Архитектура современных ПЭВМ основана на магистрально-модульном принципе. Этот принцип позволяет пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию.
Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, адресную шину и шину управления. К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации.
Модульная организация системы опирается на магистральный принцип обмена информацией (рис. 4.4). Системная шина – набор электрических линий, связывающих воедино все устройства ЭВМ и передающих сигналы между центральным процессором и периферийными устройствами. Обмен информацией между отдельными устройствами компьютера производится по трем шинам (многопроводным линиям связи), соединяющим все модули компьютера.
Процессор выполняет арифметические и логические операции, взаимодействует с памятью, управляет и согласует работу периферийных устройств. Подключение отдельного модуля компьютера к магистрали на физическом уровне обеспечивают контроллеры, на программном уровне – драйверы. Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответствующее устройство смогло принять этот сигнал и правильно на него отреагировать. За реакцию устройства отвечает не процессор, а контроллер, поэтому внешние устройства ЭВМ заменяемы.
Шина данных. Информация по шине данных может передвигаться от процессора к любому устройству в любом направлении. К основным режимам работы шины передачи данных можно отнести следующие: запись, чтение данных с устройств ввода, из ОЗУ, пересылка данных на устройства вывода. Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т.е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт.
Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине.
Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают, какую операцию – считывание или запись информации из памяти – нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т.д.
Системный блок. Системный блок – функциональный элемент, защищающий внутренние компоненты ПК от внешнего воздействия и механических повреждений, поддерживающий необходимый температурный режим внутри системного блока, экранирующий создаваемые внутренними компонентами электромагнитное излучение. Он является основой для дальнейшего расширения системы. Системные блоки чаще всего изготавливаются из деталей на основе стали, алюминия и пластика, также иногда используются такие материалы, как древесина или органическое стекло.
Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называются внутренними, а подключаемые к нему снаружи – внешними.
По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса: горизонтальные (Desktop) и вертикальные (Big Tower, Midi Tower, Mini Tower). Среди корпусов, имеющих горизонтальное исполнение, выделяют плоские и особо плоские (Slim). В зависимости от габаритов системного блока в нем может быть расположено различное количество внутренних устройств.
Кроме размера для корпуса важен параметр, называемый форм-фактором, от которого зависят требования к размещаемым устройствам. В основном используются корпуса форм-фактора АТХ. Форм-фактор корпуса должен быть обязательно согласован с форм-фактором материнской платы компьютера. Ниже приведены примеры системных блоков (рис. 4.5).
Монитор. Это устройство визуального представления данных. Это главное устройство вывода. Существуют мониторы двух основных типов: на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) и плоские жидкокристаллические (ЖК).
Основные параметры монитора: размер и шаг маски экрана, максимальная частота регенерации изображения, класс защиты. Размер монитора измеряется между противоположными углами трубки кинескопа по диагонали: 15, 17, 19, 20, 21 дюйм.
Жидкокристаллический дисплей (ЖК-дисплей, ЖК-монитор – Liquid Crystal Bisplay, LCD) – плоский дисплей на основе жидких кристаллов, а также монитор на основе такого дисплея (рис. 4.6).
LCD TFT (Thin Film Transistor – тонкопленочный транзистор) – разновидность жидкокристаллического дисплея, в котором используется активная матрица, управляемая тонкопленочными транзисторами. Усилитель TFT для каждого субпикселя применяется для повышения быстродействия, контрастности и четкости изображения дисплея.
На экране ЖК-монитора изображение образуется в результате прохождения белого света лампы подсветки через ячейки, прозрачность которых зависит от приложенного напряжения.
Элементарная триада состоит из трех ячеек зеленого, красного, синего цветов и соответствует одному пикселю экрана. Размер монитора по диагонали и разрешение экрана однозначно определяют размер такой триады и тем самым зернистость изображения.
Каждый пиксель ЖК-дисплея состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами и двух поляризационных фильтров, плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны. В отсутствие жидких кристаллов свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокируется вторым.
Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальной ориентации молекул в одном направлении. В TN-матрице эти направления взаимно перпендикулярны, поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается и через него свет проходит уже без потерь. Если не принимать во внимание поглощение первым фильтром половины неполяризованного света, ячейку можно считать прозрачной.
Если же к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся выстроиться в направлении электрического поля, что искажает винтовую структуру. При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельными, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение, можно управлять степенью прозрачности.
Если постоянное напряжение приложено в течение долгого времени, жидкокристаллическая структура может деградировать из-за миграции ионов. Для решения этой проблемы применяется переменный ток или изменение полярности поля при каждой адресации ячейки (так как изменение прозрачности происходит при включении тока вне зависимости от его полярности).
Во всей матрице можно управлять каждой из ячеек индивидуально, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растет число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по строкам и столбцам.
Проходящий через ячейки свет может быть естественным – отраженным от подложки (в ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще применяют искусственный источник света, кроме независимости от внешнего освещения это также стабилизирует свойства полученного изображения.
Таким образом, полноценный ЖК-монитор состоит из электроники, обрабатывающей входной видеосигнал, ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса. Именно совокупность этих составляющих определяет свойства монитора в целом, хотя некоторые характеристики важнее других.
