Основные шины компьютера

Клавиатура и мышь

Клавиатура — устройство ввода данных в компьютер. Скан-код является однобайтовым числом, идентификационным номером, которые присваиваются клавишам.


При нажатии на клавишу специальный сигнал регистрируется контроллером клавиатуры и передается в виде скан-кода в материнскую плату. Затем он поступает в контроллер интерфейса клавиатуры, где инициализируется аппаратное прерывание IRQ. Процессор выполняет процедуру анализирующую скан-код.  Прерывание выполняется специальной программой в составе BIOS. Скан-код переводится в кодм символа и помещается в буфер клавиатуры.

Мышь — устройство ввода данных, управления курсором на экране монитора для подачи команд.

Мониторы

Монитор — устройство отображение данных в виде текста и графики.

Мониторы можно разделить на:

  • Мониторы на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ)
  • Мониторы на основе жидких кристаллов (жидкокристаллические) или LCD-мониторы (Liquid Crystal Display).

Пиксели — дискретные точки люминофор, представляющие собой элемент изображения на экране монитора.

Мониторы на основе ЭЛТ разделяются на:

  • Аналоговые — мониторы с аналоговым сигналом данных, с параметрами в виде функции времени и непрерывным множеством возможных значений
  • Цифровые — мониторы с цифровым сигналом данных, в виде последовательных цифровых значений

Видеоадаптер — устройство, преобразующее данные, хранящиеся на компьютере, в графическое отображение на экране монитора.

Характиристики видеоадаптера:

  • Максимальное разрешение и частоты разверток
  • Максимальное количество оттенков цветов
  • Скорость обработки и передачи видеоинформации, определяющие производительность видеосистемы и компьютера

Элементы видеокарты:

  • Видеопамять для хранения цифрового изображения
  • Набор микросхем для обработки цифрового изображения и преобразования его в видеосигнал
  • Схемы интерфейса с шиной ввода-вывода
  • ROM Video BIOS для управления видеосистемой
  • Цифроаналоговый преобразователь, для преобразования цифровых данных из видеопамяти, в видеосигнал

Звуковая карта — аппаратное обеспечение компьютера для обработки звука. В звуковую карту входит:

  • Запись и воспроизведение звука
  • Синтезатор
  • Интерфейсы
  • Микшер
  • Акустическая система

MIDI — цифровой интерфейс музыкальных инструментов

Ethernet

Ethernet описан в стандарте IEE 802 и был первоначально разработан для коммуникации между офисными устройствами (компьютерами, принтерами и т.п.). При этом была принята линейная топология и был применен коаксиальный кабель. В настоящее время сети строят исключительно с децентрализованной топологией типа «звезда» на основе витых пар или оптоволоконного кабеля. При этом в промышленных сетях скорость передачи данных составляет 10 или 100 Мбит/с. Структуру сети можно согласовать с требованиями каждого отдельного случая путем организации каскадов с помощью разветвителей типа «звезда» (концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы).

Если для распределения данных применяют концентраторы, система должна работать в полудуплексном режиме. В этом случае обмен данными обеспечивается механизмом Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidment (CSMA/CA – множественный доступ с контролем несущей и предотвращением конфликтов). При этом оконечные устройства прослушивают канал обмена информацией в сети и начинают передачу данных только после приостановки других передач. Пакет отсылается каждому оконечному устройству сети. Оконечные устройства сравнивают содержащийся в присланном пакете адрес получателя со своим собственным адресом и принимают пакет только в случае совпадения адресов. Часто несколько оконечных устройств идентифицируют шину как свободную и начинают передачу данных одновременно. Вследствие этого пакеты данных разрушают друг друга, В этом случае говорят о коллизии. Активное конечное устройство, первым обнаружившее коллизию, сразу же требует от всех оконечных устройств медленной остановки передачи данных. Чтобы пакеты данных не потерялись и их можно было бы послать вновь, передатчики должны получить квитирующее сообщение до того, как был послан последний бит сообщения.

