Базовая система ввода-вывода (BIOS)

1.1 Структура ПЭВМ

Компьютер представляет собой устройство, способное исполнять четко опре­деленную последовательность операций, предписанную программой. Понятие «компьютер» является более широким, чем «электронно-вычислительная маши­на» (ЭВМ), поскольку в последнем явный акцент делается на вычисления.

Пер­сональный компьютер (ПК, персональная ЭВМ, ПЭВМ) характерен тем, что им может пользоваться один человек, не прибегая к помощи бригады обслуживающего персонала и не от­водя под него специального зала с поддержанием климата, мощной системой электропитания и прочими атрибутами больших вычислительных машин.

Этот компьютер обычно сильно ориентирован на интерактивное взаимодействие с одним пользователем, причем взаимодействие про­исходит через множество сред общения – от алфавитно-цифрового и графи­ческого диалога с помощью дисплея, клавиатуры и мыши до устройств виртуальной реальности [4].

Любой компьютер содержит следующие основные элементы (рис. 1):

1) микропроцессор (центральный процессор)

2) память;

3) шина;

4) каналы ввода-вывода;

5) накопитель (диск) (внешняя память);

6) дисплей.

Эти элементы необходимы для выполнения программ. Эффективность отдельных компонентов компьютера и их способность к эффективной работе определяют производительность всей машины.

Некоторые дополнительные компоненты, например клавиатура и мышь, позволяют взаимодействовать с программами, но не являются действительно необходимыми для их работы. Хотя в последнее время, с переходом на графические операционные системы, работа без них достаточно проблематична. Однако, если убрать микропроцессор, то компьютер просто перестанет быть самим собой. Без оперативной памяти не будут выполняться программы, отсутствие шины сделает невозможным взаимодействие компонентов, без диска нельзя запустить программы, а без дисплея – получать информацию об их работе.

Основная схема действия компьютера относительна проста. Процессор получает из памяти некоторую информацию (в виде инструкций) и «понимает», что необходимо сделать. Затем с диска или из памяти он извлекает новые данные, изменяет их, если нужно, и помещает обратно в память, на диск или дисплей. Процесс прерывается только после выключения компьютера (или вмешательства программ управления потреблением питания). Каждый шаг, на котором выдается инструкция или данные, ведет к передаче информации по шине и, возможно, по каналам ввода-вывода.

Рис. 1. Общая схема связей и операций в компьютере

На рис. 1 продемонстрирована связь между основными компонентами компьютера. Генератор тактовых импульсов («часы») синхронизирует работу схемы в целом. Часы управляют работой процессора и устанавливают требования для всех операций, осуществляемых другими компонентами системы. Каждая инструкция, выполняемая микропроцессором, запускается в начале тактового цикла. Инструкция занимает один или несколько циклов, и за один цикл можно выполнить несколько инструкций.

Существует большое количество ЭВМ, предназначенное для решения различных задач, которые отличаются различными способами соединения компонентов, но наиболее распространены персональные компьютеры (ПЭВМ), организацию которых мы и рассмотрим.

Организация персонального компьютера типа IBM PC.Компания IBM одной из первых предложила концепцию персонального компьютера с модульной конструкцией. Конструктивные решения, заложенные в первую модель IBM PC образца 1981 года, без каких-либо революционных изменений дошли и до наших дней. В классическом варианте исполнения персональный компьютер состоит из системного блока, к которому подключается клавиатура, дисплей (видеомонитор) и все периферийные устройства. Рассмотрим основные элементы системного блока, который состоит из следующих элементов:

­­1) системная (материнская) плата;

2) процессор;

3) память (оперативная память);

4) видеоадаптер (видеокарта);

5) дисковые накопители (жесткие диски, дисководы);

6) корпус с блоком питания;

7) различные платы расширения (не обязательны).

Системная плата (материнская плата, System Board или Motherboard).Основной частью любой компьютерной системы является печатная плата с главным процессором и поддерживающими его микросхемами.

