Идеи предшествовавшие соданию компьютеров.

Идеи предшествовавшие соданию компьютеров.

Современная вычислительная (компьютерная, а на сегодняшний день точнее информационно-коммуникационнаяая) техника, несмотря на молодость, имеет довольноно длительную предисторию. Это всевозможные механические устроиства, электромеханические, устройства на релейной автоматике, наконец, электронные устройства. Ретроспективный обзор истории развития информационной техники будет дан позднее, пока остановимся на ключевых вехах развития научной и практической мысли приведщих к созданию компьютеров.

· 1804 год.Француз Жозеф Жаккар сконструировал приспособление к ткацкому станку, работу которого можно было программировать с помощью специальных карт.

· 1822год.Английский математик Чарлз Бэббидж выдвинул идею создания программно-управляемой счетной машины, имеющей арифметическое устройство, устройство управления, ввода и печати. Первая спроектированная Бэббиджем машина, Разностная машина, работала на паровом двигателе.

· 1847 год.Английский математик Джордж Буль опубликовал работу "Математический анализ логики". Так появился новый раздел математики. Его назвали Булева алгебра.

· 1904год.Английский физик Джон Амброз Флеминг (1849-1945), изучая "эффект Эдисона", создает диод.

· 1907 год.Американский инженер Ли де Форест создает триод.

· 1918 год. в России Бонч-Бруевичем был изобретен триггер.

· 1936 год.Американский математик Алан Тьюринг (статья "О вычислительных числах") и независимо от него американский математик и логик Э.Пост выдвинули и разработали концепцию абстрактной вычислительной машины.

· 1936 год,Конрадом Цузе (1910–1995) - первый релейный компьютер. В нем уже применялось двоичное кодирование, но в первых версиях в качестве памяти использовались не реле, а механические приспособления. Программы для своих компьютеров Цузе записывал на 35-мм кинопленке, пробивая в ней отверстия.

· 1937 год. Гарвардский математик Говард Эйкен (Howard Aiken) предложил проект создания большой счетной машины. Спонсировал работу президент компании IBM Томас Уотсон (Tomas Watson), который вложил в нее 500 тыс.$. Проектирование Mark-1 началось в 1939 году, строило этот компьютер нью-йоркское предприятие IBM. Компьютер содержал около 750 тыс. деталей, 3304 реле и более 800 км проводов. Марк I является одним из первых действующих компьютеров с программным управлением

· 1946 год. США состоялась демонстрация работы ENIAC— электронный цифровой интегратор и компьютер — первого успешно функционировавшего электронного цифрового компьютера. Джон фон Нейман на основе критического анализа конструкции ENIAC предложил ряд новых идей организации ЭВМ, в том числе концепцию хранимой программы, т.е. хранения программы в запоминающем устройстве. В результате реализации идей фон Неймана была создана архитектура ЭВМ, во многих чертах сохранившаяся до настоящего времени.

 

Принцип однородности памяти.

Компьютер состоит из следующих устройств: обрабатывающего данные, хранящего двоичные коды называется (память) и устройств ввода вывода.

Согласно принципу однородности программы и данные хранятся в одном и том устройстве называемом памятью. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно так же выполнять действия, как и над данными.

Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей.

Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции— перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

Принцип адресности.

Основная память (в дальнейшем оперативное запоминающее устройство ОЗУ):

- состоит из перенумерованныхячеек;

- номер ячейки может использоваться как адрес для обращения к хранящимся в ячейке данным или командам программы;

- внутри ячейки может хранится произвольный двоичный код;

- управлению СВТ в любой момент времени доступна любая ячейка.

Отсюда следует возможность давать имена ячейкам и областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Принцип условного перехода.

Команды из программы не всегда выполняются одна за другой. Возможно присутствие в программе команд условного перехода, которые меняют последовательностье выполненияе команд в зависимости от значений данных.

Первые компьютеры, удовлетворяющие описанным принципам были созданы в Университете Манчестера и Кембриджа независимо друг от друга в 1948 и 1949 годах соответственно.

