Внутренние устройства системного блока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики»

Курсовая работа

по ВМСиС

Внутренние устройства системного блока

Преподаватель:

Иванюгин В.М.

Студент: Огнева М.А.

Группа: КС-41-08

Москва 2011



Содержание

процессорный плата компьютерный

Глава 1. Материнская плата

1.1 Процессор

1.2 Чипсет

1.3 Шины

1.4 Оперативное запоминающее устройство

1.5 Постоянное запоминающее устройство

1.6 Слоты

Глава 2. Видеокарта, звуковая карта

Глава 3. Жесткий диск

Глава 4. Дисководы гибких дисков, компакт-дисков

Выводы и предложения

Список использованной литературы



Глава 1. Материнская плата

Системная плата (англ. motherboard, MB, материмнская пламта, также используется название англ. mainboard -- главная плата; на компьютерном жаргоне -- мама, мать, материнка) -- это сложная многослойная печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера либо сервера начального уровня (центральный процессор, контроллер ОЗУ и собственно ОЗУ, загрузочное ПЗУ, контроллеры базовых интерфейсов ввода-вывода). Именно материнская плата объединяет и координирует работу таких различных по своей сути и функциональности комплектующих, как процессор, оперативная память, платы расширения и всевозможные накопители. Это второй по важности компонент системного блока.

Если говорить о компьютерной начинке, то долгое время различные устройства выпускались либо OEM-компаниями, либо собственно компьютерными производителями. Например, произведенная отдельно как коммерческий продукт, материнская плата появилась на рынке только в 90-х годах. Если говорить о конкретных производителях, то, например, среди продукции компании Intel - это модель Batman. Основные компоненты, установленные на системной плате (рис. 2).

Форм-фактор системной платы (рис. 1) -- стандарт, определяющий размеры системной платы для персонального компьютера, места ее крепления к корпусу; расположение на ней интерфейсов шин, портов ввода/вывода, разъёма центрального процессора (если он есть) и слотов для оперативной памяти, а также тип разъема для подключения блока питания.

Форм-фактор (как и любые другие стандарты) носит рекомендательный характер. Спецификация форм-фактора определяет обязательные и опциональные компоненты. Однако подавляющее большинство производителей предпочитают соблюдать спецификацию, поскольку ценой соответствия существующим стандартам является совместимость системной платы и стандартизированного оборудования (периферии, карт расширения) других производителей.

Устаревшие: Baby-AT; Mini-ATX; полноразмерная плата AT; LPX.

Современные: АТХ; microATX; Flex-ATX; NLX; WTX, CEB.

Внедряемые: Mini-ITX и Nano-ITX; Pico-ITX; BTX, MicroBTX и PicoBTX

Рис. 1

Рис. 2



Существуют системные платы, не соответствующие никаким из существующих форм-факторов. Обычно это обусловлено либо тем, что производимый компьютер узкоспециализирован, либо желанием производителя системной платы самостоятельно производить и периферийные устройства к ней, либо невозможностью использования стандартных компонентов (так называемый «бренд», например Apple Computer, Commodore, Silicon Graphics, Hewlett Packard, Compaq чаще других игнорировали стандарты; кроме того в нынешнем виде распределённый рынок производства сформировался только к 1987 году, когда многие производители уже создали собственные платформы).

Наиболее известными производителями системных плат на российском рынке в настоящее время являются фирмы Asus, Gigabyte, MSI, Intel, Biostar, Elitegroup, ASRock. Ранее большой известностью пользовались платы фирм Abit, Epox и Albatron. На сегодня эти три фирмы прекратили выпуск системных плат. Из российских производителей системных плат можно упомянуть только компанию Формоза, которая производила платы, используя компоненты фирм Lucky Star и Albatron. Из украинских -- корпорацию «Квазар-Микро»

1.1 Процессор

Центрамльный процемссор (ЦП, или центральное процессорное устройство -- ЦПУ; англ. central processing unit, сокращенно -- CPU, дословно -- центральное обрабатывающее устройство) -- электронный блок либо микросхема -- исполнитель машинных инструкций (кода программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором. Изначально термин центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.

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.

1.2 Чипсет

Чипсет (англ. chipset) -- набор микросхем, спроектированных для совместной работы с целью выполнения набора каких-либо функций. Так, в компьютерах чипсет, размещаемый на материнской плате, выполняет роль связующего компонента, обеспечивающего совместное функционирование подсистем памяти, центрального процессора (ЦП), ввода-вывода и других.

Как правило, современные наборы системной логики строятся на базе двух СБИС: «северного» и «южного мостов».

· Северный мост (англ. Northbridge), MCH (Memory controller hub), системный контроллер -- обеспечивает подключение ЦПУ к узлам, использующим высокопроизводительные шины: ОЗУ, графический контроллер. Для подключения ЦПУ к системному контроллеру могут использоваться такие FSB-шины, как Hyper-Transport и SCI. Обычно к системному контроллеру подключается ОЗУ. В таком случае он содержит в себе контроллер памяти. Таким образом, от типа применённого системного контроллера обычно зависит максимальный объём ОЗУ, а также пропускная способность шины памяти персонального компьютера. Но в настоящее время имеется тенденция встраивания контроллера ОЗУ непосредственно в ЦПУ (например, контроллер памяти встроен в процессор в AMD K8 и Intel Core i7), что упрощает функции системного контроллера и снижает тепловыделение. В качестве шины для подключения графического контроллера на современных системных платах используется PCI Express. Ранее использовались общие шины (ISA, VLB, PCI) и шина AGP.

