Table Of Content

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» И.М. Ячиков Ю.И. Савченко УСТРОЙСТВО И ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ КОМПЬЮТЕРА IBM PC Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия Магнитогорск 2005 УДК 681.327.8(03) Рецензенты: Доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой прикладной математики и вычислительной техники Магнитогорского государственного университета С.И.Кадченко Кандидат технических наук, доцент кафедры физики Магнитогорского государственного университета Н.И.Дмитриева Ячиков И.М., Савченко Ю.И. Устройство и физические основы работы компьютера IBM PC: Учеб. пособие. – Магнитогорск, МГТУ, 2005. – 166 с. ISBN 5-89514-547-7 Пособие содержит материал по истории развития, устройству и ос- новным физическим принципам, заложенным в работе современных ком- пьютеров IBM PC. Рассмотрена работа системных устройств компьютера и периферийных внешних устройств, работающих совместно с компью- терными системами. Для быстрого и полного понимания материала дана необходимая справочная информация, приведены примеры. По всем те- мам даны контрольные вопросы. Пособие ориентировано на студентов, изучающих дисциплины: «Компьютерные технологии в приборостроении», «Физические основы по- строения ЭВМ», «Организация ЭВМ и систем». Материал пособия может быть интересен и полезен аспирантам, инженерам, а также тем, кто инте- ресуется пониманием процессов, протекающих в ЭВМ, и активно исполь- зует компьютерную технику для решения самых разнообразных нестан- дартных задач. УДК 681.32(07) ISBN 5-89514-547-7 © МГТУ им. Г.И. Носова, 2005 © Ячиков И.М, Савченко Ю.И., 2005 Оглавление ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................... 5 1. ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО И КОНСТРУКЦИЯ IBM РС ................................. 6 1.1. Философия компьютера ...................................................................... 6 1.2. Понятие аналоговых и цифровых сигналов ....................................... 8 1.3. Назначение и функции основных элементов компьютера .............. 10 1.4. Логическое устройство компьютера ................................................. 11 1.5. Виды сопряжения ............................................................................... 14 1.6. Конструкция компьютера ................................................................... 15 1.7. Контрольные вопросы ....................................................................... 17 2. ОСНОВНЫЕ СИСТЕМНЫЕ КОМПОНЕНТЫ IBM РС ............................. 18 2.1. Центральный процессор .................................................................... 18 2.1.1. Назначение процессора и основные его производители .......... 18 2.1.2. Хронология развития процессоров фирмы Intel ........................ 19 2.1.3. Архитектура процессора .............................................................. 26 2.1.4. Технические характеристики процессора .................................. 28 2.1.5. Питание процессора .................................................................... 31 2.1.6. Охлаждение процессора ............................................................. 33 2.1.7. Защита процессора от перегрева ............................................... 38 2.1.8. Разгон процессора ....................................................................... 39 2.2. Материнская плата ............................................................................ 39 2.3. Клавиатура ......................................................................................... 44 2.4. Манипуляторы mouse и trackball ....................................................... 46 2.5. Цифровой аудиоканал ....................................................................... 51 2.6. Акустические системы ....................................................................... 55 2.7. Контрольные вопросы ....................................................................... 57 3. СИСТЕМНАЯ ПАМЯТЬ ............................................................................ 59 3.1. Оперативная память .......................................................................... 59 3.2. Кэш-память ......................................................................................... 63 3.3. Постоянная память ............................................................................ 64 3.4. CMOS-память ..................................................................................... 67 3.5. Контрольные вопросы ....................................................................... 68 4. ВНЕШНЯЯ ПАМЯТЬ ................................................................................ 69 4.1. Память на магнитных дисках ............................................................ 69 4.1.1. Интерфейсы подключения HDD .................................................. 69 4.1.2. Устройство и работа накопителей на магнитных дисках .......... 72 4.1.3. Технические характеристики накопителей на магнитных дисках75 4.1.4. Особенности использования жестких дисков ............................ 78 4.2. Память на оптических дисках ............................................................ 80 4.2.1. Принципы хранения информации на оптических дисках .......... 80 4.2.2. Устройство и принцип работы оптических приводов ................. 