Магистральные архитектуры.

Архитектура магистрального суперкомпьютера приведена на рис.2.7. Магистральный принцип является самым распространённым при построении высокопроизводительных вычислительных систем. Компьютер такой системы имеет несколько функциональных обрабатывающих устройств, выполняющих арифметические и логические операции, и быструю регистровую память для хранения обрабатываемых данных. Данные, считанные из памяти, размещаются в регистрах и из них загружаются в обрабатывающие устройства. Результаты вычислений помещаются в регистры и используются, как исходные данные, для дальнейших вычислений. Таким образом, получается конвейер преобразования данных: регистры – обрабатывающие устройства – регистры – ….

Число функциональных устройств, показанных на рисунке, равно шести, "Сложение", "Умножение" и т.д., однако, в реальных системах их количество может быть иным. Устройство планирования последовательности выполнения команд распределяет данные, хранящиеся в регистрах, на функциональные устройства и производит запись результатов снова в регистры. Конечные результаты вычислений записываются в общее запоминающее устройство.

Матричные архитектуры.

В матричной вычислительной системе процессоры объединяются в матрицу процессорных элементов. В качестве процессорных элементов могут использоваться универсальные процессоры, имеющие собственное устройство управления, или вычислители, содержащие только АЛУ и выполняющие команды внешнего устройства управления. Каждый процессорный элемент снабжён локальной памятью, хранящей обрабатываемые процессором данные, но при необходимости процессорный элемент может производить обмен со своими соседями или с общим запоминающим устройством. В первом случае, программы и данные нескольких задач или независимых частей одной задачи загружаются в локальную память процессоров и выполняются параллельно. Во втором варианте все процессорные элементы одновременно выполняют одну и ту же команду, поступающую от устройства обработки команд на все процессорные элементы, но над разными данными, хранящимися в локальной памяти каждого процессорного элемента. Вариант архитектуры с общим управлением показан на рис. 2.8.

Обмен данными с периферийными устройствами выполняется через периферийный процессор, подключённый к общему запоминающему устройству.

Процессор

В ПК имеется одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа. Это однопроцессорный компьютер. АЛУ и УУ в нем объединены в одной сверхбольшой интегральной микросхеме (СБИС) – процессоре, дополнительно в процессоре размещается кэш память (о ней будет сказано позже) и схемы управления процессором и магистралью ввода вывода.

Процессор более полно называется Центральный Микро Процессор – ЦМП (CPU в англ абравеатуре), таким названием мы сразу отличаем его от других устройств обрабатывающих данные, например, видеопроцессор – обрабатывает только видеоданные (при создании изображения на экране монитора) или контроллеры – управляют переферийными устройствами.

В современных компьютерах единицей адресуемой памяти является байт (8 бит - мало), поэтому команды и данные занимают не один байт, группу последовательных байтов, а длина команд переменная (обычно от двух до четырех байтов).

Способы указания адресов переменных весьма разнообразные.

В адресной части команды может быть указан, например:

-сам операнд (число или символ);

-адрес операнда (номер байта, начиная с которого расположен операнд);

-адрес адреса операнда (номер байта, начиная с которого расположен адрес операнда), и др.

В зависимости от количества операндов, команды бывают: одноадресные; двухадресные; трехадресные; нольадресные.

ПРИМЕР. Рассмотрим несколько возможных вариантов команды сложения (англ. add — сложение), при этом вместо цифровых кодов и адресов будем пользоваться условными обозначениями:

-одноадресная команда add x (содержимое ячейки x сложить с содержимым сумматора, а результат оставить в сумматоре);

-двухадресная команда add x, y (сложить содержимое ячеек x и y, а результат поместить в ячейку y);

-трехадресная команда add x, y, z (содержимое ячейки x сложить с содержимым ячейки y, сумму поместить в ячейку z).

 

Системная магистраль.

