Обобщенная структура компьютера

Несмотря на огромный диапазон размеров и вычислительных мощностей ком­пьютеров, все они так или иначе имеют сходную функциональную структуру. В од­них случаях эта структура может быть немного упрощена, в других — расширена, но в общем функции вычислительного устройства и необходимые для вычислений функциональные блоки остаются одними и теми же.

На рис. 10.1 показана обобщенная структура компьютера, дающая представ­ление об основных функциональных блоках, без которых не может обойтись ни один компьютер.

УЬфОИСШ)&&0ЙЙН

Рис. 10.1. Обобщенная структура компьютера

Для ввода данных в компьютер предназначается устройство ввода, для выво­да — устройство вывода, вместе эти устройства обычно составляют единый блок — устройство ввода-вывода данных.

Независимо от того, будут данные в компьютере храниться годы или секунды, компьютер должен иметь место для их хранения. Соответствующее устройство называется памятью.

В компьютере должно быть устройство, которое производит манипуляции над данными, от простейших арифметических операций до сложных статистических, финансовых или научных расчетов. Функционально это устройство состоит из двух блоков: один блок отвечает за производимые вычисления, другой — за правила, по которым данные извлекаются из памяти, над ними производятся операции и ре­зультаты этих операций снова возвращаются в память. Устройство, производящее вычисления, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а устройство, формирующее правила, по которым происходит обработка данных — устройством управления (УУ). Вместе эти две функциональные единицы образуют единый блок, который получил название центральный процессор.

Связать между собой процессор, оперативную память, постоянную память (дис­ковые устройства), устройства ввода-вывода и другие компоненты компьютера напрямую невозможно конструктивно и технологически. Поэтому между всеми этими устройствами располагается системная шина — еще один весьма важный компонент, носителем которого является материнская плата. Системная шина представляет собой множество электрических проводников, конструктивно выпол­ненных в виде тончайших проводящих дорожек, в несколько слоев пронизывающих
материнскую плату и соединяющих между собой все электронные компоненты компьютера (рис. 10.2).

Устройства шщь

Устройства вывела

Рис. 10.2. Взаимодействие компонентов через системную шину

Реальные электрическая и компонентная схемы компьютера, конечно же, куда сложней функциональной схемы. Прежде всего, они усложняются за счет того, что все эти устройства связаны между собой большим количеством соединений. Нужны проводники, чтобы передавать данные, чтобы указывать памяти адрес, из которого следует выбрать данные или в который их следует записать. Компьютер, как мы знаем, не работает без электропитания, значит, нужно устройство, преоб­разующее переменный ток электрической сети в постоянный низковольтный ток питания компьютера. Устройства ввода-вывода, обозначенные одним прямоуголь­ником, на самом деле весьма разнообразны. Все эти и многие другие устройства должны быть где-то размещены и закреплены. Физически компьютер являет собой куда более сложную систему, чем его функциональное описание.

В современном компьютере взаимодействие центрального процессора с устрой­ствами ввода-вывода, а также с различными устройствами, присоединенными к общей шине, основано на механизме прерываний.

Механизм прерываний обеспечивает прерывание выполнения текущей програм­мы при поступлении сигнала на соответствующий вход центрального процессора и выполнение процессором операций обслуживания устройства, вызвавшего пре­рывание.

При поступлении сигнала прерывания центральный процессор совершает сле­дующие действия:

, 1. Запоминает адрес текущей инструкции выполняемой программы.

2. Получает вектор прерывания (вектор прерывания — запись в специальной таблице прерываний, связывающей номер прерывания и адрес подпрограммы,

выполняющей обработку прерывания. Получить вектор прерывания значит получить доступ к соответствующей записи в этой таблице).

3. Переходит по адресу, хранимому в соответствующей записи вектора прерывания.

4. Выполняет подпрограмму обработки прерывания.

5. После завершения подпрограммы обработки прерывания возвращается к вы­полнению прерванной программы.

Подпрограмму обработки прерывания называют обработчиком прерывания. Прерывания обозначаются сокращением IRQ (Interrupt Request — запрос на прерывание) и номером. Прерывания имеют приоритет. Это значит, что прерыва­ние с более высоким приоритетом может прервать работу программы обработки прерывания с более низким приоритетом. Прерывания управляются контроллером прерываний. Поскольку в компьютерах AT в качестве контроллера прерывания ис­пользовалась микросхема i8259, количество входов в которой было меньше, чем необходимое количество прерываний, два контроллера собирались в единую схему путем каскадного подключения. Хотя в современных компьютерах применяются другие контроллеры прерываний, для сохранения обратной совместимости логи­ческая структура номеров прерываний, номеров и адресов векторов прерываний и их назначение продолжают сохраняться в неизменном виде.