Изображение на экране ЭЛТ-монитора получается в результате облучения люминофорного покрытия остронаправленным пучком электронов, разогнанных в вакуумной колбе. Для получения цветного изображения люминофорное покрытие имеет точки или полоски трех типов, святящиеся красным, зеленым и синим цветами. Чтобы на экране все три луча сходились строго в одну точку и изображение было четким, перед люминофором ставят маску – панель с регулярно расположенными отверстиями или щелями. Чем меньше шаг между отверстиями или щелями (шаг маски), тем четче и точнее полученное изображение.
Частота регенерации (обновления) изображения, или частота кадров, показывает, сколько раз в течение секунды монитор может полностью сменить изображение. Минимальное значение – 75 Гц, нормативное – 85 Гц, комфортное – более 100 Гц. У ЖК-мониторов изображение более инерционное, так что мерцание подавляется автоматически. Для них частота обновления 75 Гц уже считается комфортной.
Класс защиты монитора определяется стандартом, которому соответствует монитор с точки зрения требований техники безопасности; так, стандарт ТСО-99 установил самые жесткие нормы по параметрам, определяющим качество изображения (яркость, контрастность, мерцание, антибликовые свойства покрытия).
Клавиатура. Стандартная клавиатура имеет более 100 клавиш, функционально распределенных по группам: алфавитно-цифровые, группа функциональных клавиш F1-F12, служебные клавиши, клавиши управления курсором. Специальные клавиатуры предназначены для повышения эффективности процесса ввода данных за счет изменения формы клавиатуры, раскладки ее клавиш или метода подключения к системному блоку (проводные и беспроводные с использованием инфракрасного луча). Клавиатуры, имеющие специальную форму, рассчитанную с учетом требований эргономики, называют эргономичными. В настоящее время существуют клавиатуры с оптимизированной раскладкой клавиш (клавиатуры Дворака), но работе на них надо учиться специально.
Клавиатура служит для ввода команд и текстовой информации на английском или других языках. На клавиатуре выделяют четыре группы клавиш.
1. Функциональные клавиши (F1-F12) в разных программах выполняют различные команды.
2. Алфавитно-цифровая клавиатура (48 клавиш в 5 рядах) служит для ввода букв, цифр и других символов. Каждая клавиша алфавитно-цифровой клавиатуры имеет два регистра. В нижнем регистре, который работает постоянно, вводятся строчные буквы и цифры. В верхнем регистре, который работает, только если нажата клавиша Shift, вводятся прописные буквы и специальные символы.
К алфавитно-цифровой клавиатуре примыкают служебные клавиши.
Esc позволяет отказаться от выполнения некоторых команд или закрыть диалоговое окно программы.
Tab (табулятор) создает длинный пробел (табуляцию) между символами.
Caps Lock включает режим постоянного ввода прописных букв.
Enter создает новый абзац, а также используется для ввода команды.
Backspace удаляет символ слева от текстового курсора.
Delete удаляет символ справа от текстового курсора.
С помощью клавиш Shift, Ctrl, Alt создаются «горячие клавиши» – сочетания клавиш, за которыми закреплено быстрое выполнение различных команд.
3. Клавиши управления курсором: Номе – в начало текущей строки, End – в конец строки, Page Up – вверх на экран, Page Down ~ вниз на экран. Четыре клавиши со стрелками (вверх, вниз, влево, вправо) передвигают курсор в указанном стрелками направлении.
4. Цифровая клавиатура работает в двух режимах, которые изменяются клавишей Num Lock:
– режим 1 – индикатор Num Lock горит: можно вводить цифры и знаки арифметических операций;
– режим 2 – индикатор Num Lock не горит: клавиши работают в режиме управления курсором.
Устройства командного управления. Мышь – устройство управления манипуляторного типа. Она нуждается в поддержке специальной системной программы – драйвера мыши. Кроме обычной мыши существуют другие манипуляторы, например трекболы, пенмаусы, инфракрасные мыши.
В 1967 г. Д. Энгельбарт получил патент на «индикатор координат X – Y для системы вывода изображений», сейчас хорошо известный как манипулятор типа мышь. Первая мышь каталась на двух колесиках, которые были связаны с осями переменных резисторов (рис. 4.7). Перемещение такой мыши было прямо пропорционально изменению сопротивления переменных резисторов.
Трекбол, в отличие от мыши, устанавливается стационарно, и его шарик приводится в движение ладонью руки (рис. 4.8). Преимущество трекбола состоит в том, что он не нуждается в гладкой рабочей поверхности, поэтому трекболы нашли широкое применение в портативных персональных компьютерах.
В портативных компьютерах вместо трекболов используются тачпады – сенсорные пластины, реагирующие на движение пальца пользователя по поверхности. Удар пальцем по поверхности тачпада воспринимается как нажатие кнопки. Недостатком является невысокая точность.
Пенмаус представляет собой аналог шариковой авторучки, на конце которой вместо пишущего установлен узел, регистрирующий величину перемещения.
Инфракрасная мышь отличается от обычной наличием устройства беспроводной связи с системным блоком. Для компьютерных игр в некоторых специализированных имитаторах применяются манипуляторы рычажно-нажимного типа — джойстики и аналогичные им джойпады, геймпады и штурвально-педальные устройства, которые подключаются к специальному порту, имеющемуся на материнской плате, или к порту USB.