В начале 70-х годов фирмой DEC (Digital Equipment Corporation) был предложен принцип модульности в архитектуре СВТ. Он позволял свободно подключать любые периферийные устройства, любое числа датчиков и исполнительных механизмов. Суть его заключалась в том, что все устройства, независимо от их назначения подключались, к общей шине передачи информации (другие ее названия – системная шина, системная магистраль).. Подключение осуществлялось в соответствии со стандартом шины.

К общей шине подключается процессор и все функциональные блоки тоже.

Системная шина конструктивно является набором параллельных проводников, функционально состоит из 3 шин:

-ШД по которой передаются данные;

-ША оперделяет направления данных;

-ШУ сигналы управляющие процессом обмены данными.

Общее управление всей системой осуществляет ЦМП. Он выделяет время другим устройствам для обмена информацией.

Внешние устройства подключаются к шине через– контроллер. Это специальное устройство сходное с ЦПМ, выполняющее (в отличии от ЦМП) очень не большое число команд по управлению данным ПУ. Например, раньше, чтобы распечатать какой либо участок памяти ЦМП проверял готовность принтера, устанавливал пишущий узел в начало строки, изымал из памяти первый символ, печатал, второй, печатал и т.д. Сейчас ЦМП дает контроллеру задание распечатать область в памяти. А контроллер сам проверяет готовность устройства, сам по каналам прямого доступа к памяти обращается к памяти, сам пересылает распечатываемые ячейки к себе в буферную память, сам управляет печатью. ЦМП в это время продолжает работать дальше по прежней программе или по другой, тем повышая эффективность всей системы.

 

 

 

Контроллер подключается к шине специальными устройствами – портами ввода-вывода. Каждый порт имеет свой номер, и обращения к нему процессора происходит, так же как и к ячейке памяти, по этому номеру. Процессор имеет специальные линии управления, сигнал на которых определяет, обращается ли процессор к ячейке памяти или к порту ввода-вывода контроллера внешнего устройства.

Принцип открытой архитектуры.

Стандарт шины являлся свободно распространяемым документом, что позволяло фирмам производителям периферийного оборудования разрабатывать контроллеры для подключения своих устройств к шине. Архитектура в дальнейшем стала называться открытой.

Открытая архитектура предоставила большие преимущества:

-модульность дает возможность заменять морально устаревшие блоки (upgrade);

-возможна совместимость устройств выпущенных раньше и позже (хотя и недолгое время, т.е. очень уж старое устройство и не подключишь);

-нелицензированность шины привела к конкуренции, как следствие улучшение соотношения цена-качество, (цена упала – качество улучшилось).

-повысилась эффективность компьютера как системы, т.е. одновременно работают несколько ПУ;

Несмотря на преимущества, предоставляемые архитектурой с общей шиной, она имеет и серьёзный недостаток, который проявлялся всё больше при повышении производительности внешних устройств и возрастании потоков обмена информацией между ними. К общей шине подключены устройства с разными объёмами и скоростью обмена, в связи с чем "медленные" устройства задерживали работу. Вся система работала как самое медленное устройство.

Дальнейшее повышение производительности компьютера было найдено во введении дополнительной локальной шины, к которой подключались "быстрые" устройства.

Конструктивно, контроллер каждого устройства размещается на общей (материнской) плате с ЦМП и ОЗУ. Если устройство не входит стандартно в состав компьютера, контроллер располагается на дочерней плате, вставляемой в разъёмы на материнской плате (слоты расширения).

Дальнейшее развитие микроэлектроники позволило размещать несколько функциональных узлов компьютера и контроллеры стандартных устройств в одной микросхеме СБИС. Это сократило количество микросхем на материнской плате и дало возможность ввести две дополнительные локальные шины для подключения ОЗУ и устройства отображения (они имеют наибольший объём обмена с ЦМП).2.7. Функциональная организация персонального компьютера.