Устройства ввода

Компьютерный ввод можно подразделить на два основных типа — ввод данных и ввод команд. Данные:

□ необработанный текст (последовательность символов);

□ числа;

□ изображения;

□ аудиоданные;

□ видеоданные. Команды:

□ инструкции;

□ программы;

□ реакция пользователя.

Ввод информации в современный компьютер осуществляется различными путями и способами. Самое «старинное» устройство ввода — это клавиатура. Со­временная мультимедийная клавиатура с количеством клавиш больше сотни зна­чительно отличается от своей 84-клавишной прародительницы, поскольку кроме клавиш, позволяющих осуществлять ввод чисел и букв, на ней можно отыскать и клавиши управления медиапроигрывателем, и клавиши управления браузером интернета, и много других интересных командных клавиш.

Клавиатура — это унифицированное устройство ввода со стандартным разъемом и последовательным интерфейсом связи с системной платой.

Клавиатура подключается к компьютеру через разъем PS/2 или USB.

Клавиатура имеет внутренний микроконтроллер, способный определить факты нажатия и отпускания клавиш, при этом можно нажимать очередную клавишу, даже удерживая несколько ранее нажатых. При нажатии клавиши клавиатура пере­дает идентифицирующий клавишу скан-код. При удержании клавиши в нажатом положении через некоторое время клавиатура начинает автоповтор передачи скан- кода нажатия этой клавиши. Задержка автоповтора (typematic delay) и скорость автоповтора (typematic rate) для современных клавиатур программируются.

Обмен данными между клавиатурой и процессором происходит через установ­ленную на системной плате микросхему контроллера интерфейса клавиатуры. Каждое событие клавиатуры (нажатие или отпускание клавиши) порождает ап­паратное прерывание и побуждает процессор считывать скан-код.

Современные клавиатуры поддерживают двусторонний обмен информацией с системной платой: от процессора в клавиатуру передаются команды задания параметров автоповтора, выбора таблицы скан-кодов, управления светодиодными индикаторами и запуска диагностического теста. Типы клавиатур:

□ простая проводная клавиатура без дополнительных клавиш;

□ мультимедийная клавиатура имеет дополнительные зоны управления и клави­ши для взаимодействия с различными устройствами воспроизведения мульти­медийного контента;

□ интернет-клавиатура обладает дополнительными клавишами, облегчающими взаимодействие с программами просмотра Интернета;

□ музыкальная клавиатура, предназначена для тех, кто увлекается созданием компьютерной музыки;

□ беспроводная клавиатура не подключается к компьютеру проводом, вместо это­го взаимодействие с системным блоком происходит по одному из беспроводных протоколов (IrDA,Wi-Fi или BlueTooth^[2]);

□ встроенная клавиатура является непременным атрибутом ноутбуков;

□ экранная клавиатура отображается на экране, нажатие клавиш на такой клави­атуре осуществляется указывающим устройством;

□ гибкая клавиатура выполнена в виде тонкого резинового коврика или пленки, ее можно свернуть в трубочку или сложить, как носовой платок;

□ проекционная клавиатура позволяет проецировать изображения клавиш на стол или другую поверхность.

На рис. 10.3 показана современная мультимедийная интернет-клавиатура, где хорошо видно, что помимо основной группы клавиш в верхней части клавиатуры и справа присутствуют дополнительные группы клавиш, предназначенные для управления воспроизведением мультимедийного контента и навигации по интер­нет-страницам.

Рис. 10.3. Мультимедийная интернет-клавиатура и мультимедийная мышь

По мере развития компьютерной техники и программного обеспечения, осо­бенно с появлением графических оконных оболочек, крайне актуальным стали указывающие устройства, позволяющие задавать определенные точки или объекты на экране, выбирать (путем щелчка), а также захватывать и перемещать экранные объекты (окна). Наиболее распространенным указывающим устройством сегодня является мышь. Типология мышей почти так же обширна, как типология клавиа­тур. Мыши бывают:

□ двухкнопочные и трехкнопочные;

□ проводные и беспроводные;

□ механические и оптические;

□ многофункциональные.

Так же, как и клавиатура, мышь передает информацию процессору через кон­троллер. Получив информацию о передвижении мыши, контроллер генерирует прерывание IRQl2, и процессор считывает данную информацию из контроллера.

Примером многофункциональной мыши может служить мышь, представленная на рис. 10.3. На ней помимо правой и левой кнопок имеется еще ряд элементов управления.