Функционально центральную печатную плату можно описать различным образом. Иногда такая плата содержит всю схему компьютера. Такие компьютеры называются одноплатными. В противоположность одноплатным, в шинноориентированных компьютерах центральная плата реализует схему минимальной конфигурации. Остальные функции реализуются с помощью многочисленных дополнительных плат. Все компоненты соединяются параллельными проводниками – шиной, откуда и пошло это название.

Центральная плата, к которой присоединяются все остальные на компьютерном жаргоне называется материнской платой, а все присоединяемые дочерними.

Все основные поддерживающие схемы размещены на материнской плате и эта многофункциональная реализация платы отразилась в её названии – системная плата. С материнскими платами неразрывно связано и другое понятие – чипсет.

Чип (Chip) – это полупроводниковая микросхема, причем обычно неявно под­разумевается ее функциональная сложность. Чипсет (Chip Set) – это «набор интегральных схем, при подключении которых друг к другу формируется функциональный блок вычислительной системы» (формулировка из толкового словаря по вычислительным системам, к которой можно добавить слово «специализированных»). Чипсеты широко применяются в системных пла­тах, графических контроллерах и других сложных узлах, функции которых в одну микросхему заложить не удается. Они содеpжат в себе контpоллеpы пpеpываний, пpямого доступа к памяти, таймеpы, систему упpавления памятью и шиной – все те компоненты, котоpые в первых персональных компьютерах IBM PC были собpаны на отдельных микpосхемах. Обычно в одну из микpосхем набоpа входят также часы pеального вpемени с CMOS-памятью и иногда контроллер клавиатуры, однако эти блоки могут пpисутствовать и в виде отдельных чипов. В последнее время в состав наборов микросхем для интегрированных плат стали включать и контроллеры внешних устройств.

Внешне микросхемы Chipset'а выглядят, как самые большие после процессора, с количеством выводов от нескольких десятков до двух сотен. Название набора обычно происходит от маркировки основной микросхемы и даже с сокращениями, например Intel 82P965 – Intel P965[6].

В основном чипсет «состоит» из двух микросхем, которые «обвязывают» все элементы системы, их называют северными и южными мостами. Как правило, северный мост отвечает за связь процессора, памяти и видеоподсистемы, а южный мост – за работу периферийных устройств. В недорогих системах используют всего одну микросхему, которая выполняет все необходимые функции. Раньше, для соединения мостов между собой, использовались системные шины (например PCI), которые использовались для подключения плат расширения. В настоящее время, для повышения скорости обмена стали использоваться специализированные шины, соединяющие северный и южный мосты, примером является шина HyperTransport компании AMD.

Тип набора (чипсет) в основном определяет функциональные возможности платы: типы поддерживаемых процессоров, структуру, возможные сочетания типов и объемов модулей памяти, поддержка режимов энергосбережения, возможность программной настройки параметров и т.п. На одном и том же набоpе может выпускаться несколько моделей системных плат – это уже зависит от производителя, который предлагает как простейшие так и более "продвинутые" платы с дополнительно интегрированными контроллерами портов, дисков, видеоядром и т.п.

В качестве примера можно рассмотреть структурную схему чипсета Intel 845P представленную на рис. 2.

Он состоит из северного моста 8245E и южного моста ICH4. Данный чипсет поддерживает работу с процессорами Intel Pentium 4, памятью стандарта DDR с частотой 200/266 МГц и подключение видеокарт с интерфейсом AGP 4X. За счет южного моста возможна установка до 4-х жестких дисков с интерфейсом IDE (Parallel ATA 100), работа с шиной PCI с пропускной способностью 133 Мбайта/сек и USB 2.0 совместимыми устройствами, имеется поддержка 6-и канального звука и сетевого интерфейса Ethernet 10/100 Мбит/сек, но как правило они реализуются внешними контроллерами.

Структура материнской платы.Свойства и компоновку материнской платы можно варьировать, но основные элементы остаются неизменными. Любая материнская плата выпускается в определенном форм-факторе, определяющем размеры материнской платы, места крепления к корпусу и который влияет на компоновку элементов.