2.7.1. Центральный процессор

Центральный процессор (ЦП, или центральное процессорное устройство — ЦПУ; в английской версии CPU central processing unit) — часть аппаратного обеспечения компьютера, выполняющая операций по заданным программам, управляющая всеми прочими устройствами компьютера. После того как центральный процессор стал выпускаться на одной сверхбольшой интегральной микросхеме, он стал называться – центральным микропроцессором или ЦМП.

Более сорока лет, с появления микросхем, развитие аппаратного обеспечения шло в соответствии с законом технологического прогресса (эмпирическим законом Мура), гласящим, что количество транзисторов на одной микросхеме удваивается каждые 18 месяцев, все эти годы постоянно шла работа над увеличением быстродействия, снижением размеров и энергопотребления.

Миниатюризация и повышение быстродействия не противоречащие требования, поэтому прогресс в этой области так значителен. Наиболее хорошо видно это на примере компьютерных процессоров. Чем меньше размеры проводников в микросхеме, тем меньше они излучают и принимают наведенные электромагнитные колебания. К настоящему времени широко применяются процессоры по 45 нанометровой технологии, вступают 32нм технологии. При уменьшении толщины напыления элементов электронных схем в очень маленьком объеме размещаются десятки и сотни миллионов транзисторов (уже достигнуто значение 1 миллиард), длина проводников уменьшается, что позволяет увеличивать тактовую частоту, а, значит, и быстродействие. Уменьшение сечения проводников приводит к необходимости понижения напряжения, что снижает удельное энергопотребление схемы.

Рис 2.9. Микропроцессоры 8086 (4.77Мгц 29 000 транзисторов) 1978 года и Core i7 2008г (2.66 ГГц – 3.2 ГГц, 45 нм, 731 млн транзисторов).

Рост тактовой частоты сопровождается повышением выделения тепла и превышение тактовой частоты свыше 4ггц требует более эффективных способов охлаждения, чем воздушное, поэтому этот параметр замедлил свой рост. Тактовая частота 3 ггц была достигнута в 2003 году к 2010 году на ПК она не превышает 3.8 ггц.

Системная шина физически представляющая серию параллельных проводников конечно же имеет довольно большую длину и, стало быть, на ней может присутствовать частота ниже чем в процессоре. Частота на шине сейчас держится в рамках 1ггц, а именно по шине происходит обмен процессора (данными адресами и управляющими командами) с ОЗУ и другими устройствами.

Как мы увидели, экстенсивный путь повышения производительности путем увеличения тактовой частоты имеет физические ограничения. Выход из этой ситуации в улучшении организации процесса обработки информации. Например, известно, что обращение к ОЗУ посредством шины довольно длительный процесс. Для ускорения можно вызывать из памяти не одну а несколько команд заранее и хранить их в специальном наборе регистров (буфере выборки команд с упреждением). Таким образом, когда требуется определенная команда, она вызывается прямо из буфера на частоте процессора, а обращения к памяти не происходит.

Далее мы рассмотрим некоторые организационные способы повышения быстродействия.

 

Конвейерная архитектура.

При выборке с упреждением команда обрабатывается за два шага: сначала происходит вызов команды, а затем — ее выполнение. Еще больше продвинула эту стратегию идея конвейера. Суть конвейера в следующем - в ыполнение каждой команды сопровождается рядом однотипных действий:

1. выборка команды из ОЗУ;

2. дешифровка команды;

3. адресация операнда в ОЗУ;

4. выборка операнда из ОЗУ;

5. выполнение команды;

6. запись результата в ОЗУ.

Выполнение программы в целом пойдет быстрее, если действия будут выполняться отдельными аппаратными компонентами, а в обработке будут находиться несколько команд одновременно, например, результат работы 1-й команды после выполнения отправляется в ОЗУ шестым аппаратным компонентом, в это же время, выполняется 2-я команда пятым компонентом, в это же время, выбираются операнды 3-й команды из ОЗУ, в этоже время, адресуются операнды 4-й команды, в этоже время, дешифруется 5-я команда, в этоже время, выбирается 6-я.