Временные ограничения квитирующего сообщения при коллизии непосредственно влияют на максимальную протяженность сети. Так называемый коллизионный домен ограничивается сетевым адаптером, маршрутизатором или коммутатором. Такая сегментация сети устраняет ограничения сети с концентраторами, благодаря этому становятся возможными большая территориальная протяженность сети и оптимизация обмена данными.

В идеальном случае каждое оконечное устройство подключают к коммутационному порту, тем самым оно получает собственный коллизионный домен. Производительность сети повышается, поскольку коллизии исключены, механизм CSMA/CD можно отключить и эксплуатировать сеть в дуплексном режиме в полосе частот двойной ширины.

При монтаже следует учитывать тип применяемого устройства. В соответствии с интерфейсами DTE/DCE в случае устройств RS-232 имеются Ethernet-устройства с интерфейсами MDI или MDIx. Однотипные устройства необходимо всегда подключать соединительными кабелями со скрещенной разводкой, а устройства различного типа кабелями с разводкой 1:1.

С помощью внутренней коммутации, объединяющей множество устройств, возможно переключение интерфейса вручную или автоматически (функция автосогласования) непосредственно на месте установки. Благодаря этому во всех случаях имеется возможность соединения кабелем с разводкой 1:1.

Еще одним автоматическим механизмом является функция автосогласования скорости и режима работы, благодаря которой устройства выбирают общие для всех скорость и режим передачи (полудуплекс или дуплекс).


Сканер

Сканер — устройство для  ввода данных и создания з них цифрового изображения.

Способ формирования изображения:

  • Линейный (типовые).
  • Матричный (игольчатые).
  • Принтеры ударного типа.
  • Принтеры безударного типа.
  • Струйные принтеры.
  • Графопостроители (фломастерные или каплеструйные).
  • Лазерные принтеры (разновидность светодиодные принтеры).
  • Термопринтеры.
  • Твёрдочернильные принтеры.
  • Сублимационные принтеры.
  • 3D-принтеры.
  • Фотонные принтеры.

Кинематический механизм:

  • Ручной.
  • Настольный.
  • Комбинированный.

Тип сканируемого изображения:

  • Черно-белый.
  • Полутоновый.
  • Цветной.

Прозрачность оригинала:

  • Отражающий.
  • Прозрачный.

Аппаратный интерфейс:

  • Специализированный.
  • Стандартный.

Программный интерфейс:

  • Специализированный.
  • TW AIN-совместимый.

Принтеры

Принтер – эл механическое устройство вывода информации из компьютера на бумагу или полимерную плёнку. Матричные принтеры основаны на механическом оттиске через красящую ленту группой тонких иголок матриц. Струйные принтеры – в них вывод информации основан на принципе напыления чернил. Даёт более качественное изображение по сравнению с матричными. Струйные цветные принтеры формируют цветовое изображение. Имеют 2 картриджа, в одном из которых чёрные чернила, три резервуара цветных чернил (красных, синих зелёных). Лазерный принтер – вывод информации основан на принципе лазерного управления плотность красящего вещества. Даёт более качественное изображение по сравнению со струйным.

Программное обеспечение компьютеров.

Hardware-аппаратные средства

ПК состоит из двух необходимых частей аппаратной и программной и только в этой комплектации компьютер работоспособен.

Программное обеспечение (математическое обеспечение) оно содержит ряд инструкций к процессору указывающих, что необходимо делать. Программы — та информация, которую компьютер использует для выполнения каких либо действий. Программы бывают разные для рисования, для музыки, для видео, редактирование текста и т.д.