Рис. 2. Структурная схема чипсета Intel 845P для процессоров Intel Pentium 4

Самыми распространенными являются:

1) ATX – полноразмерные материнские платы размером 305х244 мм. Устанавливаются в корпуса формата MiniTower, FullTower;

2) MicroATX – платы размером 244х244 мм. Из-за уменьшения размеров количество слотов для плат расширения не превышает 4 шт;

3) Mini-ITX – форм-фактор, предложенный компанией VIA Technologies для компактных систем. Размеры 170х170 мм, количество слотов расширения не превышает 1 шт.

На рис. 3 изображена типовая ATX материнская плата для процессоров Intel Pentium 4.

Разъемы на материнской плате:

1) Гнездо для процессора. В данное гнездо устанавливается процессор. Обычно это гнездо называется сокетом. В зависимости от типа процессора (AMD, Intel) сокеты могут отличаться, поэтому важно, чтобы тип сокета процессора и материнской платы совпадали.

2) Разъем подключения ATX блока питания. Для любой электронной техники необходимо иметь источник питания – на материнской плате для подключения источника питания используются типовые разъемы, соответствующие стандарту ATX. Обычно это 20-и или 24-х контактный разъем. Для обеспечения достаточной мощности всем элементам материнской платы и платам расширения на плате размещается и дополнительный разъем питания – ATX 12V, который может быть 4-х или 8-и контактным (на рис. 3 это 4-х контактный разъем, находящийся между гнездом подключения процессора и разъемом подключения мыши).

3) Гнезда DIMM-памяти. Они необходимы для установки модулей оперативной памяти на материнскую плату. Обычно их называют слотами под оперативную память и их количество равно 2-4. Наличие нескольких слотов памяти позволяет увеличивать объем оперативной памяти и, если поддерживает чипсет, увеличивать полосу пропускания памяти.

4) Слот AGP. Специализированный разъем для подключения видеокарты.

5) Разъемы НГМД и НЖМД. Используются для подключения накопителей на гибких магнитных дисках (НГМД, флоппи-дисководы, floppy) и жестких магнитных дисков (НЖМД, HDD, Hard Disk Drives). Материнская плата может поддерживать несколько интерфейсов подключения жестких дисков: IDE (PATA) или SATA. На рис. 3 материнская плата поддерживает интерфейс подключения IDE (широкие разъемы).

Рис. 3. Материнская плата для процессоров Intel Pentium 4 (socket 478)

6) Батарейка. Является автономным источником питания. Благодаря ей обеспечивается сохранность настроек, произведенных в BIOS`е материнской платы при отключении питания компьютера.

7) PCI слоты. Предназначены для установки плат расширения с интерфейсом PCI (сетевые и звуковые карты, тв-тюнеры и т.п.).

8) GAME/MIDI-порт. Используется для подключения джойстика или MIDI-клавиатуры. В современных платах данный порт может отсутствовать, т.к. ему на "смену" пришел интерфейс USB.

9) USB-порты. Распространенный последовательный интерфейс к которому может быть подключено большинство периферийных устройств. Интерфейс USB версии 1.1 обеспечивает скорость обмена до 12 Мбит/сек, 2.0 – до 480 Мбит/сек. Более современный USB 3.0 – 5 Гбит/сек.

10) Аналоговые звуковые входы/выходы и микрофон. Входы и выходы для подключения аналоговой звуковой аппаратуры.

11) LPT-порт. Обеспечивает работу параллельного интерфейса Centronics. К данному порту подключается принтер, но в настоящее время не используется из-за прихода более скоростного и универсального интерфейса USB.

12) COM-порты. Последовательные порты, обычно к одному из портов подключается мышь.

13) Разъемы PS/2. Предназначены для подключения клавиатуры и мыши с соответствующими разъемами – в фиолетовый устанавливается клавиатура, в зеленый – мышь.