Хотя конвейер может сбиваться, если следующая команда использует результат предыдущей, или команда перехода приведет к очистке конвейера, ускорение от такого приема может быть в десяток раз.

В нашем примере конвейер состоит из шести степеней, но некоторые современные процессоры имеют более 30 ступеней, что увеличивает производительность процессора, однако может приводить к увеличенным промежуткам простоя.

 

Суперскалярная архитектура.

Если в рамках одного процессора поместить не один конвейер, а несколько, то производительность вырастет на порядки. Общий блок выборки команд вызывает из памяти сразу по две команды и помещает каждую из них в один из конвейеров. Каждый конвейер содержит АЛУ для параллельных операций. Чтобы выполняться параллельно, две команды не должны конфликтовать из-за ресурсов и зависеть от результата выполнения предыдущей, т.е. не всякая задача будет решаться быстрей.

 

Система команд процессора.

Из первой главы известно, что любая обработка двоичных кодов представляется системой логических функций, каждая из которых может быть реализована аппаратно в виде цифровой схемы. Так можно реализовать простые операции – конъюнкцию, дизъюнкцию, более сложные - сложение, вычитание, или еще более сложные операции по работе с медиаданными. Любую последовательность действий (алгоритм) можно реализовать аппаратно на микропрограммном уровне в виде операции, и любую операцию можно осуществить в виде алгоритма. В этом смысле большой разницы между аппаратным и программным обеспечением нет. Набор выполняемых процессором команд называется системой команд. Какие именно команды войдут в систему команд процессора определяют разработчики процессора в зависимости от задач, которые предполагается решать.

В современных персональных компьютерах разных фирм применяются процессоры двух основных архитектур:

· полный набор команд переменной длины – Complex Instruction Set Computer (CISC);

· сокращённый набор команд фиксированной длины – Reduced Instruction Set Computer (RISC).

Весь ряд процессоров фирмы Intel, устанавливаемых в персональные компьютеры IBM имеют архитектуру CISC, а процессоры Motorola, используемые фирмой Apple для своих персональных компьютеров, имеют архитектуру RISC. Обе архитектуры имеют свои преимущества и недостатки. Так CISC-процессоры имеют обширный набор команд (до 400), из которых программист может выбрать команду наиболее подходящую ему в данном случае. Недостатком этой архитектуры является то, что большой набор команд усложняет внутреннее устройство процессора, увеличивает время исполнения команды на микропрограммном уровне. Команды имеют различную длину и время исполнения.

RISC-архитектура имеет ограниченный набор команд и каждая команда выполняется за один такт работы процессора. Небольшое число команд упрощает устройство управления процессора. К недостаткам RISC архитектуры можно отнести то, что если требуемой команды в наборе нет, программист вынужден реализовать её с помощью нескольких команд из имеющегося набора, увеличивая размер программного кода.

Кэш память процессора .

Для согласования «быстрого» процессора и «медленного» ОЗУ в состав процессора вводят кэш память. Кэш-память используется процессором для хранения самых часто используемых данных, за счет чего, время очередного обращения к ним значительно сокращается. Если емкость оперативной памяти 1 Гб и выше, то кэш у них около 2-8 Мб. Объем ее не велик, кэш первого уровня находится на одном кристалле с процессором и работает на частоте процессора, это устройство значительно повышает быстродействие всей системы. Более подробно о кэш памяти будет сказано ниже в разделе «Память компьютера».

Прерывание процессора.

Основой диалогового режима работы с компьютером являются прерывания работы процессора. При этом выполнение текущей последовательности команд приостанавливается, содержимое регистров запоминается, управление передаётся программе обрабабатывающей это прерывание с возможностью последующего восстановления работы.

В зависимости от источника возникновения сигнала прерывания делятся на аппаратные, программные, внутренние.

Аппаратныепрерывания вызывают события, исходящие от внешних источников движение мыши, нажатие клавиш клавиатуры, таймера, сетевой карты и т.д.