Программное обеспечение: системное, прикладное, инструментальное

Основной программой является операционная система ОС

ОС обеспечивает работу всех программ, позволяя им  взаимодействовать  друг с другом и аппаратными средствами. По определению ОС комплекс программ объединенной основной задачей управлять работой компьютера ( запускать программы, выполнять запросы, выделять память для задач, записывать данные в память, считывать данные с памяти, реагировать на сбойные моменты программ. ОС начинает работу с включением компьютер и заканчивает его с выключением.

Начало включения до начала работы ОС называет начальной загрузкой компьютера, которая называется BIOS. Он указывает процессору, как общаться с необходимым минимумом устройств. Содержит команды позволяющие процессору проверить наличие и исправность этих устройств.

Показать проверку на экране монитора после  загрузки начинается работа операционной системы.

Хранение данных

Дисковод — носитель данных, которые записываются путем изменения намагниченности магнитного покрытия диска в направлении север-юг и юг-север, создавая логические состояния 1 или 0.


Для записи и чтения данных диск разбивается на специальные участки — дорожки и секторы, путем форматирования.

При логическом разбиении диски разделяются на системную область и область хранения данных.

В системной области размещаются:

  • Загрузочная запись диска
  • Таблицы размещения файлов
  • Корневой каталог файлов

В области данных размещаются различные файлы.

Фрагментированный диск — диск, на котором значительное число файлов размещено по поверхности отдельными фрагментами.

Жесткий диск — устройство для хранения данных, на которое данные записываются и считываются специальными головками. При записи на головку подается положительный сигнал, а затем отрицательный. При чтении головка регистрирует моменты изменения полярности магнитных полей и выдает импульсы, соответствующие моменту изменения полярности, после чего импульсы декодируются в последовательность двоичных данных и при записи цифровые данные преобразуются в электрические сигналы.

Характеристики жестких дисков:

  • Емкость
  • Время безотказной работы
  • Быстродействие

Кэш-память жесткого диска — физические ячейки памяти в контроллере диска. Диски делятся на дорожки и секторы. Каждая дорожка отмечена номером головки и порядковым номером на диске относительно внешнего края. Секторы нумеруются своим порядковым номером относительно начала дорожки и начинается с 1, а головки и цилиндры — с 0.

Чтобы операционная систем видела диск и загружалась с него, проводятся следующие операции:

  • Форматирование диска на низком уровне или физическое форматирование
  • Разбиение диска на разделы
  • Форматирование диска на высоком уровне, форматирование разделов
  • Копирование операционной системы на диск, делая дис загрузочным

Компакт-диск (CD-ROM) — оптический носитель данных в виде пластикового диска с отверстием в середине. Запись и чтение производится с помощью лазера.

Плюсы и минусы CD-ROM:

  • компакт-диски надежней в транспортировке
  • компакт-диск имеет большую емкость
  • компакт-диск почти не изнашивается
  • низкая скорость доступа к данным

Основные характеристики CD-ROM:

  • Скорость передачи данных.
  • Среднее время доступа.
  • Объем буферной памяти.
  • Коэффициент ошибок.
  • Средняя наработка на отказ.
  • Тип интерфейса.
  • Перечень поддерживаемых форматов CD.
  • Параметры трактов воспроизведения.
  • Конструкция привода.
  • Комплект поставки программного обеспечения

RS-485 W2

Этот тип последовательного интерфейса отличается не только высокой производительностью, как и интерфейс RS-422, но также допускает многоточечное подсоединение до 32 оконечных устройств. Электрические уровни и сопоставленные им логические значения идентичны определяемым стандартом RS-422. правда, из-за 2-проводной схемы соединения передача данных может осуществляться только в полудуплексном режиме, это означает, что передача и прием данных производятся попеременно и должны управляться соответствующей программой. Соответствующий программно реализуемый протокол должен в отличие от коммуникации по чистой схеме точка-точка обеспечить возможность обращения к каждому подключенному по многоточечной схеме оконечному устройству по адресу, а также идентификацию этого устройства. В каждый момент времени передавать данные может лишь одно оконечное устройство, все остальные должны в это время находиться в режиме «слушания». Двухпроводной шинный кабель может иметь длину до 1200 м, на его обоих концах должны быть подключены оконечные сопротивления нагрузки (100…200 Ом). Отдельные оконечные устройства могут удаляться от шины с использованием ответвлений на расстояние до 5 м. При применении попарно скрученного и экранированного кабеля максимальная скорость передачи данных составляет 10 Мбит/с. Стандарт RS-485 определяет всего лишь физические свойства интерфейса. Поэтому совместимость интерфейсов RS-485 между собой не обязательно гарантирована. Такие параметры, как скорость передачи, формат и кодирование данных определяются системными стандартами, например стандартами INTERBUS, PROFIBUS, MODBUS и т.п.