Системная плата отличается от одноплатного компьютера тем, что содержит только основные поддерживающие схемы. Системной плате не хватает видеоадаптера, некоторых видов памяти и средств связи с дополнительными устройствами. Эти устройства добавляются к системной плате путём присоединения дочерних к шине расширения, которая является частью системной платы. В терминах IBM эти присоединяемые платы обычно называются платами расширения.

Примечание: некоторые основные термины, относящиеся к материнским платам (и не только):

Платой расширения, или картой расширения (Expansion Card), называют пе­чатную плату с краевым разъемом, устанавливаемую в слот расширения. Карты расширения, привносящие в PC какой-либо дополнительный интерфейс, назы­вают интерфейсными картами (Interface Card). Поскольку интерфейсная карта представляет собой «приспособление» для подключения какого-либо устройст­ва, к ней применимо и название адаптер (Adapter). К примеру, дисплейный адаптер (Display adapter) служит для подключения дисплея(монитора). Адаптер и интерфейсная карта практически синонимы, и, например, NIC (Network In­terface Card – карта сетевого интерфейса) часто переводится как адаптер ЛВС (локальной вычислительной сети).

Слот (Slot) представляет собой щелевой разъем, в который устанавливается какая-либо печатная плата. Слот расширения (Expansion Slot) в PC представ­ляет собой разъем системной шины в совокупности с прорезью в задней стенке корпуса компьютера – то есть посадочное место для установки карты расши­рения. Слоты расширения имеют разъемы шин ISA/EISA, PCI, MCA, VLB или PC Card (PCMCIA). Внутренние слоты используются и для установки модулей оперативной памяти (DIMM), а также процессорных модулей (например процессоров Pentium II) и модулей памяти в некоторых моделях PC.

Сокет (Socket) представляет собой гнездо, в которое устанавливаются мик­росхемы. Его контакты рассчитаны на микросхемы со штырьковыми выводами в корпусах DIP, PGA во всех модификациях или же микросхемы в корпусах SOJ и PLCC с выводами в форме буквы «J». ZIF-Socket (Zero Insertion Force – с нулевым усилием вставки) предназначен для легкой установки при высокой надежности контактов. Эти гнезда имеют замок, открыв который можно уста­новить или изъять микросхему без приложения усилия к ее выводам. Для ра­боты после установки замок закрывают, при этом контакты сокета плотно обхватывают выводы микросхемы.

Джампер (Jumper) представляет собой съемную перемычку, устанавливаемую на торчащие из печатной платы штырьковые контакты (рис. 4, а). Джамперы используются для конфигурирования различных компонентов как выключатели или переключатели, для которых не требуется оперативного управления. Джамперы переставляют с помощью пинцета, что рекомендуется делать только при выключенном питании, поскольку есть опасность их уронить в неподходящее место или закоротить пинцетом близко расположенные контакты.

а) джампер б) DIP-переключатель

Рис 4. Аппаратные средства конфигурирования

DIP-переключатели (DIP Switches) представляют собой малогабаритные вы­ключатели в корпусе DIP (рис. 4, б), применяемые для тех же целей, что и джамперы. Их преимущество в более легком переключении, которое удобно производить шариковой ручкой. Недостатком переключателей является боль­шее, по сравнению с джамперами, занимаемое на плате место и более высо­кая цена. Кроме того, несмотря на название, они обычно являются только выключателями, что делает их применение менее гибким, чем применение джамперов.

В современных компонентах стремятся сокращать количество переключате­лей или джамперов, стараясь переложить все конфигурационные функции на программно-управляемые электронные компоненты. Платы (карты), в которых удается изжить джамперы полностью (но которые требуют конфигурирования), называют Jumperless Cards – карты, свободные от джамперов. Компоненты, ко­торые после установки конфигурируются автоматически, относят к классу PnP (Plug and Play – вставляй и играй). Практически все современные карты относятся к классу PnP.