Программные прерывания инициируются исполнением команды в коде программы.

Внутренние прерывания есть результат нарушения каких-то условий работы процессора - деление на ноль или переполнение и т.д.

 

Внешние устройства

2.8.1. Видеоситемы

 

Видеосистема предназначена для оперативного отображения текстовой и графической информации в целях визуального восприятия её пользователем компьютера. Состоит из трех компонент:

- видеоадаптер;

- монитор (называемый также дисплеем);

- программное обеспечение (драйверы видеосистемы).

Видеоадаптер:

- включается в системную шину,

- принимает от шины данные, предназначенные для вывода на печать,

- посылает в монитор сигналы управления яркостью лучей и синхросигналы строчной и кадровой развёрток.

Монитор преобразует полученные сигналы в зрительные образы. А программные средства обрабатывают видеоизображения — выполняют кодирование и декодирование сигналов, координатные преобразования, сжатие изображений и др.

Мониторы

Для персональных компьютеров используются мониторы следующих типов:

- на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ);

- на основе жидкокристалических индикаторов (ЖКИ, LCD – Liquid Crystal Display);

- плазменные мониторы (PDP – Plasma Display Panels);

- электролюминесцентные мониторы (FED – Field Emission Display);

- самоизлучающие мониторы (LEP – Light Emission Plastics).

Основными характеристики мониторов:

- размер экрана монитора, задаётся величиной его диагонали в дюймах обычно 14-17 для домашних, для профессиональной работы, требующей отображения мелких деталей 21 и 22;

- разрешающая способность, которая определяется числом пикселей по горизонтали и вертикали (800´600, 1024´768, 1800´1440, 2048´1536);

- рабочая частота кадровой развёртки определяет скорость смены кадров изображения (50-100 кадров в секунду), эта характеристика влияет на утомляемость глаз при продолжительной работе на компьютере. Чем выше частота кадровой развёртки тем меньше утомляемость глаз. Частота смены кадров во многом зависит от разрешающей способности экрана: чем выше разрешающая способность, тем меньше частота смены кадров, например, при разрешении 800´600 максимальная частота смены кадров может составить 120 Гц, а при разрешении 1600´1200 – 67 Гц.

На разрешающую способность монитора и качество изображения влияет объём видео памяти. Современные видеоконтроллеры для хранения цвета каждого пикселя расходуют до 4 байт памяти, для чего необходимо иметь объём видеопамяти от 32 до 128 Мбайт. Больший объём видеопамяти позволяет устанавливать более высокий режим разрешения и большее число цветов для каждого пикселя.

Мониторы на основе ЭЛТ

Мониторы на основе ЭЛТ используют электронно-лучевые трубки, применяемые в обычных телевизионных приёмниках, и устройства, формирующего на экране точки (пиксели). Луч, двигающийся горизонтально, периодически, засвечивает люминофор экрана, который под действием потока электронов начинает светиться, образуя точку. Для цветных мониторов засветка каждой точки осуществляется тремя лучами, вызывающие свечение люминофора соответствующего цвета – красного, зелёного и синего. Цвет точки создаётся смешением этих трёх основных цветов и зависит от интенсивности каждого электронного луча. Цветной монитор может отображать до 16 млн. оттенков в каждой точке.

Мониторы на жидкокристалических индикаторах

Мониторы на жидкокристалических индикаторах представляют собой плоские панели. Эти мониторы используют специальную прозрачную жидкость, которая при определённых напряжённостях электростатического поля кристаллизуется, при этом изменяется её прозрачность и коэффициент преломления световых лучей. Эти эффекты используются для формирования изображения. Конструктивно такой монитор выполнен в виде двух электропроводящих стеклянных пластин, между которыми помещён слой кристаллизующейся жидкости. Для создания электростатического поля стеклянная пластина покрыта матрицей прозрачных проводников, а пиксель формируется на пересечении вертикального и горизонтального проводника. Иногда на пересечении проводников ставят активный управляющий элемент – транзистор. Такие экраны, которые получили название TFT-экранов (Thin Film Transistor – тонкоплёночный транзистор), имеют лучшую яркость и предоставляют возможность смотреть на экран даже с отклонением до 45° от вертикали. Этот показатель отличает TFT-экраны от экранов с пассивной матрицей, которые обеспечивали качество изображения только при фронтальном наблюдении.