· Южный мост (англ. Southbridge), ICH (I/O controller hub), периферийный контроллер -- содержит контроллеры периферийных устройств (жёсткого диска, Ethernet, аудио), контроллеры шин для подключения периферийных устройств (шины PCI, PCI-Express и USB), а также контроллеры шин, к которым подключаются устройства, не требующие высокой пропускной способности (LPC -- используется для подключения загрузочного ПЗУ; также шина LPC используется для подключения мультиконтроллера (англ. Super I/O) -- микросхемы, обеспечивающей поддержку «устаревших» низкопроизводительных интерфейсов передачи данных: последовательного и параллельного интерфейсов, контроллера клавиатуры и мыши). Также включает в себя часы реального времени (Real Time Clock), управление питанием (Power management, APM и ACPI) и энергонезависимую память BIOS (CMOS).

Как правило, северный и южный мосты реализуются в виде отдельных СБИС, однако существуют и одночиповые решения. Именно набор системной логики определяет все ключевые особенности системной платы и то, какие устройства могут подключаться к ней.

1.3 Шины

Компьютерная шимна (от англ. computer bus, bidirectional universal switch -- двунаправленный универсальный коммутатор) -- в архитектуре компьютера подсистема, которая передаёт данные между функциональными блоками компьютера. Обычно шина управляется драйвером. В отличие от связи точка-точка, к шине можно подключить несколько устройств по одному набору проводников. Каждая шина определяет свой набор коннекторов (соединений) для физического подключения устройств, карт и кабелей.

Ранние компьютерные шины представляли собой параллельные электрические шины с несколькими подключениями, но сейчас данный термин используется для любых физических механизмов, предоставляющих такую же логическую функциональность, как параллельные компьютерные шины. Современные компьютерные шины используют как параллельные, так и последовательные соединения и могут иметь параллельные (multidrop) и цепные (daisy chain) топологии. В случае USB и некоторых других шин могут также использоваться хабы (концентраторы).

В материнской плате присутствуют:

· Фронтальная шина (Front Side Bus - FSB) - интерфейс, соединяющий центральный процессор ПК с чипсетом материнской платы и оперативной памятью. Частота фронтальной шины напрямую влияет на скорость операций с нею.

· Шина графического контроллера

· Шина памяти - это шина, по которой память обменивается данными с графическим процессором. За один раз по этой шине может быть передано, соответственно, 128 или 256 бит. Для видеокарт нижней и средней категории 256-бит шина - это лишнее, им достаточно и 128 бит. Для более производительных видеокарт (nVidia GeForce FX5900 и выше, ATi Radeon 9700 и выше) узкая шина памяти будет ограничивать производительность, для этих видеокарт ширина шины памяти должна быть 256 бит.

· Внутренняя шина. Делится на последовательные и параллельные. Основным отличием параллельных шин от последовательных является сам способ передачи данных. В параллельных шинах понятие «ширина шины» соответствует её разрядности - количеству сигнальных линий, или, другими словами, количеству одновременно передаваемых («выставляемых на шину») битов информации. Сигналом для старта и завершения цикла приёма/передачи данных служит внешний синхросигнал. В последовательных же каналах передачи используется одна сигнальная линия (возможно использование двух отдельных каналов для разделения потоков приёма-передачи). Соответственно, информационные биты здесь передаются последовательно. Данные для передачи через последовательную шину облекаются в пакеты (пакет - единица информации, передаваемая как целое между двумя устройствами), в которые, помимо собственно полезных данных, включается некоторое количество служебной информации: старт-биты, заголовки пакетов, синхросигналы, биты чётности или контрольные суммы, стоп-биты и т. п.

· Шина PCI (англ. Peripheral component interconnect, дословно -- взаимосвязь периферийных компонентов) (рис. 3)-- шина ввода/вывода для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера.

Рис. 3

· Шина PCI Express, или PCIe, или PCI-E (также известная как 3GIO for 3rd Generation I/O; не путать с PCI-X и PXI) (рис. 4) -- компьютерная шина, использующая программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол, основанный на последовательной передаче данных. В отличие от шины PCI, использовавшей для передачи данных общую шину, PCI Express, в общем случае, является пакетной сетью с топологией типа звезда, устройства PCI Express взаимодействуют между собой через среду, образованную коммутаторами, при этом каждое устройство напрямую связано соединением типа точка-точка с коммутатором. Кроме того, шиной PCI Express поддерживается: горячая замена карт; гарантированная полоса пропускания (QoS); управление энергопотреблением; контроль целостности передаваемых данных.



Рис. 4

· Шина LPC (Low Pin Count, малое число контактов) -- шина, разработанная компанией Intel и предназначенная главным образом для подключения стандартных устройств, доставшихся современным персональным компьютерам «в наследство» от ранних ПК и обычно называемых унаследованными (legacy). Раньше такие устройства подключались к шине ISA.

1.4 Оперативное запоминающее устройство

Оперативное запоминающее устройство, ОЗУ -- техническое устройство, реализующее функции оперативной памяти.

ОЗУ может изготавливаться как отдельный блок или входить в конструкцию, например однокристальной ЭВМ или микроконтроллера.

Оператимвная паммять (англ. Random Access Memory, память с произвольным доступом) -- энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой временно хранятся данные и команды, необходимые процессору для выполнения им операции. Обязательным условием является адресуемость (каждое машинное слово имеет индивидуальный адрес) памяти. Передача данных в/из оперативную память процессором производится непосредственно, либо через сверхбыструю память.