Процессор (CPU, Central Processor Unit, центральный процессорный элемент) является основным компонентом любого ПК (рис. 5). Он осуществляет выполнение программ, работающих на компьютере, и управляет работой остальных устройств компьютера. Скорость его работы во многом определяет быстродействие компьютера.

Рис. 5. Процессоры Intel и AMD

В общем микропроцессоры отличаются друг от друга двумя характеристиками: типом (моделью) и тактовой частотой. В зависимости от типа процессора он может отличаться частотой и иметь различную внутреннюю организацию (даже одного производителя), но при этом разные процессоры могут быть совместимы на уровне функционирования операционной системы и программ, поддерживая архитектуры x86 (IA-32), x86-64.

Основными производителями процессоров для персональных компьютеров являются компании AMD и Intel. В настоящее время выпускаются многоядерные процессоры, внутри которых находятся несколько независимых вычислительных ядер. Некоторые из серий современных процессоров могут иметь встроенное видеоядро, способное взять на себя функции декодирования видеопотока.

Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет в одну секунду. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц) или гигагерцах (ГГц).

Следует заметить, что разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции (например, сложение или умножение) за разное число тактов. Чем выше модель микропроцессора, тем, как правило, меньше тактов требуется для выполнения одних и тех же операций.

Наиболее распространены серии процессоров Intel под разные сокеты:

1) под сокет 775 – Celeron D (одноядерные); Celeron Dual-Core (двухядерные);

2) под сокет 1155 – Celeron G и Pentium G (двухядерные); Core i3 (двухядерные с технологией HyperThreading – логические 4-е ядра); Core i5 (четырехядерные с технологией Turbo Boost, повышающей частоту процессов выше номинала при повышенной нагрузке); Core i7 (четырехядерные с технологией HyperThreading и Turbo Boost – 8-ь логических ядер). Каждая из серий процессоров под данный сокет имеет встроенное видеоядро Intel HD Graphics разных модификаций.

Серии процессоров AMD:

1) сокет AM3+ – Sempron (одноядерные); Athlon II X2, X3 и X4 (двух-, трех- и четырехядерные); Phenom II X2, X3, X4 и X6 (двух-, трех-, четырех- и шестиядерные, имеют общую кеш-память третьего уровня L3); FX-4xxx, FX-6xxx и FX-8xxx (четырех-, шести- и восьмиядерные с технологией Turbo Core, повышающей частоту ядер при повышении нагрузки).

2) Сокет FM1 – Athlon II X2, X3 и X4 (двух-, трех- и четырехядерные), серия A4 (двухядерные), A6 (трех-, четырехядерные) и A8 (четырехядерные). Серии A4, A6 и A8 отличаются между собой типом интегрированного видеоядра: Radeon HD 6410D, 6530D и 6550D соответственно.

Сопроцессор– специальная интегральная схема, которая работает в содружестве с главным процессором. Сопроцессор – это обычный микропроцессор, но не столь универсальный. Обычно сопроцессор разрабатывается как специальное устройство по реализации конкретно определенной функции. Так набор команд сопроцессора ограничен, но эти операции сопроцессор может реализовать во много раз быстрее, чем главный процессор. Таким образом, компьютер с сопроцессором работает намного быстрее.

В обычном режиме микропроцессор выполняет все функции компьютера. И лишь когда встречается задача, с которой лучше справится сопроцессор, ему передаются данные и команды управления, а центральный процессор ожидает результаты. Сопроцессоры, большей частью использующиеся в PC, являются математическими сопроцессорами. В математике они специализируются по умножению и делению чисел. Математические сопроцессоры называют ещё процессорами с плавающей запятой (Float Point Unit, FPU), потому что они особенно ярко проявляют свои возможности в этой области математики.

В современных процессорах математический сопроцессор является встроенным, т.е. размещается внутри процессора как отдельный функциональный блок.

Графический сопроцессор входит в состав видеокарты и имеет собственные вычислительные блоки (Graphic Processor Unit, GPU) для ускорения обработки видео и конструирования 3D-сцен. Хотя в последнее время они стали интегрироваться в некоторые модели процессоров.