82 4.2.3. Характеристики оптических приводов ........................................ 83 4.2.4. Привод CD-RW ............................................................................. 84 4.2.5. Привод DVD-ROM ........................................................................ 88 4.3. Электронная внешняя память ........................................................... 92 4.4. Внешние жесткие диски ..................................................................... 94 3 4.5. Контрольные вопросы ....................................................................... 95 5. ВИДЕОСИСТЕМА КОМПЬЮТЕРОВ IBM PC .......................................... 97 5.1. Семейство видеоадаптеров и мониторов ........................................ 98 5.2. Мониторы с ЭЛТ ................................................................................. 99 5.3. Типы плоских мониторов и принципы их работы ........................... 102 5.4. Основные характеристики мониторов ............................................ 106 5.5. Принцип работы видеоконтроллера ............................................... 109 5.6. Основные характеристики видеоконтроллера ............................... 112 5.7. Видеоускорители ............................................................................. 113 5.8. Контрольные вопросы ..................................................................... 117 6. ВНЕШНИЕ ИНТЕРФЕЙСЫ .................................................................... 118 6.1. Интерфейс RS–232C ....................................................................... 118 6.2. Усовершенствованные стандарты последовательной передачи данных.............................................................................. 123 6.3. Последовательная шина USB ......................................................... 123 6.4. Порт параллельного интерфейса и его использование ................ 125 6.5. Контрольные вопросы ..................................................................... 127 7. СКАНЕРЫ ............................................................................................... 128 7.1. История развития сканеров ............................................................. 128 7.2. Типы сканеров и их устройство ....................................................... 130 7.3. Принцип работы сканеров ............................................................... 133 7.4. Характеристики сканеров ................................................................ 136 7.5. Контрольные вопросы ..................................................................... 138 8. ПРИНТЕРЫ ............................................................................................ 139 8.1. Матричные принтеры ....................................................................... 139 8.2. Струйные принтеры ......................................................................... 143 8.2.1. Некоторые особенности струйных принтеров .......................... 143 8.2.2. Основные технологии струйной печати .................................... 145 8.2.3. Технические характеристики струйных принтеров .................. 148 8.3. Лазерные принтеры ......................................................................... 150 8.3.1. Принцип работы лазерного принтера ....................................... 153 8.3.2. Программное обеспечение для лазерных принтеров ............. 155 8.3.3. Методы улучшения печати ........................................................ 156 8.3.4. Расходные материалы ............................................................... 158 8.3.5. Технические характеристики лазерных принтеров.................. 159 8.4. Сравнительные характеристики принтеров ................................... 160 8.5. Контрольные вопросы ..................................................................... 162 Библиографический список ....................................................................... 163 ПРИЛОЖЕНИЕ ........................................................................................... 164 4 ВВЕДЕНИЕ Для современных технологий характерно быстрое воплоще- ние последних достижений науки в некотором овеществленном облике – в виде переносных компьютеров, сотовых телефонов, средств цифровой кино- и видеосъемки, переносной электронной памяти и т.п. Широко используется новый термин – инновация как продвижение на рынок новых решений и технологий. Казалось бы, какое дело человеку, как функционирует то или другое устройство, какие там протекают физические и информаци- онные процессы, ведь кажется, что намного полезнее для практики знать порядок включения или выключения тех или иных режимов, правила эксплуатации и обслуживания и пр. Однако есть еще люди, которые хотят знать нечто большее, чем расположение кнопок на передней панели. И этому, оказыва- ется, есть объяснение – детальные исследования с применением шкалы всех жизненных ценностей показали: так же, как вода и пи- ща, человеку нужны знания о мире, в котором он живет. То, что на- зывается любознательностью, на самом деле есть просто-таки физиологическая потребность в осведомленности об окружающих нас вещах. Естественно, эта потребность у разных людей различ- ная. Однако для человека, работающего в области компьютерных технологий, приборостроения и автоматики, знание того, как уст- роена компьютерная