· Память динамического типа (англ. DRAM (Dynamic Random Access Memory)) Экономичный вид памяти. Для хранения разряда (бита или трита) используется схема, состоящая из одного конденсатора и одного транзистора (в некоторых вариациях конденсаторов два). Такой вид памяти решает, во-первых, проблему дороговизны (один конденсатор и один транзистор дешевле нескольких транзисторов) и во-вторых, компактности (там, где в SRAM размещается один триггер, то есть один бит, можно уместить восемь конденсаторов и транзисторов). Память статического типа (англ. SRAM (Static Random Access Memory)) ОЗУ, которое не надо регенерировать (и обычно схемотехнически собранное на триггерах), называется статической памятью с произвольным доступом или просто статической памятью. Достоинство этого вида памяти -- скорость. Поскольку триггеры собраны на вентилях, а время задержки вентиля очень мало, то и переключение состояния триггера происходит очень быстро. Данный вид памяти не лишён недостатков. Во-первых, группа транзисторов, входящих в состав триггера, обходится дороже, даже если они вытравляются миллионами на одной кремниевой подложке. Кроме того, группа транзисторов занимает гораздо больше места, поскольку между транзисторами, которые образуют триггер, должны быть вытравлены линии связи. Используется для организации сверхбыстрого ОЗУ, критичного к скорости работы.

· Память DDR SDRAM. С ростом тактовой частоты процессоров шестого поколения (Pentium II/III, K6, Athlon) пропускная способность шины памяти все менее удовлетворяла требованиям, предъявляемым процессором и шинами AGP и PCI. У памяти работающей на частоте 133 МГц памяти PC133 пиковая пропускная способность равна 1017 Мб/с. Столько же требует процессор, работающий на 133-мегагерцовой системной шине, еще столько же -- шина AGP 4x, еще до 127 Мб/с требуется шине PCI. Получается, что пиковая производительность шины памяти более чем вдвое уступает максимальным требованиям системы.

· DDR2 является наследницей DDR. Вполне вероятно, что в течение ближайшего года DDR2 станет доминирующим типом памяти для настольных компьютеров, серверов и рабочих станций. DDR2 рассчитана на работу на более высоких частотах, чем DDR, характеризуется меньшим энергопотреблением, а также набором новых функций (предвыборка 4 бита, отложенный CAS, встроенная терминация, внешняя калибровка формирователя). Кроме того, в отличие от чипов DDR, которые выпускались как в корпусировке TSOP, так и в корпусировке FBGA, чипы DDR2 выпускаются только в корпусировке FBGA (это необходимо для стабильной работы на высоких частотах).

· DDR3 SDRAM (англ. double-data-rate three synchronous dynamic random access memory -- синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных, третье поколение) -- это тип оперативной памяти, используемой в вычислительной технике в качестве оперативной и видеопамяти. Пришла на смену памяти типа DDR2 SDRAM. У DDR3 уменьшено на 40% (по другим данным -- 30%[1][2]) потребление энергии по сравнению с модулями DDR2, что обусловлено пониженным (1,5 В, по сравнению с 1,8 В для DDR2 и 2,5 В для DDR) напряжением питания ячеек памяти.[2] Снижение напряжения питания достигается за счёт использования 90-нм (вначале, в дальнейшем 65-, 50-, 40-нм) техпроцесса при производстве микросхем и применения транзисторов с двойным затвором Dual-gate (что способствует снижению токов утечки).



1.5 Постоянное запоминающее устройство

К постоянной памяти относят постоянное запоминающее устройство, ПЗУ (в англоязычной литературе - Read Only Memory, ROM, что дословно переводится как "память только для чтения"), перепрограммируемое ПЗУ, ППЗУ (в англоязычной литературе - Programmable Read Only Memory, PROM), и флэш-память (flash memory). Название ПЗУ говорит само за себя. Информация в ПЗУ записывается на заводе-изготовителе микросхем памяти, и в дальнейшем изменить ее значение нельзя. В ПЗУ хранится критически важная для компьютера информация, которая не зависит от выбора операционной системы. Программируемое ПЗУ отличается от обычного тем, что информация на этой микросхеме может стираться специальными методами (например, лучами ультрафиолета), после чего пользователь может повторно записать на нее информацию. Эту информацию будет невозможно удалить до следующей операции стирания информации. Подвиды:

· Flash-память (Flash по-английски - это "вспышка, проблеск") Флэш-память является энергонезависимой памятью, (как и ПЗУ и ППЗУ). При выключении компьютера ее содержимое сохраняется. Однако содержимое flash-памяти можно многократно перезаписывать, не вынимая ее из компьютера (в отличие от ППЗУ). Запись происходит медленнее, чем считывание, и осуществляется импульсами повышенного напряжения. Вследcтвие этого, а также из-за ее стоимости, флэш-память не заменит микросхемы ОЗУ.

· CMOS-память - энергозависимая, перезаписываемая память, которая при своей работе, однако, почти не потребляет энергии. CMOS переводится как complementary metal oxode semiconductor - "комплиментарный металл - оксид - полупроводниковый". Достоинства этой памяти - низкое потребление энергии, высокое быстродействие. В CMOS - памяти компьютера находятся важные для его работы настройки, которые пользователь может менять для оптимизации работы компьютера. Питается эта память от небольшого аккумулятора, встроенного в материнскую плату.

1.6 Слоты

Слот расширемния -- щелевой разъём (обычно в компьютере, слово "slot" означает "щель"), соединённый с системной шиной и предназначенный для установки дополнительных модулей (карт расширения), расширяющих конфигурацию устройства.