Примеры внутренних компьютерных шин

Параллельные

  • Проприетарная , использовалась на некоторых материнских платах ASUS с Socket 7 и представляла собой шину ISA в специфическом разъеме, размещенном в одну линию с разъемом шины PCI.
  • CAMAC для измерительных систем (instrumentation systems)
  • Extended ISA или EISA
  • Industry Standard Architecture или ISA
  • Low Pin Count или LPC
  • MicroChannel или MCA
  • MBus
  • Multibus для промышленных систем
  • NuBus или IEEE 1196
  • OPTi local bus, использовалась для ранних материнских плат для Intel 80486
  • Peripheral Component Interconnect или PCI, также PCI-X
  • S-100 bus или IEEE 696, использовалась в Altair и похожих микрокомпьютерах
  • SBus или IEEE 1496
  • VESA Local Bus или VLB или VL-bus, использовалась в основном на материнских платах для процессоров и была подключена непосредственно к выводам микропроцессора. Однако встречалась и реализация этой шины в сочетании с ЦПУ IBM BL3 (аналог i386SX) и ранними Pentium
  • VMEbus, VERSAmodule Eurocard bus
  • STD Bus для 8- и 16-битных микропроцессорных систем
  • Unibus
  • Q-Bus

Последовательные

  • 1-Wire
  • HyperTransport
  • I²C
  • PCI Express или PCIe
  • Serial Peripheral Interface Bus или шина SPI
  • USB, Universal Serial Bus, чаще используется как внешняя
  • FireWire, i.Link, IEEE 1394, чаще используется как внешняя
  • Direct Media Interface (DMI)
  • Intel QuickPath Interconnect или просто QuickPath (QPI)
  • SATA/SAS

Основные шины передачи данных:

  1. Шина процессора – высокоскоростная шина для передачи данных между встроенной кэш памятью и компонентом системной платы.
  2. Шина памяти – служит для обмена данными между оперативной памятью (рам) и процессора.
  3. AGP шина (AGP – accelerated graphics port) графический код для повышения эффективности работы с видео и графикой.
  4. PCI шина — для взаимодействия периферийных компонентов

Дисплей – электронное устройство, предназначенное для преобразования электрического видеосигнала в изображение на экране.

По физической сути различают дисплеи:

  1.  Алд – с электро-лучевой трубкой
  2. Жкд – жидкокристалический

Характеристики экрана дисплея:

Тип экрана:

  • Для жкд — глянцевый матовый выпуклый плоский
  • Для алд — выпуклый глянцевый, плоский глянцевый.

Размер: Определяется в дюймах (2.54 сотых сантиметра) Размер определяется по диагонали.


Используются 15, 17, 19, 21 дюйм.

Размер растра: пиксель – наименьший элемент поверхности экрана, имеющий адрес цвет и интенсивность.  Растр – множество точечных элементов, формирующих изображение на экране дисплея. Размер растра определяет общее количество пикселей экрана равное произведению числа пикселей по горизонтали умноженное на число пикселей по вертикали. Существуют стандарты: 640*480 vga (video grafics array), 800*600 svga(supervga), 1024*768 xga (extended – расширенный), 1280*1024 uvga (ultra video graphic). коэффициент пропорциональности: K=640/480=800/600=1024/768=1.3 для UVGA = 1.25Разрешение экрана – способность передавать в изображении мелкие детали объекта. В цветном алд изображение на экране формируется триадами. Одна триада состоит из rgb-ячеек (red green blue)(красный зелёный синий).

