Для обеспечения максимальной производительности и корректной работы используют аппаратные и программные средства, которые очень связаны между собой и четко взаимодействуют в разных направлениях. Сейчас коснемся рассмотрения аппаратных средств, поскольку изначально именно они занимают главенствующее положение в обеспечении работоспособности любой компьютерной или даже мобильной системы.
Аппаратные средства систем: общая классификация
Итак, с чем же мы имеем дело? На самом деле комплекс аппаратных средств знаком всем и каждому. По сути, многие пользователи называют его компьютерным «железом». Действительно, аппаратные средства - это именно «железные», а не программные компоненты любой компьютерной системы. В самом простом варианте классификации они разделяются на внутренние и внешние.
Кроме того, в таком разделении можно выделить три основных и наиболее содержательных класса устройств:
- устройства ввода;
- устройства вывода;
- устройства хранения информации.
Естественно, отдельно стоит отметить и главные элементы компьютерных систем вроде материнской платы, процессора и т. д., не входящие ни в один из вышеперечисленных классов и являющиеся базовыми элементами, без которых ни один компьютер попросту работать не будет.
Базовые элементы компьютера
Описывая аппаратные средства любого компьютера, начать стоит с самого главного элемента - материнской платы, на которой расположены все внутренние элементы. И к ней же за счет применения разного рода разъемов и слотов подключаются внешние устройства.
Сегодня существует достаточно много разновидностей «материнок» и их производителей. Правда, такие платы для стационарных компьютеров и ноутбуков и по форме, и по расположению отдельных элементов могут различаться. Тем не менее суть их применения в компьютерных системах не меняется.
Второй по важности элемент - центральный процессор, который отвечает за быстродействие. Одной из главных характеристик является тактовая частота, выраженная в мега- или гигагерцах, а проще говоря, величина, определяющая, сколько элементарных операций может производить процессор за одну секунду. Нетрудно догадаться, что быстродействие есть не что иное, как отношение количества операций к числу тактов, которое необходимо для выполнения (вычисления) одной элементарной операции.
Аппаратные средства компьютера невозможно себе представить без планок оперативной памяти и жестких дисков, которые относятся к устройствам хранения. О них будет сказано несколько позже.
Программно-аппаратные средства
В современных компьютерах применяются и устройства гибридного типа, такие, например, как ПЗУ или постоянная энергонезависимая память CMOS, которая является основой базовой системы ввода/вывода, называемой BIOS.
Это не только «железный» чип, распложенный на материнской плате. В нем имеется собственная микропрограмма, позволяющая не только хранить неизменяемые данные, но и проводить тестирование внутренних компонентов и в момент включения компьютера. Наверное, многие владельцы стационарных ПК замечали, что в момент включения слышен сигнал системного динамика. Это как раз и свидетельствует о том, что проверка устройств прошла успешно.
Средства ввода информации
Теперь остановимся на устройствах ввода. На данный момент их разновидностей можно насчитать достаточно много, а судя по развитию IT-технологий, вскоре их станет еще больше. Тем не менее базовыми в этом списке принято считать следующие:
- клавиатура;
- мышь (трекпад для ноутбуков);
- джойстик;
- цифровая камера;
- микрофон;
- внешний сканер.
Каждое из этих устройств позволяет ввести разный тип информации. К примеру, с помощью сканера вводится графика, с помощью камеры - видеоизображение, на клавиатуре - текст и т. д. Однако и мышь, и трекпад в дополнение ко всему являются еще и контроллерами (манипуляторами).
Что касается клавиатуры, контролирующие функции в ней используются через кнопки или их сочетания. При этом можно получить и доступ к определенным функциям, параметрам и командам операционных систем или другого программного обеспечения.
Средства вывода информации
Аппаратные средства невозможно представить себе и без устройств вывода. В стандартном списке присутствуют следующие:
- монитор;
- принтер;
- плоттер;
- звуковая и видеосистема;
- мультимедийный проектор.
Здесь основным является компьютерный монитор или экран ноутбука. Понятно ведь, что при современных методах объектно-ориентированного программирования взаимодействие с пользователем осуществляется через графический интерфейс, хотя в равной степени такая ситуация применима и к системам, в которых предполагается ввод команд. В любом случае пользователь должен видеть то, что отображается на экране.
Что же касается остальных элементов, они желательны, хотя и не обязательны (ну разве что графический адаптер, без которого современные системы могут и не работать).
Средства хранения информации
Наконец, один и самых важных классов - устройства хранения информации. Их наличие, будь то внутренние компоненты или внешние носители, просто обязательно. К этому классу относят следующие разновидности:
- жесткий диск (винчестер);
- оперативная память;
- кэш-память;
- внешние накопители (дискеты, USB-устройства).
Иногда сюда включают также систему BIOS с CMOS-памятью, однако, как уже было сказано выше, это скорее гибридные устройства, которые можно отнести в равной степени к разным категориям.
Безусловно, главное место здесь занимают жесткие диски и «оперативка». Жесткий диск - это аппаратное средство информации (вернее, средство ее хранения), ведь на нем она хранится постоянно, а в оперативной памяти - временно (при запуске или функционировании программ, копировании содержимого в и т. д.).
При выключении компьютера оперативная память автоматически очищается, а вот информация с винчестера никуда не девается. В принципе, сейчас с винчестером конкурируют и съемные носители вроде USB-устройств большой емкости, а вот дискеты и оптические диски уходят в небытие хотя бы по причине их малой емкости и возможности физических повреждений.