Глава 2. Видеокарта, звуковая карта

Видеокарта

Видеокамрта (известна также как графимческая пламта, графимческая камрта, видеоадамптер, графический адамптер) -- устройство, преобразующее графический образ, хранящийся, как содержимое памяти компьютера или самого адаптера, в иную форму, предназначенную для дальнейшего вывода на экран монитора. В настоящее время эта функция утратила основное значение, и в первую очередь под графическим адаптером понимают устройство с графическим процессором - графический ускоритель, который и занимается формированием самого графического образа.

Обычно видеокарта является платой расширения и вставляется в разъём расширения, универсальный (PCI-Express, PCI, ISA, VLB, EISA, MCA) или специализированный (AGP), но бывает и встроенной (интегрированной) в системную плату (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.

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.



Nvidia GeForce GTX 570 от MSI (PCI Express x 16)

Устройство:

Современная видеокарта состоит из следующих частей:

· графический процессор (Graphics processing unit -- графическое процессорное устройство) -- занимается расчётами выводимого изображения, освобождая от этой обязанности центральный процессор, производит расчёты для обработки команд трёхмерной графики. Является основой графической платы, именно от него зависят быстродействие и возможности всего устройства. Современные графические процессоры по сложности мало чем уступают центральному процессору компьютера, и зачастую превосходят его как по числу транзисторов, так и по вычислительной мощности, благодаря большому числу универсальных вычислительных блоков. Однако, архитектура GPU прошлого поколения обычно предполагает наличие нескольких блоков обработки информации, а именно: блок обработки 2D-графики, блок обработки 3D-графики, в свою очередь, обычно разделяющийся на геометрическое ядро (плюс кэш вершин) и блок растеризации (плюс кэш текстур) и др.

· видеоконтроллер -- отвечает за формирование изображения в видеопамяти, даёт команды RAMDAC на формирование сигналов развёртки для монитора и осуществляет обработку запросов центрального процессора. Кроме этого, обычно присутствуют контроллер внешней шины данных (например, PCI или AGP), контроллер внутренней шины данных и контроллер видеопамяти. Ширина внутренней шины и шины видеопамяти обычно больше, чем внешней (64, 128 или 256 разрядов против 16 или 32), во многие видеоконтроллеры встраивается ещё и RAMDAC. Современные графические адаптеры (ATI, nVidia) обычно имеют не менее двух видеоконтроллеров, работающих независимо друг от друга и управляющих одновременно одним или несколькими дисплеями каждый.

· видеопамять -- выполняет роль кадрового буфера, в котором хранится изображение, генерируемое и постоянно изменяемое графическим процессором и выводимое на экран монитора (или нескольких мониторов). В видеопамяти хранятся также промежуточные невидимые на экране элементы изображения и другие данные. Видеопамять бывает нескольких типов, различающихся по скорости доступа и рабочей частоте. Современные видеокарты комплектуются памятью типа DDR, GDDR2, GDDR3, GDDR4 и GDDR5. Следует также иметь в виду, что помимо видеопамяти, находящейся на видеокарте, современные графические процессоры обычно используют в своей работе часть общей системной памяти компьютера, прямой доступ к которой организуется драйвером видеоадаптера через шину AGP или PCIE. В случае использования архитектуры Uniform Memory Access в качестве видеопамяти используется часть системной памяти компьютера.

· цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, RAMDAC -- Random Access Memory Digital-to-Analog Converter) -- служит для преобразования изображения, формируемого видеоконтроллером, в уровни интенсивности цвета, подаваемые на аналоговый монитор. Возможный диапазон цветности изображения определяется только параметрами RAMDAC. Чаще всего RAMDAC имеет четыре основных блока: три цифроаналоговых преобразователя, по одному на каждый цветовой канал (красный, зелёный, синий - RGB), и SRAM для хранения данных о гамма-коррекции. Большинство ЦАП имеют разрядность 8 бит на канал -- получается по 256 уровней яркости на каждый основной цвет, что в сумме дает 16,7 млн. цветов (а за счёт гамма-коррекции есть возможность отображать исходные 16,7 млн. цветов в гораздо большее цветовое пространство). Некоторые RAMDAC имеют разрядность по каждому каналу 10 бит (1024 уровня яркости), что позволяет сразу отображать более 1 млрд. цветов, но эта возможность практически не используется. Для поддержки второго монитора часто устанавливают второй ЦАП. Стоит отметить, что мониторы и видеопроекторы, подключаемые к цифровому DVI выходу видеокарты, для преобразования потока цифровых данных используют собственные цифроаналоговые преобразователи и от характеристик ЦАП видеокарты не зависят.

· видео-ПЗУ (Video ROM) -- постоянное запоминающее устройство, в которое записаны видео-BIOS, экранные шрифты, служебные таблицы и т. п. ПЗУ не используется видеоконтроллером напрямую -- к нему обращается только центральный процессор. Хранящийся в ПЗУ видео-BIOS обеспечивает инициализацию и работу видеокарты до загрузки основной операционной системы, а также содержит системные данные, которые могут читаться и интерпретироваться видеодрайвером в процессе работы (в зависимости от применяемого метода разделения ответственности между драйвером и BIOS). На многих современных картах устанавливаются электрически перепрограммируемые ПЗУ (EEPROM, Flash ROM), допускающие перезапись видео-BIOS самим пользователем при помощи специальной программы.

· система охлаждения -- предназначена для сохранения температурного режима видеопроцессора и видеопамяти в допустимых пределах.