Зернистость – расстояние в миллиметрах между центрами соседних триад. Зернистость определяет максимально возможное разрешение экрана. Для жкд размер растра однозначно определяет разрешение экрана.

Чистота развертки. Чистота развёртки по вертикали должна быть более 75 герц. Управляется видео адаптером. Пониженная частота вызывает быструю утомляемость глаз особенно при больших размерах экрана.

Уровень эл-магнитных излучений. Алд с этой точки зрения представляет опасность здоровью человека. Поэтому разработаны стандарты, определяющие высокие требования к уровню электро-магнитных излучений. жкд свободен от эл-магнитных излучений.

Глубина цвета. При нормальном цветовом зрении различается 150 цветовых томов, 25 уровней насыщения цвета и 64 уровня светлости. Человек с норм цветовым зрением различает 150*25*64=240 000 различных оттенков цвета.

RS-232 (V.24)

Один из самых распространенных последовательных интерфейсов определен в стандартах TIA-232 и CCITT V.24.

Интерфейс реализует обмен данными между двумя устройствами (соединение точка к точке) в дуплексном режиме на расстоянии до 15 м.

В самой простой конфигурации требуется три провода – ТхD (передаваемые данные), RxD (принимаемые данные) и GND (общий сигнальный провод). При этом управление передачей данных осуществляется с так называемым программным квитированием. Для передачи с программным квитированием имеются дополнительные линии, используемые для передачи сигналов управления, тактовых сигналов, а так же для сигнализации.

Интерфейсы устройств могут быть спроектированы как оборудование для передачи данных (DCE) или как оконченное оборудование обработки данных (DTE). Различительным признаком является разное направление передачи на линиях при одинаковом обозначении и назначении выводов. Пример: DTE-устройство осуществляет передачу через подключение TxD (передаваемые данные), в то время как DCE-устройство через это же соединение принимает данные. Такое решение позволяет реализовать простую прямую связь между двумя устройствами. При соединении однотипных устройств все соединительные линии необходимо перекрещивать.

Уровни сигналов обеих линий передачи данных определены следующим образом:

  • от -3 до -15 для логического значения «I»
  • от +3 до +15 для логического значения «0»

На линиях передачи управляющих и оповестительных сигналов логика работы, напротив, инвертирована (лог. «I» = положительный потенциал). Максимальная скорость передачи данных составляет 115,2 кбит/с. В промышленных условиях дистанцию передачи в таком случае рекомендуется уменьшить до 5 м.

Описание шин

Шины бывают параллельными (данные переносятся потактово словами: каждый бит — отдельным проводником) и последовательными (биты данных переносятся поочерёдно по каналу, например, паре проводников).

Большинство компьютеров имеет как внутренние, так и внешние шины. Внутренняя шина подключает все внутренние компоненты компьютера к материнской плате (и, следовательно, к процессору и памяти). Такой тип шин также называют локальной шиной, поскольку она служит для подключения локальных устройств. Внешняя шина подключает внешнюю периферию к материнской плате.

Сетевые соединения, такие, как Ethernet, обычно не рассматриваются как шины, хотя разница больше концептуальная, чем практическая. Появление технологий InfiniBand и HyperTransport ещё больше размыло границу между сетями и шинами.

Система передачи MOST

Физический слой MOST

Стандарт MOST определяет, как оптическую, так и электрическую технологии физического слоя (слоя передачи). Слой оптической пере­дачи широко распространен и в настоящее время в качестве транспортной среды ис­пользует оптоволоконные кабели (полимерное оптоволокно, POF) из полиметилметакрилата. Они имеют диаметр 1 мм и используются в сочетании со светодиодами и кремниевыми фотодиодами в качестве приемников.