Устройства связи
Необязательным классом, хотя в современном мире и очень востребованным, можно назвать и устройства, отвечающие за обеспечение связи как между отдельными компьютерными терминалами, связанными напрямую, так и в сетях (или даже на уровне выхода в Интернет). Здесь из основных устройств можно выделить такие:
- сетевые адаптеры;
- маршрутизаторы (модемы, роутеры и т. д.).
Как уже понятно, без них не обойтись при организации сетей (стационарных или виртуальных), при обеспечении доступа во Всемирную паутину. А ведь мало кто сегодня знает, что два компьютера, например, можно соединять посредством кабеля напрямую, как это делалось лет двадцать назад. Конечно, это выглядит несколько непрактично, тем не менее, забывать о такой возможности не стоит, особенно когда нужно копировать большие объемы информации, а подходящего носителя под рукой нет.
Устройства безопасности и защиты данных
Теперь еще об одном типе устройств. Это аппаратные средства защиты, к которым можно отнести, например, «железные» сетевые экраны, называемые еще файрволлами (firewall с английского - «огненная стена»).
Почему-то сегодня большинство юзеров привыкло, что файрволл (он же брэндмауэр) представляет собой исключительно Это не так. При организации сетей с повышенным уровнем безопасности применение таких компонентов не то что желательно, а иногда даже просто необходимо. Согласитесь, ведь программная часть не всегда справляется со своими функциями и может вовремя не отреагировать на вмешательство в работу сети извне, не говоря уже о доступе к хранящейся на жестких дисках компьютеров или серверов.
Взаимодействие программных и аппаратных средств
Итак, аппаратные средства мы вкратце рассмотрели. Теперь несколько слов о том, как они взаимодействуют с программными продуктами.
Согласитесь, у операционных систем, которые и обеспечивают доступ пользователя к вычислительным возможностям ПК, есть свои требования. Современные «операционки» пожирают столько ресурсов, что с устаревшими процессорами, в которых не хватает вычислительной мощности, или при отсутствии необходимого объема оперативной памяти они работать просто не будут. Это, кстати, в равной степени относится и к современным прикладным программам. И, конечно же, это далеко не единственный пример подобного взаимодействия.
Заключение
Напоследок стоит сказать, что аппаратная часть современного компьютера была рассмотрена достаточно кратко, однако сделать выводы о классификации основных элементов системы можно. Кроме того, стоит обратить внимание, что компьютерная техника развивается, а это ведет еще и к тому, что внешних и внутренних устройств разного типа появляется все больше (взять хотя бы виртуальные шлемы). Но что касается базовой конфигурации, в данном случае приведены самые главные компоненты, без которых сегодня невозможно существование ни одной компьютерной системы. Впрочем, здесь по понятным причинам не рассматривались мобильные девайсы, ведь у них устройство несколько отличается от компьютерных терминалов, хотя и имеется довольно много общего.
Для обеспечения максимального уровня производительности и корректной работы используются аппаратные и программные средства, которые связаны между собой и могут взаимодействовать в различных направлениях. Сегодня мы коснемся вопроса аппаратных средств, так как именно они изначально занимают главное положение при обеспечении работоспособности любой компьютерной или мобильной системы.
Аппаратные средства систем: общая классификация
Давайте разберемся, с чем же нам все-таки предстоит иметь дело. Комплекс аппаратных средств на самом деле должен быть знаком всем и каждому. По сути это то, что пользователи называют компьютерным железом. И действительно, аппаратные средства представляют собой именно «железные», а не программные компоненты компьютерной системы. В самом простом варианте классификации данные средства делятся на внешние и внутренние. Также в таком разделении можно выделить три основных и наиболее содержательных типа устройства: устройства ввода, устройства вывода и устройства хранения информации. Отдельно стоит отметить и главные компоненты компьютера, такие как процессор, материнская плата и т.п. Они не входят ни в один из перечисленных выше классов и являются базовыми элементами компьютера, без которых он просто не сможет работать.
Базовые компоненты ПК
При описании аппаратных средств ПК первым делом стоит сказать о главном компоненте, а именно о материнской плате. На ней расположены все внутренние элементы. Именно к ней за счет использования различных слотов и разъемов и будут подключаться внешние устройства. Сегодня существует множество разновидностей материнских плат и их производителей. Такие платы для ноутбуков и стационарных компьютеров по расположению отдельных элементов могут отличаться. Однако суть их использования в компьютерных системах остается неизменной.
Вторым по важности элементом является центральный процессор. Он отвечает за уровень быстродействия компьютерной системы. Одной из главных характеристик этого элемента является тактовая частота, которая выражена в мега или гигагерцах. Эта величина определяет, сколько элементарных операций процессор может осуществлять за одну секунду. Как вы могли уже догадаться, быстродействие есть не что иное, как отношение количества операций к количеству тактов, необходимому для выполнения одной элементарной операции.
Сегодня невозможно представить себе аппаратные средства компьютера без жестких дисков и планок оперативной памяти. Эти компоненты относятся к устройствам хранения. О них речь пойдет несколько позже.