Правильная и полнофункциональная работа современного графического адаптера обеспечивается с помощью видеодрайвера -- специального программного обеспечения, поставляемого производителем видеокарты и загружаемого в процессе запуска операционной системы. Видеодрайвер выполняет функции интерфейса между системой с запущенными в ней приложениями и видеоадаптером. Так же как и видео-BIOS, видеодрайвер организует и программно контролирует работу всех частей видеоадаптера через специальные регистры управления, доступ к которым происходит через соответствующую шину.

Характеристики:

· ширина шины памяти, измеряется в битах -- количество бит информации, передаваемой за такт. Важный параметр в производительности карты.

· объём видеопамяти, измеряется в мегабайтах -- объём собственной оперативной памяти видеокарты. Больший объём далеко не всегда означает большую производительность.

Видеокарты, интегрированные в набор системной логики материнской платы или являющиеся частью ЦПУ, обычно не имеют собственной видеопамяти и используют для своих нужд часть оперативной памяти компьютера (UMA -- Unified Memory Access).

· частоты ядра и памяти -- измеряются в мегагерцах, чем больше, тем быстрее видеокарта будет обрабатывать информацию.

· текстурная и пиксельная скорость заполнения, измеряется в млн. пикселов в секунду, показывает количество выводимой информации в единицу времени.

· выводы карты -- видеоадаптеры VGA и более поздние обычно имели всего один разъём VGA (15-контактный D-Sub). Изредка ранние версии VGA-адаптеров имели также разъём предыдущего поколения (9-контактный) для совместимости со старыми мониторами. Выбор рабочего выхода задавался переключателями на плате видеоадаптера. В настоящее время платы оснащают разъёмами DVI или HDMI, либо Display Port в количестве от одного до трех. Порты DVI и HDMI являются эволюционными стадиями развития стандарта передачи видеосигнала, поэтому для соединения устройств с этими типами портов возможно использование переходников. Порт DVI бывает двух разновидностей. DVI-I также включает аналоговые сигналы, позволяющие подключить монитор через переходник на разъём D-SUB. DVI-D не позволяет этого сделать. Display Port позволяет подключать до четырёх устройств, в том числе акустические системы, USB-концентраторы и иные устройства ввода-вывода. На видеокарте также возможно размещение композитных и S-Video видеовыходов и видеовходов (обозначаются, как ViVo).

9-контактный разъём S-Video TV-Out, DVI и D-Sub.

Поколение 3D ускорителей:

Самые первые ускорители использовали Glide -- API для трёхмерной графики, разработанный 3dfx Interactive для видеокарт на основе собственных графических процессоров Voodoo Graphics.

Затем поколения ускорителей в видеокартах можно считать по версии DirectX, которую они поддерживают. Различают следующие поколения:

· DirectX 7 -- карта не поддерживает шейдеры, все картинки рисуются наложением текстур;

· DirectX 8 -- поддержка пиксельных шейдеров версий 1.0, 1.1 и 1.2, в DX 8.1 ещё и версию 1.4, поддержка вершинных шейдеров версии 1.0;

· DirectX 9 -- поддержка пиксельных шейдеров версий 2.0, 2.0a и 2.0b, 3.0;

· DirectX 10 -- поддержка унифицированных шейдеров версии 4.0;

· DirectX 10.1 -- поддержка унифицированных шейдеров версии 4.1;

· DirectX 11 -- поддержка унифицированных шейдеров версии 5.0.

Также поколения ускорителей в видеокартах можно считать по версии OpenGL, которую они поддерживают:

· OpenGL 1.0

· OpenGL 1.2

· OpenGL 1.4

· OpenGL 2.0

· OpenGL 2.1

· OpenGL 3.0

· OpenGL 3.1

· OpenGL 3.2

· OpenGL 4.0

· OpenGL 4.1

· OpenGL 4.2

Звуковая карта

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 компьютерах чаще представлены в виде интегрированного в материнскую плату аппаратного кодека (согласно спецификации Intel AC'97 или Intel HD Audio).

Интегрированная аудиоподсистема:

AC'97 (сокращенно от англ. audio codec '97) -- это стандарт для аудиокодеков, разработанный подразделением Intel Architecture Labs компании Intel в 1997 г. Этот стандарт используется в основном в системных платах, модемах, звуковых картах и корпусах с аудиорешением передней панели. AC'97 поддерживает частоту дискретизации 96 кГц при использовании 20-разрядного стерео-разрешения и 48 кГц при использовании 20-разрядного стерео для многоканальной записи и воспроизведения.

AC'97 состоит из встроенного в южный мост чипсета хост-контроллера и расположенного на плате аудиокодека. Хост-контроллер (он же цифровой контроллер, DC'97; англ. digit controller) отвечает за обмен цифровыми данными между системной шиной и аналоговым кодеком. Аналоговый кодек -- это небольшой чип (4Ч4 мм, корпус TSOP, 48 выводов), который осуществляет аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразования в режиме программной передачи или по DMA. Состоит из узла, непосредственно выполняющего преобразования -- АЦП/ЦАП (аналогово-цифровой преобразователь / цифро-аналоговый преобразователь; англ. analog digital converter / digital analog converter, сокр. ADC/DAC). От качества применяемого АЦП/ЦАП во многом зависит качество оцифровки и декодирования цифрового звука.

HD Audio (от англ. high definition audio -- звук высокой четкости) является эволюционным продолжением спецификации AC'97, предложенным компанией Intel в 2004 году, обеспечивающим воспроизведение большего количества каналов с более высоким качеством звука, чем при использовании интегрированных аудиокодеков AC'97. Аппаратные средства, основанные на HD Audio, поддерживают 24-разрядное качество звучания (до 192 кГц в стереорежиме, до 96 кГц в многоканальном режимах -- до 8 каналов).