Память. Для работы всем компьютерам требуется память нескольких видов. Память требуется на каждом шаге выполнения программ. Память нужна как для исходных данных, так и для хранения результатов. Она необходима для взаимодействия с периферией компьютера и даже для поддержания образа, видимого на экране. Вся память компьютера делится на внутреннююи внешнюю:

1) внутренняя память – электронная (полупроводниковая) память, уста­навливаемая на системной плате или на платах расширения (это может быть оперативная память, постоянная память, кеш и т.п.);

2) внешняя память – память, реализованная в виде устройств с различными принципами хранения информации и обычно с подвижными носителями. В настоящее время сюда входят устройства магнитной (дисковой и лен­точной) памяти, оптической и магнитооптической памяти. Устройства внешней памяти могут размещаться как в системном блоке компьютера, так и в отдельных корпусах.

Для подсистемы памяти важными параметрами являются следующие:

1) объем хранимой информации. Чем больше объем, тем больше программ и данных можно на ней хранить. Максимальный (в принципе неограниченный) объем хранят ленточные и дисковые устройства со сменными носителями (несколько десятков терабайт), за ними идут дисковые накопители (пределом на сегодня является диск емкостью 4 терабайта), и завершает этот ряд оперативная память (гигабайты);

2) время доступа – усредненная задержка начала обмена полезной информацией относительно появления запроса на данные. Минимальное время доступа имеет оперативная память (десятки наносекунд), за ней идет дисковая (миллисекунды) и после нее – ленточная (сотни миллисекунд/секунды);

3) скорость обмена при передаче потока данных (после задержки на время доступа). Максимальную скорость обмена имеет оперативная память (около десятка гигабайт), за ней идет дисковая (около 100 Мбайт/сек) и после нее – ленточная (~Гбайт/мин);

4) удельная стоимость хранения единицы данных – цена накопителя (с носителями), отнесенная к единице хранения (байту или мегабайту). Минимальную стоимость хранения имеют ленточные устройства со сменными носителями, их догоняют дисковые накопители, а самая дорогая – оперативная память.

В компьютерных системах работа с памятью основывается на очень простых концепциях. В принципе, всё, что требуется от компьютерной памяти, – это сохранять один бит информации так, чтобы потом он мог быть извлечён оттуда.

В настоящее время широкое распространение получили устройства динамической памяти, базирующиеся на способности сохранять электрический заряд. Эти устройства – конденсаторы.

С первого взгляда конденсатор не удовлетворяет основному требованию устройств памяти. Он не способен сохранять заряд в течение длительного промежутка времени, но он позволяет делать это в течение нескольких миллисекунд, что вполне достаточно, чтобы использовать это в электронике. За это время специальные цепи компьютера обеспечивают подзарядку конденсатора, то есть обновление информации. Из-за непрерывной природы этого процесса такая память называется динамической.

В современных персональных компьютерах динамическая память реализуется на базе специальных цепей проводников, заменивших обычные конденсаторы. Большое количество таких цепей объединяются в корпусе одного динамического чипа (микросхемы). Однако подобно памяти на конденсаторах, она должна постоянно обновляться.

Для достижения нужной емкости или разрядности памяти микросхемы памяти могут объединяться образуя модуль памяти(рис. 6).

Обычно оперативная память (ОЗУ, оперативное запоминающее устройство) стоится на динамической памяти и называется DRAM (Dynamic Random Access Memory, динамическая память с произвольным доступом). С ней как правило связано и понятие модуль памяти.