Программно-аппаратные средства
В современных компьютерных устройствах могут использоваться устройства гибридного типа, такие как постоянная энергонезависимая память CMOS, являющаяся базовой основной системы ввода/вывода, называемой BIOS. Это не только сам «железный» чип, который расположен на материнской плате. В этом чипе имеется своя собственная микропрограмма, которая позволяет не только хранить неизменные данные, но и осуществлять тестирование периферийных устройств и внутренних компонентов в момент включения компьютера. Многие владельцы стационарных компьютеров замечали, что момент включения можно услышать сигнал системного динамика. Это свидетельствует о том, что проверка была завершена успешно.
Средства ввода информации
Остановимся более подробно на устройствах ввода информации. Сегодня можно насчитать довольно много разновидностей данных устройств. Судя по опережающему развитию информационных технологий, со временем их станет еще больше. Несмотря на это базовыми устройствами принято считать следующие:
— клавиатура;
— джойстик;
— цифровая камера;
— внешний сканер;
— микрофон.
Каждое из этих устройств дает возможность ввести информацию различного типа. Так, например, при помощи сканера вводится графическая информация. При помощи камеры можно ввести видео. На клавиатуре можно ввести текст. Мышь и трекпад относятся к контроллерами или манипуляторам. Что же касается клавиатуры, то в ней контролирующие функции используются через кнопки или их комбинации. Можно при этом получить доступ к определенным параметрам, функциям и командам операционной системы и программного обеспечения.
Средства вывода информации
Невозможно представить себе аппаратные средства без устройств вывода. В стандартном средстве таких устройств присутствуют следующие компоненты: принтер, монитор, плоттер, видеосистема, звуковая система, мультимедийный проектор. Основным устройством в данном списке является экран ноутбука или компьютерный монитор. Ясно, что при современных методах объектно-ориентированного программирования взаимодействие с пользователем осуществляется при помощи графического интерфейса. Такая ситуация применима в равной степени и к тем системам, в которых предполагается введение команд. Пользователь в любом случае должен видеть то, что отображается на экране. Что касается наличия остальных компонентов, они желательны, но не обязательны. Исключение составляет графический адаптер, без которого не смогут работать современные системы.
Средства хранения информации
Одним из самых важных классов устройств являются устройства хранения информации. Их наличие обязательно. К данному классу относятся следующие виды устройств: оперативная память, жесткий диск, кэш-память, внешние накопители. В некоторых случаях сюда также относятся систему BIOS с памятью CMOS. Однако, как уже говорилось ранее, данные элементы скорее относятся к гибридным устройствам, которые в равной степени можно отнести сразу к нескольким категориям. Главное место среди средств хранения информации безусловно занимают жесткие диски и оперативная память. Жесткий диск представляет собой аппаратное средство хранения информации. Здесь информация хранится постоянно. В оперативной памяти информация хранится временно, например, при функционировании или запуске программ, а также при копировании содержимого в буфер обмена. Оперативная память автоматически очищается при выключении компьютера. Информация же с жесткого диска никуда не исчезает. Сегодня с жесткими дисками конкурируют съемные носители вроде устройств USB большой емкости. Дискеты и оптические диски постепенно уходят в небытие по причине малой емкости и возможности физических повреждений.
Устройства связи
Еще один класс устройств, которые не являются обязательными, но тем не менее очень востребованы, можно назвать устройства, которые отвечают за обеспечение связи между отдельными компьютерными терминалами, как связанными напрямую, так и в сетях. К основным устройствам данной категории можно отнести сетевые адаптеры и маршрутизаторы. Как уже стало ясно, без них при организации стационарных и виртуальных сетей обойтись довольно сложно. Сегодня мало кто знает, что можно подключать два компьютера напрямую посредством кабеля, как это было и двадцать лет назад. Это, конечно, выглядит не слишком практично. Однако не стоит сбрасывать со счетов такую возможность, особенно в тех случаях, когда необходимо копировать большой объем информации, а накопителя подходящего размера под рукой нет.
Устройства защиты данных и безопасности
Поговорим еще об одном типе аппаратных компонент персонального компьютера. Это аппаратные средства защиты. К таким устройствам можно отнести «железные» сетевые экраны, которые по-другому также называются файрволлами. Большинство пользователей сегодня привыкло к тому, что файрволл представляет собой только программный продукт. На самом же деле, это не совсем так. Применение таких компонентов является обязательным при организации сетей с повышенным уровнем безопасности. Ведь программная часть не всегда может справится со своими функциями. Она может не отреагировать на вмешательство в работу сети со стороны. Не стоит говорить о доступе к конфиденциальной информации, которая может хранится на жестких дисках серверов и компьютеров.
Взаимодействие аппаратных и программных компонент
Мы коротко охарактеризовали основные аппаратные средства ПК. Теперь поговорим о том, как данные компоненты взаимодействуют с программными продуктами. У операционных систем, которые обеспечивают доступ пользователя к вычислительным возможностям компьютера, имеются свои требования. Современным операционным системам требуется так много ресурсов, что они могут просто не работать с устаревшими процессорами, в которых не хватает вычислительной мощности или просто отсутствует необходимый объем оперативной памяти. Кстати, это в равной степени относится к современным прикладным программным продуктам. Это, конечно, далеко не единственный пример взаимодействия программной и аппаратной части.