Формфактор кодеков и передачи информации между их элементами остался прежним. Изменилось только качество микросхем и подход к обработке звука.

Сравнение спецификаций:

AC'97	HD Audio	Преимущество HD Audio
20 бит 96 кГц максимум	32 бит 192 кГц максимум	Полноценная поддержка новых форматов, таких как DVD-Audio
2.0	5.1/7.1	Полноценная поддержка новых форматов, таких как Dolby Digital Surround EX, DTS ES
Полоса пропускания 11,5 Мб/с	48 Мб/с выход, 24 Мб/с вход	Выше полоса пропускания позволяет использовать большее число каналов в более детальных форматах
Фиксированная полоса пропускания	Задаваемая полоса пропускания	Используются только необходимые ресурсы
Определённый канал DMA	DMA каналы общего назначения	Поддержка многопоточности и нескольких подобных устройств
Одно звуковое устройство в системе	Несколько логических звуковых устройств	Поддержка концепции Digital Home / Digital Office, вывод разных звуков на разные выводы для мультирумных возможностей и отдельного голосового чата во время онлайн-игр
Опорная частота задаётся извне, основным кодеком	Опорная частота берётся от чипсета (ICH)	Единый высококачественный задающий генератор для синхронизации
Стабильность работы зависит от стороннего ПО третьих фирм	Универсальная архитектура звукового драйвера от Microsoft	Единый драйвер для большей стабильности OS и базовой функциональности, не требуется специальная установка драйверов
Ограниченное автоопределение и переопределение	Полное автоопределение и переопределение	Полная поддержка Plug and Play
Стереомикрофон или 2 микрофона	Поддержка массива из 16 микрофонов, максимум	Более точные ввод и распознавание речи



Глава 3. Жесткий диск

Накопимтель на жёстких магнимтных димсках или НЖМД (англ. hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD), жёсткий диск, в компьютерном сленге «винчемстер» -- запоминающее устройство (устройство хранения информации) произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.

В Европе и США название «винчестер» вышло из употребления в 1990-х годах, в русском же языке сохранилось и получило полуофициальный статус, а в компьютерном сленге сократилось до слова «винт» (наиболее употребляемый вариант).

В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома -- магнитные диски. В НЖМД используется одна или несколько пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках около 10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

Также, в отличие от гибкого диска, носитель информации совмещён с накопителем, приводом и блоком электроники и (в персональных компьютерах в большинстве случаев) обычно установлен внутри системного блока компьютера.

Характеристики:

Интерфейс (англ. interface) -- совокупность линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии, и правил (протокола) обмена. Серийно выпускаемые внутренние жёсткие диски могут использовать интерфейсы ATA (он же IDE и PATA), SATA, eSATA, SCSI, SAS, FireWire, SDIO и Fibre Channel.

Ёмкость (англ. capacity) -- количество данных, которые могут храниться накопителем. С момента создания первых жёстких дисков в результате непрерывного совершенствования технологии записи данных их максимально возможная ёмкость непрерывно увеличивается.

Ёмкость современных жёстких дисков (с форм-фактором 3,5 дюйма) на сентябрь 2011 г. достигает 4000 ГБ (4 Терабайт) и близится к 5 Тб. В отличие от принятой в информатике системы приставок, обозначающих кратную 1024 величину, производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются величины, кратные 1000. Так, ёмкость жёсткого диска, маркированного как «200 Гб», составляет 186,2 Гб. Другой пример: заявлен объём 320 Гб и количество доступных секторов 625 142 448. Однако если количество секторов умножить на их размер (512 байт), то в результате получится 320 072 933 376. «320» отсюда получаются только делением на 1000і, при делении на 1024і получается только 298.

Физический размер (форм-фактор) (англ. dimension). Почти все современные (2001--2008 года) накопители для персональных компьютеров и серверов имеют ширину либо 3,5, либо 2,5 дюйма -- под размер стандартных креплений для них соответственно в настольных компьютерах и ноутбуках. Также получили распространение форматы 1,8 дюйма, 1,3 дюйма, 1 дюйм и 0,85 дюйма. Прекращено производство накопителей в форм-факторах 8 и 5,25 дюймов.

Время произвольного доступа (англ. random access time) -- среднее время, за которое винчестер выполняет операцию позиционирования головки чтения/записи на произвольный участок магнитного диска. Диапазон этого параметра -- от 2,5 до 16 мс. Как правило, минимальным временем обладают серверные диски (например, у Hitachi Ultrastar 15K147 -- 3,7 мс), самым большим из актуальных -- диски для портативных устройств (Seagate Momentus 5400.3 -- 12,5 мс). Для сравнения, у SSD накопителей этот параметр меньше 1 мс.

Скорость вращения шпинделя (англ. spindle speed) -- количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и средняя скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 5400, 5900, 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об/мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции). Увеличению скорости вращения шпинделя в винчестерах для ноутбуков препятствует гироскопический эффект, влияние которого пренебрежимо мало в неподвижных компьютерах.

Надёжность (англ. reliability) -- определяется как среднее время наработки на отказ (MTBF). Также подавляющее большинство современных дисков поддерживают технологию S.M.A.R.T.

Количество операций ввода-вывода в секунду (англ. IOPS) -- у современных дисков это около 50 оп./с при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп./сек при последовательном доступе.

Потребление энергии -- важный фактор для мобильных устройств.

Сопротивляемость ударам (англ. G-shock rating) -- сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во включённом и выключенном состоянии.

Скорость передачи данных (англ. Transfer Rate) при последовательном доступе:

· внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с;

· внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с.