Рис. 6. Модуль памяти стандарта DIMM DDR

Модули оперативной памяти так же имеют свой форм-фактор:

1) SIMM (Single In-line Memory Module) – это односторонний модуль памяти, имеющий 30-и (разрядность шины данных 8 бит) и 72-х контактную реализацию (разрядность шины данных 32 бита). В настоящее время эти модули памяти устарели и не используются при производстве персональных компьютеров:

2) DIMM (Dual In-line Memory Module) – двухсторонний модуль памяти (контакты расположены с обоих сторон модуля и являются независимыми в отличии от SIMM. Они поддерживают функцию обнаружения и исправления ошибок. На базе модулей DIMM реализованы типы современные типы памяти DDR, DDR II (DDR2), DDR III (DDR3), отличающиеся рабочим напряжением питания, скоростью обмена и разным количеством контактов (рис. 7).

Рис. 7. Модули памяти

Аббревиатура DDR расшифровывается как Double Data Rate – удвоенная скорость передачи. Это означает, что за один такт выполняются две операции с данными.

Помимо динамической есть и статическая память, которая, получив заряд электричества, удерживает его и позволяет потоку электронов циркулировать по цепи. Прикладываемое напряжение может изменить направление движения электронов. Причем существует только два направления движения потока, что позволяет использовать данные цепи в качестве элементов памяти. Статическая память работает наподобие выключателя, который переключает направление электронного потока. Статическая память достаточно дорогая в производстве, но при этом обеспечивает более высокую скорость обмена, поэтому в основном она используется в процессорах в качестве кеш-памяти (быстрая память для хранения наиболее часто используемых данных).

Кроме оперативной памяти существует ещё и постоянная память (ПЗУ, ROM, Read-only Memory, память только для чтения). Её главное отличие от ОЗУ – невозможность в процессе работы изменить состояние ячеек ПЗУ. В свою очередь и эта память делится на постоянную и репрограммируемую. Как правило в ПЗУ размещается BIOS (базовая система ввода-вывода) (функции BIOS описываются в лабораторной работе №2). Более подробно материал про различные виды памяти освещен в источнике [7].

Видеоадаптеры (видеокарта, графический адаптер) – это электронная плата, которая обрабатывает видеоданные (текст и графику) и управляет работой дисплея. Видеоадаптер определяет разрешающую способность дисплея и количество цветов. Видеоадаптер содержит видеопамять, регистры ввода вывода и модуль BIOS. Видеоадаптер посылает в дисплей сигналы управления яркостью лучей и сигналы развертки изображения.

Первоначально основное назначением видеоадаптеров (видеокарт) было вывод информации на монитор. Позднее стал применяться термин видеокарта, т.к. ее неотъемлемой частью стал графический ускоритель.

Современная видеокарта (рис. 8), как правило, еще является и ускорителем вывода двух- и трехмерной компьютерной графики. Для этого в них используются графические процессоры(сопроцессоры) (GPU, Graphic Processor Unit, графический процессорный элемент). Некоторые видеокарты ускоряют воспроизведение видео (DVD и видео-CD) за счет выполнения части (или всех) операций по обработке видеопотока. В последнее время, благодаря существенному увеличению вычислительной мощности и масштабируемой архитектуре GPU) видеокарты могут использоваться и в суперкомпьютерах.

Рис. 8. Видеокарта с интерфейсом PCI-E x16

Видеокарты могут быть подключены к материнской плате через интерфейсы:

1) AGP (Accelerated Graphics Port) – ускоренный графический порт, сменивший в свое время интерфейс PCI из-за недостаточной пропускной способности. Частота функционирования 66 МГц. Версии AGP 2x/4x/8x определяли количество передаваемой информации. Скорость передачи данных составляет 0,5/1/2 Гбайта/сек соответственно. В настоящее время устарел и видеокарты с данным типом интерфейса производятся в небольшом количестве.

2) PCI-Express (PCI-E) – компьютерная шина, использующая программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол на последовательной передаче данных. В первой версии PCI-E x1 1.0 пропускная способность шины при передаче в обоих направлениях (дуплекс) составляла 4 Гбита/сек. При этом, для увеличения полосы пропускания, для передачи данных между двумя устройствами может быть установлено несколько связей. Количество таких связей может составлять 16 и обычно это указывается в интерфейсе, как PCI-E x16.