Заключение
В заключение хотелось бы сказать, что в данном обзоре была коротко рассмотрена аппаратная часть современного персонального компьютера. Это позволяет сделать определенные выводы о классификации основных элементов системы. Стоит обратить отдельное внимание на то, что компьютерная техника с каждым годом развивается. Это приводит к тому, что появляется все больше и больше внешних и внутренних устройств различного типа. Что же касается базовой конфигурации, то в данном обзоре были приведены самые главные компоненты, без которых невозможно существование компьютерной системы. Поэтому по понятным причинам в данном обзоре не были рассмотрены мобильные устройства. Принцип их работы немного отличается от компьютерных терминалов, хотя имеется и довольно много общего.
Аппаратные (технические) средства (hardware) компьютера, жаргонно называемые "железом", состоят из многих компонентов, которые можно объединить в следующие основные группы:
- Процессор (processor).
- Основная, или оперативная, память (memory).
- Устройства ввода и вывода (input and output devices).
- Внешняя память (storage).
На следующем рисунке показаны основные компоненты аппаратных средств персонального компьютера, отмеченные в соответствии с приведенными ранее группами.
Процессор
Процессор , чаще называемый центральным процессором (Central Processor Unit - CPU ), реализует сложную процедуру, которая преобразует "сырые" данные в полезную информацию и называется обработкой данных (data processing). Разнообразные применения компьютеров называются электронной обработкой данных (Electronic Data Processing - EDP ). Для обработки данных в компьютере используются два главных компонента - процессор и память.Процессор в известном смысле похож на "мозг" компьютера, т.е. компонент, который организует и выполняет команды (инструкции - instructions), предоставляемые пользователем или программой. Основные компоненты для обработки данных и процессоры современных РС приведены на следующих рисунках.
 |
 |
 |
| Процессор Pentium Pro фирмы Intel | Процессор компании Motorola | Процессор компании NEC |
Процессоры современных РС |
||
Основная память
Основная (оперативная) память (memory), которая часто, а практически всегда, обозначается английской аббревиатурой RAM (Random Access Memory - память с произвольной выборкой, см. далее), представляет собой электронное быстродействующее "хранилище" компьютера. Программы загружаются в память и выполняются из памяти. Используемые программами данные также загружаются в память для более быстрого доступа к ним.Самое важное, что нужно знать о RAM - это то, что она является энергозависимой (volatile), т.е. для ее работы необходимо подавать электропитание. При выключении компьютера все содержание RAM исчезает.
На быстродействие (скорость - speed) и возможности компьютера очень сильно влияет емкость (объем) имеющейся в нем памяти RAM. Здесь действует простое правило: чем больше памяти RAM имеет компьютер, тем выше его скорость и шире возможности. Единицей измерения емкости памяти является байт (byte) - память, необходимая для хранения 8-битового кода одного символа. Обычно память компьютера настолько велика, что приходится пользоваться более крупными, производными от байта единицами:
- Килобайт (КБ) содержит примерно тысячу байтов (точное значение равно 1024).
- Мегабайт (МБ) содержит примерно миллион байтов (точное значение 1 048 576).
- Гигабайт (ГБ) содержит примерно миллиард байтов (точное значение 1 073 741 824).
Устройства ввода и вывода
Компьютеры без средств взаимодействия с пользователем оказались бы совершенно бесполезными, так как не смогли бы воспринимать команды и предоставлять результаты своей работы. Устройства ввода воспринимают от пользователя данные и команды, а устройства вывода возвращают обработанные данные пользователю. |
| Устройства ввода |
Наиболее распространенным устройством ввода является клавиатура (keyboard), которая воспринимает от пользователя буквы, числа и команды. Сейчас стандартным устройством ввода стала мышь (mouse), которая предоставляет пользователю возможность рисовать на экране и вводить команды, перемещая мышь по плоской поверхности и нажимая (clicking) ее кнопки. В качестве устройств ввода применяются также трэкболы, джойстики, сканеры, планшеты, цифровые камеры, микрофоны и др.
Функция устройства вывода заключается в том, чтобы представить обработанные данные пользователю. Самыми распространенными устройствами вывода являются дисплейный экран, называемый монитором (monitor), и принтер (printer). Компьютер посылает вывод на монитор, когда пользователю требуется только посмотреть вывод. Результаты посылаются на принтер, когда пользователю нужна бумажная копия (hard copy).
Некоторые типы устройств могут выполнять и ввод, и вывод. К ним относятся, в частности, коммуникационные устройства, которые могут соединить один компьютер с другим с образованием компьютерной сети. Среди коммуникационных устройств особое место занимают модемы (modems), позволяющие компьютерам взаимодействовать по телефонным линиям, а также сетевые интерфейсные карты, предоставляющие пользователям возможность объединения группы компьютеров для разделения данных и устройств.
 |
| Устройства вывода |
Внешняя память
При обработке данных компьютеру необходимо место для хранения программных файлов и нужных данных. Память и предназначена для хранения данных. В компьютере есть два памяти - основная (или первичная - primary) и внешняя (или вторичная - secondary), которой чаще всего является жесткий диск.Удобно считать внешнюю память электронным шкафом, а основную память - электронным рабочим местом. Когда пользователю требуется поработать с программой или набором данных, компьютер отыскивает их в шкафу и помещает копию на рабочий стол. По окончании работы с программой или данными новая версия помещается в шкаф. Имеются три основных различия между памятью RAM и дисковой памятью:
- В дисковой памяти имеется намного больше места, чем в памяти RAM.