Объём буфера -- буфером называется промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В современных дисках он обычно варьируется от 8 до 64 Мб.

Уровень шума -- шум, который производит механика накопителя при его работе. Указывается в децибелах. Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума около 26 дБ и ниже. Шум состоит из шума вращения шпинделя (в том числе аэродинамического) и шума позиционирования.

Для снижения шума от жестких дисков применяют следующие методы:

· Программный, c помощью настройки, встроенной в большинство современных дисков, системы AAM. Переключение жёсткого диска в малошумный режим приводит к снижению производительности в среднем на 5-25 %, но делает шум при работе практически неслышным.

· Использование шумопоглощающих устройств, закрепления дисков на резиновых или силиконовых шайбах или даже полная замена крепления на гибкую подвеску.

Производители:

Изначально на рынке было большое разнообразие жёстких дисков, производившихся множеством компаний. В связи с ужесточением конкуренции, бурным ростом ёмкости, требующим современных технологий, и понижением норм прибыли большинство производителей было либо куплено конкурентами, либо перешло на другие виды продукции.

Fujitsu продолжает выпускать жёсткие диски для ноутбуков и SCSI-диски, но покинула массовый рынок настольных накопителей в 2001 году из-за фатальной неудачи, связанной с массово выходившей из строя микросхемой контроллера Cirrus Logic на самом диске (в 2009 году производство жёстких дисков было полностью передано компании Toshiba). До этого, жёсткие диски Fujitsu считались лучшими в секторе настольных компьютеров, имея превосходные характеристики вращающихся поверхностей, практически без перенесённых на заводе секторов. Toshiba является основным производителем 2,5- и 1,8-дюймовых ЖД для ноутбуков. Достаточно яркий след в истории жёстких дисков оставила компания Quantum, но и она в начале 2000-ных потерпела неудачи, даже ещё более фатальные, чем IBM и Fujitsu. В отличие от IBM, где окислялись контакты неудачно выполненного разъёма гермобанки, в жёстких дисках Quantum серии CX выходила из строя микросхема коммутатора головок, расположенная в гермобанке диска, что приводило к весьма дорогостоящему извлечению данных с вышедшего из строя диска. Жёсткие диски выпускала и компания Nec. Одним из лидеров в производстве дисков являлась компания Maxtor. В 2001 году Maxtor выкупила подразделение жёстких дисков компании Quantum, и тоже не избежала проблем с репутацией из-за так называемых "тонких" дисков. В 2006 году состоялось слияние Seagate и Maxtor. В середине 1990-х годов существовала компания Conner Peripherials, которую впоследствии купила Seagate. В первой половине 1990-х существовала фирма Micropolis, производившая очень дорогие SCSI-диски premium-класса для серверов. Но при выпуске первых в отрасли винчестеров на 7200 об/мин ею были использованы некачественные подшипники шпинделя, поставлявшиеся фирмой Nidec, и Micropolis понесла фатальные убытки на возвратах, разорилась и была полностью выкуплена компанией Seagate. Бывшее подразделение IBM, чьи диски доселе считались практически эталонными, после фатальных неудач, связанных с массовыми отказами дисков для настольных компьютеров в начале 2000-ных, выкупленное фирмой Hitachi, весной 2011г приобрела компания Western Digital. В тоже время Samsung продала своё HDD подразделение Seagate. На 2011 год осталось всего 3 производителя - Seagate Technology, Westem Digital и Toshiba.

В настоящее время, в связи с продвижением на рынок внешних накопителей и развитием технологий типа SSD, количество фирм, предлагающих готовые решения вновь возросло.

Устройство:

Жёсткий диск состоит из гермозоны и блока электроники.

Гермозона

Гермозона включает в себя корпус из прочного сплава, сепаратор, собственно диски (пластины) с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, электропривод шпинделя.

Разобранный жёсткий диск Samsung HD753LJ ёмкостью 750 ГБ, произведенный в марте 2008 года

Вопреки расхожему мнению, в подавляющем большинстве устройств внутри гермозоны нет вакуума. Одни производители делают её герметичной (отсюда и название) и заполняют очищенным и осушенным воздухом или нейтральными газами, в частности, азотом, а для выравнивания давления устанавливают тонкую металлическую или пластиковую мембрану. (В таком случае внутри корпуса жёсткого диска предусматривается маленький карман для пакетика силикагеля, который абсорбирует водяные пары, оставшиеся внутри корпуса после его герметизации). Другие производители выравнивают давление через небольшое отверстие с фильтром, способным задерживать очень мелкие (несколько микрометров) частицы. Однако в этом случае выравнивается и влажность, а также могут проникнуть вредные газы. Выравнивание давления необходимо, чтобы предотвратить деформацию корпуса гермозоны при перепадах атмосферного давления (например, в самолёте) и температуры, а также при прогреве устройства во время работы.

Пылинки, оказавшиеся при сборке в гермозоне и попавшие на поверхность диска, при вращении сносятся на ещё один фильтр -- пылеуловитель.

Блок головок -- пакет кронштейнов (рычагов) из упругой стали (обычно по паре на каждый диск). Одним концом они закреплены на оси рядом с краем диска. На других концах (над дисками) закреплены головки.

Диски (пластины), как правило, изготовлены из металлического сплава. Хотя были попытки делать их из пластика и даже стекла (IBM), но такие пластины оказались хрупкими и недолговечными. Обе плоскости пластин, подобно магнитофонной ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика -- окислов железа, марганца и других металлов. Точный состав и технология нанесения составляют коммерческую тайну. Большинство бюджетных устройств содержит одну или две пластины, но существуют модели с бомльшим числом пластин.