Плазменные мониторы

В плазменных мониторах изображение формируется светом, выделяемым при газовом разряде в каждом пикселе экрана. Конструктивно плазменная панель состоит трёх стеклянных пластин, на две из которых нанесены тонкие прозрачные проводники: на одну вертикально, на другую – горизонтально. Между ними находится третья пластина, в которой в местах пересечения проводников двух первых пластин имеются сквозные отверстия. Эти отверстия при сборке заполняются инертным газом: неоном или аргоном, они и образуют пиксели. Плазма газового разряда, возникающая при подаче высокочастотного напряжения на вертикальный и горизонтальный проводники, излучает свет в ультрафиолетовом диапазоне, который вызывает свечение люминофора. Каждый пиксель представляет собой миниатюрную лампу дневного света. Высокая яркость и контрастность, отсутствие дрожания изображения, а так же большой угол отклонения от нормали, при котором изображение сохраняет высокое качество, являются большими преимуществами таких мониторов. К недостаткам можно отнести недостаточную пока разрешающую способность и достаточно быстрое (пять лет при офисном использовании) ухудшения качества люминофора. Пока такие мониторы используются только для конференций и презентаций.

Электролюменесцентные мониторы состоят из двух пластин, с ортогонально нанесёнными на них прозрачными проводниками. На одну из пластин нанесён слой люминофора, который начинает светиться при подаче напряжения на проводники в точке их пересечения, образуя пиксель.

Самоизлучающие мониторы используют матрицу пикселей, построенную на основе полупроводникового материала, излучающего свет при подаче на него напряжения (светодиод). На сегодняшний день имеются монохромные самоизлучающие дисплеи с жёлтым свечением, но они уступают по сроку службы LCD мониторам. Удалось создать органический проводник, имеющий широкий спектр излучения. На основе этого материала планируется создать полноразмерный цветной самоизлучающий монитор. Достоинства таких мониторов заключаются в том, что они обеспечивают 180-градусный обзор, работают при низком напряжении питания и имеют малый вес.

 

2.8.2. Устройства ручного ввода информации

Клавиатура.

Клавиатурой называется устройство для ручного ввода информации в компьютер.

Современные типы клавиатур различаются, в основном, принципом формирования сигнала о нажатии клавиши. Наиболее распространённые клавиатуры имеют под каждой клавишей купол, выполненный из специальной резины, который прогибается при нажатии клавиши и замыкает контакты проводящим слоем, расположенным на куполе. У некоторых клавиатур под каждой клавишей находится магнит, который при нажатии перемещается и проходит через катушку, наводя в ней ток самоиндукции.

Среди современных типов клавиатур можно отметить беспроводную клавиатуру, в которой передача информации в компьютер происходит с помощью датчика инфракрасного излучения, аналогично пультам управления различной бытовой техники. Такая клавиатура позволяет работать в любом, удобном для пользователя месте помещения, не привязываясь к расположению системного блока. Можно так же отметить гибкую резиновую клавиатуру, которая работает бесшумно, защищена от механических и химических разрушающих воздействий, очень тонкая и может быть свёрнута в виде цилиндра.

Клавиатурный процессор, опрашивает 50 раз в секунду состояние клавиатуры, вырабатывает скан-код, а сервисные программы операционной системы уже определяют какой именно символ или команда были введены. При нажатии клавиши клавиатурный процессор посылает в специальный буфер клавиатуры, расположенный в оперативной памяти, скан-код клавиши, состоящий из двух байт: байта собственно скан-кода и байта, определяющего какие дополнительные управляющие клавиши при этом удерживались нажатыми. К управляющим клавишам относятся клавиши Ctrl, Alt, Shift, которые ещё и различаются по месту расположения: левые и правые, а так же их комбинации. Сервисная программа читает из буфера клавиатуры эти два байта и передаёт их в программу, которая решает какой именно символ или управляющий сигнал необходимо отобразить.