- Дисковая память сохраняет свое содержание при выключении компьютера, а программа или данные, переданные в память RAM, исчезают при выключении компьютера.
- Диск намного дешевле памяти RAM.
Самым распространенным носителем для внешней памяти является магнитный диск. Он представляет собой круглый твердый объект, который вращается с большой скоростью. Содержащее диск устройство называется дисковым накопителем (disk drive). Некоторые диски встроены в накопитель и не предназначены для удаления, а другие накопители допускают удаление и замену дисков. Большинство персональных компьютеров имеют несменный жесткий диск. Кроме того, в них имеется один накопитель на гибких дисках (дискетах), который допускает замену дискет. Обычно жесткий диск может хранить намного больше данных, чем дискета, поэтому жесткие диски служат основным "шкафом" для компьютеров. Дискеты используются для загрузки новых программ или данных на жесткий диск, обмена данными с другими пользователями и хранения резервных копий данных, находящихся на жестком диске.
Системный блок представляет собой основной узел компьютера, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называются внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, внешними или периферийными. Внешними являются большинство устройств ввода-вывода и некоторые устройства, предназначенные для длительного хранения данных.
Внутренними устройствами являются:
материнская плата;
центральный процессор;
оперативная память;
жесткий диск;
видеокарта;
звуковая карта (интегрированная в материнскую плату либо подключаемая через интерфейсы);
дисковод компакт-дисков;
На материнской плате размещены:
набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера;
шины - наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;
постоянное запоминающее устройство - микросхема, предназначенная для хранения некоторых важных данных, когда компьютер выключен;
оперативное запоминающее устройство;
разъемы для подключения дополнительных устройств.
Центральный процессор -- электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.
Главными характеристиками ЦПУ являются: тактовая частота, производительность, энергопотребление, нормы литографического процесса, используемого при производстве (для микропроцессоров) и архитектура.
Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и миникомпьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода-вывода, таймеры и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.
Оперативная память -- энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой временно хранятся входные, выходные и промежуточные данные программы процессора . Наиболее распространенные типы DIMM и SIMM .
Обмен данными между процессором и оперативной памятью производится:
непосредственно;
через сверхбыструю память 0-го уровня -- регистры в АЛУ , либо при наличии аппаратного кэша процессора -- через кэш.
Энергосберегающие режимы работы материнской платы компьютера позволяют переводить его в режим «сна», что значительно сокращает уровень потребления компьютером электроэнергии. В режиме «гибернация» питание ОЗУ отключается. Для сохранения содержимого ОЗУ в таком случае , перед отключением питания, записывают содержимого ОЗУ в специальный файл, расположенный обычно на жёстком диске, или раздел жёсткого диска . Например, в ОС Windows XP это файл hiberfil.sys, в ОС семейства Unix -- специальный swap-раздел ).
В общем случае, ОЗУ содержит программы и данные ОС и запущенные прикладные программы пользователя и данные этих программ, поэтому от объёма оперативной памяти зависит количество задач, которые одновременно может выполнять компьютер под управлением ОС.
Жесткий диск - основное устройство долговременного хранения больших объемов данных и программ. Это группа соосных дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой скоростью. Таким образом, жесткий диск имеет несколько рабочих поверхностей. Над каждой поверхностью располагается головка чтения/записи. При высоких скоростях вращения дисков в зазоре между головкой и поверхностью образуется аэродинамическая подушка, и головка парит над магнитной поверхностью на высоте нескольких тысячных долей миллиметра. При изменении силы тока, протекающего через головку, происходит изменение напряженности магнитного поля в зазоре, что вызывает изменение ориентации ферромагнитных частиц, образующих покрытие диска. При считывании данных намагниченные частицы, проходя вблизи головки, наводят в ней ЭДС самоиндукции. Возникающие при этом электрические сигналы усиливаются и обрабатываются. Управление работой жесткого диска выполняет специальное устройство - контроллер жесткого диска.
Твердотйльный накопитель (англ. solid-state drive, SSD) -- компьютерное немеханическое запоминающее устройство на основе микросхем памяти. Кроме них, SSD содержит управляющий контроллер. Различают два вида твердотельных накопителей: основанных на оперативной памяти, и основанных на флэш-памяти.
В настоящее время твердотельные накопители используются не только в компактных устройствах: ноутбуках, нетбуках, коммуникаторах и смартфонах, но могут быть использованы и в стационарных компьютерах для повышения производительности.
Существуют и так называемые гибридные жёсткие диски, появившиеся, в том числе, из-за текущей, пропорционально более высокой стоимости твердотельных накопителей. Такие устройства сочетают в одном устройстве накопитель на жёстких магнитных дисках (HDD) и твердотельный накопитель относительно небольшого объёма, в качестве кэша (для увеличения производительности и срока службы устройства, снижения энергопотребления).
Для хранения данных, а также мультимедийной информации, используются компакт-диски (cd, dvd, blu-ray), которые вставляются в дисковод. Аббревиатура CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) переводится как «постоянное запоминающее устройство на основе компакт-диска). Принцип действия компакт-диска состоит в изменении отражательной способности поверхности диска под действием лазерного луча. Основным параметром дисководов CD-ROM является скорость чтения данных.