Отличительной особенностью технологии MOST50 является её пригодность для электри­ческой передачи данных. Это позволяет пере­давать данные по неэкранированным кабелям с витой медной парой (UTP). В то время как технология MOST25 продолжала развиваться в Европе и получила распространение в Корее, японский рынок предпочитает MOST50 — вто­рое поколение мультимедийного стандарта.

Идентификационный номер, например, в случае MOST25, означает скорость передачи около 25 Мбит/с. Точная скорость передачи зависит от используемой системой частоты амплитудно-импульсной модуляции. При частоте амплитудно-импульсной модуляции 44,1 кГц фрейм MOST передается 44100 раз в секунду. Длина фрейма 512 бит означает ско­рость передачи 22,58 Мбит/с. Для MOST50 та же самая частота амплитудно-импульсной мо­дуляции означает двойную скорость передачи, так как длина фрейма составляет 1024 бита. Сейчас доступны и более высокие скорости передачи данных -150 Мбит/с  (MOST150).

Особенности MOST 150

В дополнение к более высокой пропускной способностью -150 Мбит/с, MOST150 содер­жит изохронный механизм транспортировки для эффективной передачи сжатых данных видео высокого разрешения (HD). Транспорт­ные потоки MPEG (экспертная группа по движущемуся изображению) здесь передаются напрямую. С помощью соответствующего ви­деокодека на базе MPEG4 можно передавать видео с разрешением до 1080 строк), напри­мер, с проигрывателей BluRay. Наряду с этим, MOST150 обеспечивает канал Ethernet для эффективной передачи пакетных данных IP (IP = протокол Internet).

В отличие от протокола МАМАС (асинхрон­ное управление доступом к среде MOST), ис­пользуемого с технологией MOST25, канал Ethernet способен передавать фреймы Ethernet.

Канал Ethernet передает неизмененные блоки данных Ethernet, что означает возможность эффективной интеграции программных паке­тов и приложений в области потребительской электроники и информационных технологий в автомобили за гораздо более короткие иннова­ционные циклы. Таким образом, пакеты ТСР/ IP и протоколы, использующие TCP/IP (TCP = протокол управления передачей) могут сооб­щаться через MOST150 без изменений.

Контроллер сетевого интерфейса (NIC) шины MOST — аппаратный контроллер, от­вечающий за управление физическим слоем и имеющий важные механизмы передачи.

TTY

Интерфейс TTY с токовой петлей впервые был применен в телеграфии. В настоящее время его все еще можно встретить в программируемых логических контроллерах (ПЛК) и принтерах. Как для передачи, так и для приема данных необходимо по одной паре линий, при этом линии должны быть попарно скручены. Передача данных осуществляется в дуплексном режиме с программным квитированием. Линии передачи управляющих сигналов не предусмотрены. Значение тока 20 мА в петле соответствует состоянию логическая «I». Если цепь тока разорвана, это воспринимается как состояние логический «0». В каждой петле требуется формирующий ток источник, который может быть подключен либо на передающей, либо на принимающей стороне. Сторона, формирующая ток, считается «активной», «пассивная» же находится всегда напротив активной. Различают три конфигурации интерфейса:

  1. Полностью активные интерфейсы TTY с источниками тока как ветви передатчика, так и в ветви приемника.
  2. Пассивные интерфейсы TTY без соответствующих источников стабилизированного тока.
  3. Полуактивные интерфейсы TTY с источником тока только на стороне передачи (TD).

Приемник (RD) является пассивным. Каждая токовая петля может работать лишь с одним источником тока. Разрешены только комбинации «полностью активный/пассивный» и «полуактивный/полуактивный». Такая передача данных может быть реализована на расстояния до 1000 м. Максимальная скорость передачи составляет 19200 бит/с.


С этим читают