система и что реально умеют ее компоненты, а что они, в принципе, не смогут сделать, является просто необхо- димым условием. В настоящее время по аппаратным средствам РС существу- ет много литературы как переводной, так и отечественной. В дан- ном пособии сделана попытка полностью уйти от программирова- ния и электроники, а основной упор сделать на разъяснение физи- ческих и технических аспектов функционирования отдельных эле- ментов компьютера и всей компьютерной системы в целом. Компоненты или составные части компьютера будем харак- теризовать по следующим признакам: 1) название и класс устройства; 2) принципы работы; 3) технические характеристики (пользовательские характеристи- ки, потребительские свойства); 4) особенности его работы и используемые интерфейсы сопря- жения; 5) программная поддержка устройства. 5 1. ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО И КОНСТРУКЦИЯ IBM РС Компьютер относится к сложным техническим устройствам. Новичков завораживает своими возможностями и «интеллектом». Но на самом деле все, что может компьютер, заложено человеком в виде программ и аппаратной логики. Будем исходить из того, что понять его функционирование, а тем более научиться на нем ра- ботать, не так сложно и доступно любому человеку. 1.1. Философия компьютера Практически каждому понятно, что компьютер работает с информацией, получаемой с клавиатуры, внешних носителей па- мяти, приходящей по сети и т.п. Информация является исходным сырьем, далее происходит ее хранение, преобразование, обработ- ка или передача. В результате работы компьютера мы получаем готовую продукцию опять же в виде какой-то информации: таблич- ной, графической, мультимедийной и т.п. В компьютерной технике под информацией понимают сооб- щения в форме знаков или сигналов, хранимые, передаваемые и обрабатываемые с помощью технических средств, не учитывая смысл этих сигналов. Передача, запись и хранение информации всегда связана с материальным носителем. Это может быть: • материальный предмет, например бумага, камень, эк- ран, небо, хранящее след самолета; • волны различной природы: акустические (звук), электро- магнитные (свет, радиоволны, тепловые или инфракрас- ные), гравитационные (давление, притяжение); • вещество в различных состояниях: кристаллическое – полиморфное, магнитное – немагнитное, жидкое – газо- образное. Первоначально носителями информации для человека были вещи, наиболее доступные ему. Наши древние предки оставили информацию о себе в виде наскальных росписей в пещерах, где они обитали. Позже информация о волнующих людей различных и важных для человека событиях наносилась на поверхности искус- ственных, как правило, монументальных сооружений, которые и донесли ее до наших дней (пирамиды, ритуальные сооружения, статуи и т.п.). Для передачи информации большую роль играют знаки. С точки зрения теории моделей, знаки относятся к материальным моделям условного подобия. Они являются способом материаль- 6 ного воплощения абстрактных моделей, их вещественной формой. Понятие «знак» очень близко по своему смыслу к понятиям «сиг- нал» и «символ». Чтобы подчеркнуть, что носителем информации является физический предмет с каким-либо изображением на нем, говорят, информация знаковая. Например: дорожный знак, водяной знак на бумаге, вертикальный дым из трубы – знак хорошей погоды. А ес- ли носителем информации является волна, то говорят, что ин- формация переносится в виде сигналов. Например: финальный свисток арбитра, красный свет светофора, радиосигнал точного времени, сигнал SOS и т.п. Один и тот же знак, один и тот же сигнал может нести для воспринимающего его человека разное значение или смысл. На- полнение знаков и сигналов смыслом превращает их в символы. Например, знак «Р» может восприниматься и как русская буква «Эр» или латинская буква «Пи», и как обозначение химического элемента фосфора, как автомобильный знак стоянки и т.п. В жизни человека источники информации могут быть самые разные, довольно простые для понимания и распознавания: под- нят или опущен флаг на корабле, есть свет в окне или он отсутст- вует, сигнал начала боевых действий – зеленая + красная ракеты и т.п. Но в нашей жизни присутствует информация и более слож- ной природы, доступная для восприятия только человеку: художе- ственный роман, математическая формула, рисунок, песня, танец и т.п. Возникает вопрос: всякую ли информацию можно заложить в компьютер, чтобы каким-то образом ее можно было сохранить, об- работать и передать? Согласно современным представлениям технические уст- ройства могут хранить, обрабатывать, преобразовывать сигналы только в том случае, если их можно получить в электрической форме. Из всех возможных сигналов только сигналы, передавае- мые в электрической форме (электромагнитные волны), обладают рядом достоинств: 1) при их передаче нет механических устройств; 2) скорость передачи близка к скорости света; 3) электрические сигналы легко обрабатывать и преобразовывать посредством различных электронных устройств с высоким бы- стродействием. Их легко наблюдать и измерять. Отсюда и получается вывод о том, что любой компьютер может работать с некой информацией только в том случае, если ее можно представить в электрическом виде. 7 Возникает также вопрос, а какие задачи можно решить по- средством компьютера? Понятно, что не всякую задачу можно по- ручить компьютеру. Вернее поручить можно, но сможет ли он ее правильно решить? Надо четко представлять себе, что способно- сти компьютера ограничены. Находить верные решения плохо по- ставленных и слабо формализованных задач пока способен только человек. Только он может находить эвристические алгоритмы и способен ориентироваться в незнакомых условиях (в условиях не- определенности или неполной информации). Компьютер – это автомат, и он может решить лишь ту зада- чу, которая имеет четкий, проверенный алгоритм. Хотя имеется прогресс и в этой области: появляются программно-аппаратные средства с элементами искусственного интеллекта. 