DVD (Digital Versatile Disc -- цифровой многоцелевой диск) --носитель информации, выполненный в форме диска, имеющего такой же размер, как и компакт-диск, но более плотную структуру рабочей поверхности, что позволяет хранить и считывать больший объём информации за счёт использования лазера с меньшей длиной волны и линзы с большей числовой апертурой.
Blu-ray Disc, BD -- формат оптического носителя, используемый для записи с повышенной плотностью и хранения цифровых данных, включая видео высокой чёткости. Стандарт Blu-ray был совместно разработан консорциумом BDA. Первый прототип нового носителя был представлен в октябре 2000 года. Коммерческий запуск формата Blu-ray прошёл весной 2006 года.
Blu-ray (букв. «синий луч») получил своё название от использования для записи и чтения коротковолнового (405 нм) «синего» (технически сине-фиолетового) лазера. Буква «e » была намеренно исключена из слова «blue», чтобы получить возможность зарегистрировать товарный знак, так как выражение «blue ray» является часто используемым и не может быть зарегистрировано как товарный знак.
С момента появления формата в 2006 году и до начала 2008 года у Blu-ray существовал серьёзный конкурент -- альтернативный формат HD DVD. В течение двух лет многие крупнейшие киностудии, которые изначально поддерживали HD DVD, постепенно перешли на Blu-ray. Warner Brothers , последняя компания, выпускавшая свою продукцию в обоих форматах, отказалась от использования HD DVD в январе 2008 года. 19 февраля того же года Toshiba, создатель формата, прекратила разработки в области HD DVD. Это событие положило конец очередной «войне форматов».
Видеокарта, электронное устройство, преобразующее графический образ, хранящийся как содержимое памяти компьютера (или самого адаптера), в форму, пригодную для дальнейшего вывода на экран монитора. Первые мониторы, построенные на электронно-лучевых трубках, работали по телевизионному принципу сканирования экрана электронным лучом, и для отображения требовался видеосигнал, генерируемый видеокартой.
Однако эта базовая функция, оставаясь нужной и востребованной, ушла в тень, перестав определять уровень возможностей формирования изображения - качество видеосигнала (чёткость изображения) очень мало связано с ценой и техническим уровнем современной видеокарты. В первую очередь, сейчас под графическим адаптером понимают устройство с графическим процессором -- графический ускоритель, который и занимается формированием самого графического образа. Современные видеокарты не ограничиваются простым выводом изображения, они имеют встроенный графический процессор, который может производить дополнительную обработку, снимая эту задачу с центрального процессора компьютера. Например, все современные видеокарты Nvidia и AMD (ATi) осуществляют рендеринг графического конвейера OpenGL и DirectX на аппаратном уровне. В последнее время также имеет место тенденция использовать вычислительные возможности графического процессора для решения неграфических задач.
Обычно видеокарта выполнена в виде печатной платы (плата расширения) и вставляется в разъём расширения, универсальный либо специализированный (AGP, PCI Express). Также широко распространены и встроенные (интегрированные) в системную плату видеокарты -- как в виде отдельного чипа, так и в качестве составляющей части северного моста чипсета или ЦПУ; в этом случае устройство, строго говоря, не может быть названо видеокартой.
Звуковая карта (звуковая плата, аудиокарта; англ. sound card) -- дополнительное оборудование персонального компьютера, позволяющее обрабатывать звук (выводить на акустические системы и/или записывать). На момент появления звуковые платы представляли собой отдельные карты расширения, устанавливаемые в соответствующий слот. В современных материнских платах представлены в виде интегрированного в материнскую плату аппаратного кодека
Вопрос 6. Программные средства
Программным средством называется совокупность программных модулей, обеспечивающих автоматизацию выполнения операций с данными, представленными в формате той или иной информационной модели. Программные средства выполняют две основные функции:
автоматизируют выполнение рутинных операций и их последовательностей за счет алгоритмов, реализованных в программных модулях;
обеспечивают возможность воздействия пользователя на состав и значения параметров информационной модели через средства интерфейса пользователя (как правило, графического).
Программные средства обычно обеспечивают автоматизацию решения комплекса задач, относящихся к сравнительно четко очерченной прикладной области. В компьютерной графике чаще других встречаются следующие категории программных средств:
графические редакторы;
подключаемые модули (плагины);
драйверы графических устройств;
средства просмотра изображений;
архиваторы изображений;
средства тестирования и настройки аппаратных устройств.
Графический редактор представляет собой программное средство для организации работы пользователя по изменению состава и значений параметров информационной модели изображения. Такая работа называется редактированием, что и определяет название данной категории программных средств.
Подключаемый модуль (плагин) представляет собой отдельно разрабатываемое и распространяемое программное средство для выполнения какой-либо специфической операции над информационной моделью изображения, не реализованной в составе графического редактора. Выпускавшиеся ранее подключаемые модули могли работать только совместно с графическими редакторами, но некоторые современные образцы могут функционировать и автономно, являясь, по сути дела, самостоятельными графическими программами и взаимодействуя с графическими редакторами на уровне файлов информационных моделей. К функциям, чаще всего реализуемым в виде подключаемых модулей, относятся:
добавление графических эффектов;
глобальная коррекция изображения;
допечатная обработка изображения;
сложные схемы выделения части изображения;
генерирование изображений или их отдельных фрагментов.
С некоторой долей условности к автономно работающим подключаемым модулям, реализующим последнюю из перечисленных функций, можно отнести все программные средства, формирующие результат в виде изображения, например, системы трехмерного моделирования.