Основными производителями GPU являются компании AMD (Radeon`ы) и Nvidia (семейство Geforce с различными моделями для рынка ПК и Quadro для профессиональной графики). Производителей видеокарт еще больше: Asus, Gigabyte, MSI и т.д.

Жесткий диск (HDD, hard disk, «винчестер», «винт», «хард») – основное энергозависимое устройство хранения больших объемов информации, записываемой на одну или несколько пластин, защищенных жестким корпусом (рис. 9, а).

а) б)

Рис. 9. Жесткий диск (а) и кабели для подключения накопителей (б)

Начав своё шествие с объема в 5 Мбайт, жесткие диски, на текущий момент, достигли емкости 4 Тбайт. Основной форм-фактор жесткого диска составляет 3.5", в портативных компьютерах 2.5".

В качестве интерфейсов подключения (рис. 9, б) используются:

1) IDE (PATA, Parallel ATA) – распространенный интерфейс для подключения накопителей к материнской плате. Он является параллельным и в зависимости от версии и режима обмена (PIO – программный обмен или Ultra DMA – с использованием прямого доступа к памяти) обеспечивает скорость передачи 3,3 до 133 Мбайт/сек. В настоящее время вытесняется более современным интерфейсом SATA;

2) SATA (Serial ATA) – последовательный интерфейс ATA. За счет перехода к последовательному режиму передачи данных появилась возможность увеличения частоты работы шины и как следствие возросла теоретическая скорость обмена. SATA 1.0 обеспечивал скорость передачи до 150 Мбайт/сек. Современные версии SATA 2 и SATA способны передавать данные на скорости до 300 и 600 Мбайт/сек соответственно.

На сегодняшний день в продаже можно встретить жесткие диски компаний Hitachi, Samsung, Seagate, Toshiba, Western Digital.

Примечание: Постепенно наблюдается переход к более быстрым (и дорогим!) системам хранения данных – SSD-накопителям (Solid State Disk, твердотельный накопитель), в котором для хранения данных используются микросхемы памяти (флеш-память). Такой подход позволяет существенно повысить скорость передачи (200-550 Мбайт/сек), однако из-за высокой цены их емкость достигает 512 Гбайт, другой особенностью, с которой "борются" производители SSD-накопителей – это увеличение ресурса работы накопителей, т.к. микросхемы флеш-памяти имеют ограниченное число циклов перезаписи (10-100 тыс. раз).

Дисковод для гибких магнитных дисков (FDD, Floppy Disk Drive, флоппи-дисковод, НГМД, накопитель для гибких магнитных дисков) – устройство, которое обеспечивает чтение и запись информации на дискеты (наиболее традиционный, хотя и малоемкий сменный носитель) (рис. 10).

Рис. 10. Флоппи-дисковод

Примечание: В последнее время роль устройств для переноса информации играют Flash-носители («флешки»), основным отличием которых является высокая скорость передачи информации и большая емкость (относительно дискет). Для их подключения используются USB-порты или кардридеры. Кардридер (Card Reader) – это устройство чтения карт памяти. Они бывают внутренние (устанавливаются в системный блок) и внешние (как правило подключаются к порту USB). В настоящее время кардридеры практически полностью вытеснили флоппи-дисководы.

Рис. 11. Внутренний кардридер

Оптические устройства (CD-ROM, DVD-ROM). Привод CD-ROM– устройство чтения компакт-дисков. Как музыкальных, так и дисков с компьютерными данными. С одной стороны оптические устройства не является необходимой для функционирования компьютера частью, но становится всё более и более популярным в связи с тенденцией поставлять профессиональное, обучающее и игровое программное обеспечение на оптических дисках. С ростом объема обрабатываемой информации возникает вопрос хранения этих объемов и как следствие - развитие устройств хранения. В настоящее время активно используют DVD- и Blu-Ray приводы с соответствующими носителями информации.

Рис. 12. Устройство чтения DVD-ROM

В данных устройствах используются такие же интерфейсы, что и в жестких дисках: IDE или S