, константа) называют операндами. 
             Рассмотрим для примера одну из наиболее простых команд процессора Intel, которая состоит из четырех байт и имеет шестнадцатеричный код 81 C2 01 01. Она может быть разбита на три неодинаковые по длине части:

1.  код операции 81C обозначает  сложению регистра с константой; 
2. первый операнд 2 – это условное обозначение регистра DX;
3.  константа 0101, которая добавляется к регистру. 

    Отметим, что система команд процессоров Intel очень сложна и плохо подходит для изучения в школьном курсе информатики.

                           Магистрально-модульная организация компьютера.

 Что значит «устройство компьютера»? 

Компьютер – это пример очень сложной техники. При изучении таких систем воз- можно несколько разных подходов. Например, можно изучать:

•  устройство конкретного экземпляра компьютера: набор микросхем, тип основной платы, конструкцию и разновидности модулей памяти и т.п.; 
• семейство компьютеров, например, IBM-совместимые персональные компьютеры; 
• различные конструкции компьютеров (настольные компьютеры, портативные компьютеры, карманные компьютеры);  
•  функциональное устройство компьютера, т.е. его основные узлы и способы взаимодействия между ними.

Взаимодействие устройств

                   Процессор должен обмениваться данными с внутренней памятью и устройствами ввода и вывода. Выделить отдельные каналы для связи процессора с каждым из много- численных устройств нереально. Вместо этого сделана общая линия связи, доступ к которой имеют все устройства, использующие ее по очереди. Такой информационный канал называется шиной. 

Шина (или магистраль) – это группа линий связи для обмена данными между несколькими устройствами компьютера.

Традиционно шина делится на три части: 

1. шина данных, по которой передаются данные;
2.  шина адреса, определяющая, куда именно передается информация;
3. шина управления, которая организует процесс обмена (несет сигналы чтение/запись, обращение к внутренней/внешней памяти, данные готовы/не готовы и т.п.).

                      По сравнению с первыми ЭВМ, взаимодействие процессора с внешними устройствами организуется теперь по-другому. В классической архитектуре процессор контролировал все процессы ввода-вывода. Получалось так, что быстродействующий процессор тратил много времени на ожидание при работе с значительно более медленными внешними устройствами.  Поэтому появились специальные электронные схемы, которые руководят обменом информацией между процессором и внешними устройствами. В третьем поколении такие устройства назывались каналами ввода-вывода, а в четвертом – контроллерами (на схеме они обозначены буквой К).

Контроллер – это электронная схема для управления внешним устройством и для простейшей предварительной обработки данных.                Современный контроллер – это микропроцессор, предназначенный специально для обслуживания одного (или даже нескольких однотипных) устройств ввода-вывода или внешней памяти. Нагрузка на центральный процессор при этом существенно снижается, и это увеличивает эффективность работы всей системы в целом. Контроллер, собранный в виде отдельной микросхемы называют микроконтроллером.

 Обмен данными с внешними устройствами 

                    Существуют три режима обмена данными между центральным процессором (ЦП) и внешними устройствами: 

• программно-управляемый ввод/вывод; 
• обмен с устройствами по прерываниям; 
• прямой доступ к памяти (ПДП).

                     При программно-управляемом обмене все действия по вводу или выводу предусмотрены в теле программы. Процессор полностью руководит ходом обмена, включая ожидание готовности периферийного устройства и прочие временные задержки, связанные с процессами ввода/вывода. Достоинства этого метода – простота и отсутствие дополнительного оборудования, недостаток – большие потери времени из-за ожидания быстро работающим процессором более медленных устройств ввода/вывода.

                      При обмене по прерываниям устройства ввода-вывода в случае необходимости са- ми требуют внимания процессора. Например, клавиатура оповещает процессор каждый раз когда была нажата или отпущена клавиша; все остальное время процессор выполняет программу, вообще «не отвлекаясь» на клавиатуру. Когда прерывание произошло, ЦП «откладывает» на некоторое время выполнение основной программы и переходит на служебную программу обработки прерывания. Завершив его обработку, ЦП снова возвращается к тому месту программы, где она оказалась прервана. При этом основная программа даже «не заметит» возникшей задержки. Этот режим обмена более сложен, но зато значительно эффективнее – процессор не тратит время на ожидание.

                  В обоих описанных выше вариантах управление обменом выполнял центральный процессор. Именно он извлекал из памяти выводимые данные (или записывал туда вводимые), подсчитывал их количество и полностью контролировал работу шины. Если передаваемые данные не требуют сложной обработки, ЦП напрасно расходует время на проведение обмена. Чтобы освободить процессор от этой работы и увеличить скорость передачи крупных блоков данных от устройства ввода в память и обратно, применяется прямой доступ к памяти (ПДП, англ. DMA = Direct Memory Access). Принципиальное отличие ПДП состоит в том, что в этом режиме процессор не производит обмен, а только подготавливает его, программируя контроллер ПДП: устанавливает режим обмена, а также передает начальный адрес ОЗУ и количество циклов обмена. Далее контроллер в ходе ПДП самостоятельно наращивает первое значение и уменьшает второе, что позволяет освободить центральный процессор. Изложенный материал о режимах ввода/вывода может быть сведен в таблицу (здесь УВВ обозначает устройство ввода-вывода):

вид обмена	начинает обмен	руководит обменом	текущая программа	программа обмена
программный	ЦП	ЦП	программа обмена – часть текущей программы
прерывания	УВВ	ЦП	прерывается	специальная подпрограмма
ПДП	УВВ, ЦП	контроллер ПДП	выполняется параллельно	отсутствует (обмен идет аппаратно)