Примечание. Во многих публикациях трехмерное моделирование включается в предметную область компьютерной графики. Это представляется не совсем правомерным, поскольку информационная модель трехмерного моделирования описывает не изображение, а объемное тело. Тем не менее, в трехмерном моделировании интенсивно используются информационные модели изображений и приемы работы с ними, поэтому вполне логично включить его в состав прикладных областей применения компьютерной графики.
Драйвер графического устройства - специализированная программа, в функции которой входит управление аппаратными средствами, например, устройствами ввода и вывода. Современные драйверы обычно имеют в своем составе средства интерфейса с пользователем, позволяющие настраивать графическое устройство на желаемый режим работы. Как правило, драйверы работают совместно с графическими редакторами или другими программными средствами компьютерной графики, и их автономное функционирование не предусматривается.
Средства просмотра изображений представляют собой программы, позволяющие преобразовывать информационную модель, представленную в формате графического файла, в изображение на экране компьютера с целью визуального анализа. Обычно программные средства этой категории позволяют работать со многими форматами представления изображений и включают в себя большое число дополнительных функций (например, организацию показа изображений в виде слайд-шоу).
Средства организации архивов изображений - программы, осуществляющие хранение большого числа изображений и их эффективный поиск по различным критериям. Такие программы позволяют быстро находить нужные изображения, хранящиеся на различных носителях. Как правило, архивы изображений хранят на CD или DVD. Программа организации архива строит по информационной модели изображения миниатюру (уменьшенную копию изображения, имеющую небольшой размер) и помещает ее в базу данных совместно с именем файла, сведениями о том, где он расположен, и метаданными (сведениями, описывающими изображение).
Аппаратные средства. К аппаратным средствам, применяющимся в компьютерной графике, относятся:
Компьютеры , в состав которых входят:
Процессор;
Оперативная память;
Накопители;
Видеокарта с графическим ускорителем.
Устройства графического вывода:
Мониторы;
Видеопроекторы;
Печатающие устройства (лазерные, струйные и термосублимационные принтеры, фотонаборные автоматы, слайд-принтеры и цифровые минилабы).
Манипуляторы;
Графические планшеты;
Сканеры;
Цифровые камеры,
Специальные устройства (например, устройства для вывода голограмм и стереопар).
Процессор и оперативная память. В данном случае, ограничимся рассмотрением специфических требований, которые на них накладывают типовые задачи компьютерной графики.
При работе с информационными моделями сложных векторных или пиксельных изображений с высоким разрешением задачи компьютерной графики становятся очень ресурсоемкими. Поэтому общий принцип выбора процессора: "чем мощнее - тем лучше". В данным момент времени минимальными параметрами для графического компьютера считаются тактовая частота процессора не ниже 2,5 ГГц и объем кэш-памяти второго уровня, встроенной в ядро процессора, не менее 512 Кбайт.
Чем больше объем оперативной памяти, тем быстрее выполняются операции над большими по размеру информационными моделями изображений. Это обусловлено тем, что в процессе обработки данные большого изображения не помещаются в оперативную память целиком, и их приходится "подкачивать" по частям. Чем больше размер этих частей, тем реже приходится выполнять подкачку в процессе работы, тем быстрее выполняется обработка. Поэтому для работы с небольшими изображениями (например, с цифровыми фотографиями, снятыми камерами с размерами сенсора до 10 мегапикселов) объем оперативной памяти может составлять 1 Гбайт, для больших изображений желательны большие объемы.
Накопители . От емкости накопителя на жестком диске (винчестере) зависит объем данных, находящихся в оперативном распоряжении пользователя. Достаточно много дисковой памяти требуется для организации подкачки данных в оперативную память. Обычно компьютеры для графических работ комплектуют накопителями объемом 120-250 Гбайт, но для профессиональной работы нелишним будет и больший объем. Большое влияние на быстродействие оказывает и скорость передачи данных между накопителем и оперативной памятью, она не должна быть менее 100 Мбайт/с - в противном случае подкачка данных сильно замедляется.
Видеокарты. В отличие от задач трехмерного или имитационного моделирования и компьютерных игр, компьютерная графика не предъявляет очень высоких требований к видеосистеме компьютера, основой которой является видеокарта. Основная задача видеокарты - получение данных пиксельной информационной модели и преобразование их в видеосигнал, формирующий изображение на экране монитора. Причем передача видеосигнала на монитор должна выполняться достаточно быстро, чтобы изображение на нем не мерцало (современные стандарты рекомендуют частоту обновления не ниже 100 Гц). Чтобы выполнить это условие, данные изображения должны полностью помещаться в видеопамять. Некоторые данные о минимальном объеме видеопамяти приведены в табл. 1.
Таблица 1. Минимальный объем видеопамяти для мониторов с различным размером экранного растра
|
Размер растра монитора |
Объем видеопамяти, |
Кбайт |
|
|
по горизонтали |
по вертикали |
||
Для мониторов наиболее распространенных моделей вполне достаточно видеопамяти объемом 64 Мбайта. Однако если в составе видеокарты имеется графический ускоритель (что для современных моделей стало стандартом де-факто), этот объем должен быть, как минимум, в два раза больше, т. е. 128 Мбайт. Для мониторов с большим размером растра следует рассчитывать объем видеопамяти и подбирать соответствующую видеокарту индивидуально. Следует заметить, что современные видеокарты могут по стоимости в несколько раз превышать все остальные устройства компьютера, вместе взятые, поэтому к ее выбору необходимо подходить рационально. Наиболее мощные видеокарты выпускаются для нужд специалистов в анимационном трехмерном моделировании, видеомонтаже и любителей компьютерных игр, а в задачах компьютерной графики их возможности оказываются востребованными далеко не полностью.