1.2. Понятие аналоговых и цифровых сигналов В реальной жизни мы чаще всего сталкиваемся и восприни- маем непрерывные сигналы. Речь человека, музыка, созерцание природы, по сути, представляют собой непрерывный сигнал. Мы сталкиваемся и с дискретными сигналами, которые несут отдель- ные цифры, символы, знаки, но значительно реже в суммарном потоке сигналов. Обычно информация сложной природы (речевой сигнал в те- лефонии и радиовещании, телевизионный сигнал и др.) имеет анало- говую форму, описываемую непрерывной во времени функцией. Аналоговый электрический сигнал – сигнал, представленный непрерывно изменяющимся по амплитуде и времени уровнем напря- жения или тока (рис. 1.1). Передача, хранение и обработка таких сиг- налов может осуществляться также в аналоговой форме. В последнее время в технике все более широкое распро- странение получают системы передачи и обработки сигналов, в которых поступающие на вход аналоговые сигналы преобразуются в цифровую форму, полученные цифровые сигналы передаются или обрабатываются, на выходе системы производится обратное преобразование сигналов из цифровой формы в аналоговую. Использование цифровой формы представления сигналов может обеспечить более высокую помехоустойчивость при пере- даче сигналов, стабильность параметров обработки (независи- мость от времени и влияния изменений в окружающей среде – температуры, влажности и т.д.). Цифровые или дискретные сигналы, могут принимать лишь конечное число значений, поэтому если его разбить на интервалы времени, а каждое значение сигнала соответственно обозначить 8 определенной цифрой, то весь сигнал мы можем закодировать как последовательность цифр, откуда и произошло название данных сигналов. Необходимо представлять себе, что любой сигнал – это все- гда передача альтернативы. Если альтернативы нет, то лучше все- го и легче будет отсутствие передачи сообщения вообще. В своей повседневной практике мы постоянно сталкиваемся с процессами кодирования. Сведения, образы, чувства, эмоции мы выражаем с помощью специально предназначенных для этого зна- ков, сигналов, жестов, звуков, букв и пр. Абстрактная составляю- щая сигнала называется кодом. Код (от французского code – кодекс, свод законов) составляет основу кодирования – представления информации в виде знаков. В автоматике и вычислительной технике используется для кодирования информации двоичный алфавит, основанный на двух состояниях 0 и 1, т.е. двоичный сигнал – это последовательность импульсов, где важна не амплитуда сигнала, а лишь время его по- явления или пропадания (рис. 1.2). Это позволяет использовать достаточно простые устройства для представления и автоматического распознавания (дешифровка, декодирование) сигналов. Устройства должны уметь распознавать всего два состояния – наличие или отсутствие тока или напряжения. 1.2 U, I U, I14 1 12 0.8 10 8 0.6 6 0.4 4 0.2 2 0 0 0 1 2 3 4 5 0 5 10 15 20 25 30 время время Рис. 1.1. Аналоговый сигнал Рис.1.2. Цифровой сигнал С учетом всего сказанного можно дать следующее определе- ние компьютера: Компьютер – устройство для приема, хранения и обработки информации самой различной природы, представленной в двоичном цифровом виде. Это автомат, исполняющий четко определенную последовательность операций, предписанную программой. 9 1.3. Назначение и функции основных элементов компьютера Фирма IBM (International Business Machines Corporation) яв- ляется ведущей компанией в мире по производству персональных компьютеров, начиная с 80-х годов прошлого столетия. Рассмотрим основную структуру и характеристики персонально- го компьютера фирмы IBM PC. Обычный классический персональный компьютер IBM PC состоит из четырех основных частей (рис. 1.3): • системный блок – основная электронная начинка PC; • монитор (или дисплей), служащий для изображения тек- стовой и графической информации; • клавиатура, позволяющая вводить в компьютер информа- цию посредством нажатия клавиш и их комбинаций; • манипулятор мышь – устройство, облегчающее ввод ин- формации в компьютер. К системному блоку компьютера IBM РС можно подключать различные устройства ввода-вывода информации, расширяя тем самым его функциональные возможности. Многие устройства под- соединяются через специальные гнезда (разъемы), находящиеся на задней или передней стенке системного блока компьютера. Кроме монитора и клавиатуры такими устройствами являются: • принтер – для вывода на печать текстовой и графической информации; • джойстик – манипулятор в виде укрепленной на шарнире ручки с кнопкой, используется в основном для компьютер- ных игр; • сканер – устройство для ввода графической или текстовой информации с листа в компьютер; • ряд других устройств, например фотокамера, видеокамера, переносные устройства памяти и т. д. Рис. 1.3. Внешний вид персонального компьютера 10