Специальная программа в операционной системе Windows, например, позволяет изменить целиком раскладку клавиш или национальный алфавит или значения отдельных клавиш.

Клавиатурный процессор предоставляет пользователю возможность ввода символа, который не отображён на клавиатуре. Для этого на малой цифровой клавиатуре (она расположена слева) набирается десятичный код требуемого символа при одновременном удерживании клавиши Alt. Таким образом можно ввести символ псевдографики или управляющий символ, отсутствующий на клавиатуре.

Манипулятор типа "мышь".

Механическое устройство состоит из резинового шарика, вращающего, при перемещении мыши, и двух роликов, расположенных под прямым углом друг к другу. Ролики, в свою очередь, вращают колесики с прорезями. Свет от светодиода через прорезь попадает на фотодиод, который отсчитывает число прорезей и направление их прохождения. Сигналы от прорезей поступают в компьютер, и сервисная программа, управляющая курсором мыши, перемещает его на экране в требуемом направлении. Эта же программа отслеживает нажатие левой и правой кнопки и число их нажатий за определённый промежуток времени. Программа способна отследить любое количество нажатий от одного до тридцати двух тысяч, однако, на практике используется только одиночный или двойной щелчок кнопки.

Дополнительное устройство для ручного ввода информации - манипулятор "мышь" представляет удобное средство для работы с компьютером. Современные графические операционные системы предоставляют пользователю графические объекты, размещённые на экране дисплея, и обращение к ним производится с помощью движущегося по экрану специального значка – курсора, обычно имеющего вид стрелки, который позволяет активизировать объект, не задумываясь о командах, которые при этом выполняются. Профессиональные пользователи активизируют работу объектов командами с клавиатуры, так как это ускоряет работу и не требует перемещения рук от клавиатуры. Но и профессионалы пользуются мышью, например, работая в графических редакторах или создавая приложения в визуальных средах программирования. Мышь используется и в некоторых игровых программах.

Например, в портативных компьютерах мышь вмон­тирована в корпус компьютера и представляет собой площадку с сенсорами, которые отслеживают движения пальца по площадке и силу его давления и перемещают курсор по экрану или, при более сильном нажатии, выполняют команду. Такие устройства получили названия трекпоинты или трекпады. Но наиболее популярные типы мыши, применяемые в настольных компьютерах, имеют вид небольшой коробочки, сверху которой находятся две кнопки управления командами мыши и колесико скроллинга, применяемого для прокрутки информации в некоторых приложениях. На нижней части находится механическое или электронное устройство, отслеживающее перемещение мыши по поверхности.

Электронные устройства перемещения используют принцип обработки отраженных световых импульсов от поверхности, по которой перемещается мышь. Такие устройства значительно надёжнее механических. Выпускаются мыши, передающие информацию в компьютер по инфракрасному каналу. У таких мышей отсутствует "хвостик", связывающий её с компьютером, из-за которого она и получила своё имя.

 

Джойстик. Манипулятор типа джойстик является основным устройством для управления многочисленными компьютерными играми. Хотя большинство игровых программ допускают управление от клавиатуры, джойстики обеспечивают больший контроль над игрой и значительно полнее передают реальную игровую ситуацию, связанную с работой авиационных, автомобильных и иных имитаторов движения. Для истинных фанатов игр выпускают джойстики, похожие на реальные органы управления объектом: штурвалы, педали, рули и даже целые кабины.

2.8.3. Устройства печати.

Существует несколько типов устройств, обеспечивающих получение твёрдой копии электронного документа на бумаге или другом материале. Наибольшее распространение по