Мониторы и видеопроекторы. Не менее важной частью видеосистемы является монитор - устройство для преобразования видеосигнала в визуально воспринимаемое изображение. Наиболее важные характеристики для задач компьютерной графики - размер экрана, размерность растра, частота обновления изображения и точность воспроизведения цвета. Разработчики программных средств компьютерной графики считают минимальными требованиями к мониторам диагональ экрана не менее 17 дюймов, частоту обновления изображения не ниже 85 Гц, размерность растра не менее 1024x768 пикселов, число воспроизводимых цветов не менее 16 777 216.
Точность воспроизведения цвета на экранах больших размеров сегодня несколько выше у мониторов с электронно-лучевой трубкой. По остальным параметрам эти мониторы немного уступают мониторам на жидкокристаллических панелях.
Видеопроекторы предназначены для построения крупноформатных изображений, рассматриваемых со значительно большего расстояния, чем изображения на экране монитора. Они подключаются к той же видеокарте, что мониторы, и получают такой же видеосигнал. При использовании видеопроекторов следует иметь в виду, что они воспроизводят значительно меньше цветов, чем мониторы, и точность воспроизведения цвета у них значительно ниже. Сегодня более качественной, но и более дорогостоящей альтернативой видеопроекторам выступают плазменные панели, функционально не отличающиеся от мониторов.
Печатающие устройства
Печатающим устройством или принтером называется периферийное устройство компьютера, преобразующее информационную модель в визуально воспринимаемое изображение на плоском носителе (бумаге, ткани или полимерной пленке). Принципы, на основе которых на носителе формируется изображение, можно разделить на несколько категорий.
Рис 1. Принципы формирования изображений печатными устройствами
Приведенные на рис. 1. способы формирования изображений существенно отличаются друг от друга, поэтому устройства печати сложно сравнивать, пользуясь одной и той же системой показателей. Подробнее эти вопросы будут освещены посвященном методам расчета параметров изображения в процессе подготовки его к выводу на печать. Там же рассматриваются и существенные для компьютерной графики особенности печатающих устройств каждой категории.
Устройства графического ввода
Устройством графического ввода называется периферийное устройство компьютера, позволяющее формировать новую информационную модель изображения и/или вносить изменения в существующую. Классификация таких устройств приведена на рис. 2.
Рис. 2. Классификация устройств графического ввода
Манипуляторы, строго говоря, не являются устройствами графического ввода. Они лишь позволяют перемещать на экране монитора специальный значок (курсор, указатель) и передавать в компьютер его координаты с той или иной частотой. Как правило, манипуляторы снабжены несколькими кнопками, позволяющими передавать в компьютер управляющие сигналы. Однако в подавляющем большинстве графических редакторов манипулятор управляет работой специальных графических инструментов, с помощью которых пользователь и воздействует на графическую модель. Поэтому традиционно манипуляторы относят к устройствам графического ввода.
Автоматические устройства графического ввода позволяют формировать новую информационную модель изображения без вмешательства пользователя и без графического редактора. К этой категории относят сканеры и цифровые камеры. Сканер формирует информационную модель пиксельного изображения по физическому оригиналу, в роли которого чаще всего выступают непрозрачные (отпечатки) и полупрозрачные (слайды, пленки) изображения.
примечание. При работе с планшетными сканерами распространенной практикой является размещение на предметном стекле не изображения, а тех или иных предметов. В этом случае сканер можно рассматривать как вариант цифровой камеры, "фотографирующей" объемные объекты.
Основные характеристики сканера - аппаратное разрешение сканирования и точность восприятия цвета.
Цифровые фото - и видеокамеры обычно работают в автономном режиме, но при прямом подключении к компьютеру их можно рассматривать как устройства графического ввода. Особенно это относится к так называемым "цифровым задникам" - приставкам к традиционным широкопленочным камерам, с которыми работают в условиях фотостудии, формирующим очень большие по размеру информационные модели пиксельных изображений. Многие из них просто не оборудованы промежуточным устройством хранения данных. Основные характеристики цифровых камер - размеры растра в пикселах и точность восприятия цвета.
Интерактивные устройства графического ввода отличаются от манипуляторов тем, что фиксируют на экране координаты не указателя, а кончика специального пера. Например, сенсорный экран, представляющий собой гибрид графических устройств ввода и вывода, - монитор, экран которого способен воспринимать касания и степень нажима, а также координаты точки, в которой этот нажим осуществляется. Пользователь имеет возможность "рисовать" по нему пером, может фиксировать силу нажима, а графический планшет - не только силу нажима, но и углы наклона пера к плоскости планшета и разворота пера вокруг своей оси.
Сколка представляет собой графический планшет больших размеров, приспособленный для кодирования чертежей. Аппаратное и программное обеспечение сколки позволяет формировать векторную информационную модель изображения, но для работы с ней требуется специальная подготовка.