Диски жёстко закреплены на шпинделе. Во время работы шпиндель вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту (3600, 4200, 5000, 5400, 5900, 7200, 9600, 10 000, 12 000, 15 000). При такой скорости вблизи поверхности пластины создаётся мощный воздушный поток, который приподнимает головки и заставляет их парить над поверхностью пластины. Форма головок рассчитывается так, чтобы при работе обеспечить оптимальное расстояние от пластины. Пока диски не разогнались до скорости, необходимой для «взлёта» головок, парковочное устройство удерживает головки в зоне парковки. Это предотвращает повреждение головок и рабочей поверхности пластин. Шпиндельный двигатель жёсткого диска трёхфазный, что обеспечивает стабильность вращения магнитных дисков, смонтированных на оси (шпинделе) двигателя. Статор двигателя содержит три обмотки, включенных «звездой» с отводом посередине, а ротор -- постоянный секционный магнит.

Магнит соленоидного малоинерционного двигателя, который перемещает головку жесткого диска

Сепаратор (разделитель) -- пластина, изготовленная из пластика или алюминия, находящаяся между блинами и над верхним блином. Используется для выравнивания потоков воздуха внутри гермозоны.

Устройство позиционирования (сервопривод, жарг. актуатор) головок представляет из себя малоинерционный соленоидный двигатель. Оно состоит из неподвижной пары сильных неодимовых постоянных магнитов, а также катушки (соленоид) на подвижном кронштейне блока головок.

Принцип работы двигателя заключается в следующем: обмотка находится внутри статора (обычно два неподвижных магнита), ток, подаваемый с различной силой и полярностью, заставляет ее точно позиционировать кронштейн (коромысло) с головками по радиальной траектории. От скорости работы устройства позиционирования зависит время поиска данных на поверхности пластин.

В каждом накопителе существует специальная зона, называемая парковочной, именно на ней останавливаются головки в те моменты, когда накопитель выключен, либо находится в одном из режимов низкого энергопотребления. В состоянии парковки кронштейн (коромысло) блока головок находится в крайнем положении и упирается в ограничитель хода. При операциях доступа к информации (чтение/запись) основном источником шума является вибрация вследствие ударов кронштейнов, удерживающих магнитные головки, об ограничители хода в процессе возвращения головок в нулевую позицию. Для снижения шума на ограничителях хода установлены демпфирующие шайбы из мягкой резины. Значительно уменьшить шум жёсткого диска можно программным путем, меняя параметры режимов ускорения и торможения блока головок. Для этого разработана специальная технология -- Automatic Acoustic Management. Официально возможность программного управления уровнем шума жёсткого диска появилась в стандарте ATA/ATAPI-6, хотя некоторые производители делали экспериментальные реализации и в более младших версиях этого стандарта. Согласно стандарту, управление осуществляется путем изменения значения управляющей переменной в диапазоне от 128 до 254, что позволяет регулировать шум, производительность, температуру, потребление электроэнергии и срок эксплуатации жёсткого диска.

Блок электроники

В ранних жёстких дисках управляющая логика была вынесена на MFM или RLL контроллер компьютера, а плата электроники содержала только модули аналоговой обработки и управления шпиндельным двигателем, позиционером и коммутатором головок. Увеличение скоростей передачи данных вынудило разработчиков уменьшить до предела длину аналогового тракта, и в современных жёстких дисках блок электроники обычно содержит: управляющий блок, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), буферную память, интерфейсный блок и блок цифровой обработки сигнала.

Интерфейсный блок обеспечивает сопряжение электроники жёсткого диска с остальной системой.

Блок управления представляет собой систему управления, принимающую электрические сигналы позиционирования головок, и вырабатывающую управляющие воздействия приводом типа «звуковая катушка», коммутации информационных потоков с различных головок, управления работой всех остальных узлов (к примеру, управление скоростью вращения шпинделя), приёма и обработки сигналов с датчиков устройства (система датчиков может включать в себя одноосный акселерометр, используемый в качестве датчика удара, трёхосный акселерометр, используемый в качестве датчика свободного падения, датчик давления, датчик угловых ускорений, датчик температуры).

Блок ПЗУ хранит управляющие программы для блоков управления и цифровой обработки сигнала, а также служебную информацию винчестера.

Буферная память сглаживает разницу скоростей интерфейсной части и накопителя (используется быстродействующая статическая память). Увеличение размера буферной памяти в некоторых случаях позволяет увеличить скорость работы накопителя.

Блок цифровой обработки сигнала осуществляет очистку считанного аналогового сигнала и его декодирование (извлечение цифровой информации). Для цифровой обработки применяются различные методы, например, метод PRML (Partial Response Maximum Likelihood -- максимальное правдоподобие при неполном отклике). Осуществляется сравнение принятого сигнала с образцами. При этом выбирается образец, наиболее похожий по форме и временным характеристикам с декодируемым сигналом.



Макрофото магнитной головки

Запаркованная магнитная головка

Последствия касания магнитной головкой поверхности диска



Плата контроллера SATA и IDE диска

Низкоуровневое форматирование:

На заключительном этапе сборки устройства поверхности пластин форматируются -- на них формируются дорожки и секторы. Конкретный способ определяется производителем и/или стандартом, но, как минимум, на каждую дорожку наносится магнитная метка, обозначающая её начало.

Существуют утилиты, способные тестировать физические секторы диска, и ограниченно просматривать и править его служебные данные. Конкретные возможности подобных утилит сильно зависят от модели диска и технических сведений, известных автору по соответствующему семейству моделей.