Кроме двух основных устройство ввода в современной компьютерной технике существует большое количество устройств, позволяющих вводить данные разного типа в компьютер.

□ Указывающие устройства

О Электронное перо выполнено в форме карандаша, внутри которого нахо­дится светочувствительная матрица, способная считывать информацию с экрана компьютера.

О Трекбол. Если в обыкновенной механической мыши шарик катается по ков­рику, то в случае трекбола шар довольно большого размера находится под рукой пользователя. Прокручивая шар в разных направлениях, пользователь перемещает указатель на экране.

О Тачпад — прямоугольная область, по которой пользователь может водить пальцем или осуществлять одинарные и двойные нажатия. Перемещения пальца приводят к перемещению указателя на экране, а одинарные и двой­ные нажатия воспринимаются как одинарный или двойной щелчок мышью. Тачпадами оснащаются, в основном, ноутбуки, но встречаются также клави­атуры для стационарных компьютеров со встроенным тачпадом.

О Pointing stick — выполнен в виде миниатюрного джойстика с поверхностью, похожей на твердый шершавый ластик. Это устройство располагается в цент­ре клавиатуры (обычно на ноутбуках) и при надавливании на него переме­щает указатель по экрану влево, вправо, вверх или вниз.

О Игровые джойстики могут быть самыми разными, от простейших рукояток, нагибающихся в четырех направлениях, до полных симуляторов кабины автомобиля или самолета.

□ Устройства ввода графических данных

О Сенсорными экранами мини-устройств оснащены по большей части на- ладонные компьютеры. Экран выполняет одновременно функции и мыши, и клавиатуры. Функция указывающего устройства выполняется путем прикосновений специальным пером (стилусом) к экрану, при этом ими­тируется как одинарный, так и двойной щелчок (вместо терминов click и double-click тут применяется термины tap и double-tap). Такой способ ввода информации позволяет обходится без физической клавиатуры, ко­торая заменяется экранным изображением. Кроме того, дополнительное программное обеспечение позволяет распознавать буквы, нарисованные на экране стилусом от руки.

О Сенсорными экранами больших размеров оснащаются планшетные компью­теры, а также профессиональные машины для компьютерного дизайна. Эти экраны предназначены в основном для ввода графического изображения путем рисования на экране стилусом.

О Сканеры позволяют вводить графическую информацию, считывая ее с бу­мажного листа.

О Цифровые фотоаппараты.

□ Устройства ввода звуковых данных

О Микрофон.

О Линейный вход получает сигнал с выхода звуковой аппаратуры (магнито­фонов, проигрывателей, телеприемников и прочих источников звуковых сигналов). О Midi-клавиатура.

□ Устройства ввода видеоинформации

О Цифровые и аналоговые видеокамеры со специальным видео-выходом. О Телеприемники. О Видеомагнитофоны. О Веб-камеры и камеры сотовых телефонов.

□ Устройства ввода радиосигнала подключаются к высокочастотному входу для приема FM радио- и телевещания

□ Сканирующие устройства для ввода символьной, числовой и биометрической информации (чтение штрих-кодов, отпечатков пальцев)

□ Устройства считывания данных от датчиков бытовой, технологической и теле­метрической аппаратуры

Разнообразие современных устройств, предназначенных для ввода информации в компьютер, очень велико. Выше перечислены не все устройства, поскольку не­прерывно появляются все новые и новые устройства, совершенствующие взаимо­действие компьютера и человека. Концепция «умных вещей» и «умных жилищ», появившаяся в конце прошлого века, ныне бурно развивается, и в соответствии с ней возникает все больше и больше каналов, по которым компьютеры могут вос­принимать данные и взаимодействовать с человеком.

Устройства вывода

Существует главное устройство вывода данных из компьютера — монитор. Главенство монитора среди устройств вывода данных вполне объяснимо: человек воспринимает и осознает свыше 90 % всей входящей информации именно визуаль­но. Таким образом, то устройство, которое обеспечивает генерацию изображения, всегда будет наиболее важным среди устройств вывода компьютера.

10.3.1. Мониторы

Мониторы в своем развитии прошли путь от микроскопических по сегодняш­ним меркам черно-белых (а вернее, черно-зеленых) экранов, работающих исклю­чительно в текстовом режиме, до огромных плоских матриц, размеры которых заставляют отодвигаться от них подальше, иначе невозможно охватить взглядом всю их поверхность.

В настоящее время персональные компьютеры работают с тремя основными типами мониторов:

□ мониторы с электронно-лучевой трубкой;

□ жидкокристаллические мониторы;

□ мониторы с плазменной панелью.