Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Учебное пособие Основы передачи дискретных сообщений - файл 1.doc


Учебное пособие Основы передачи дискретных сообщений
скачать (4581 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc4581kb.15.12.2011 14:12скачать

1.doc

1   2   3   4   5   6   7

^

Рисунок 5.2 - Структурная схема цифрового факсимильного аппарата

Факсимильный аппарат обеспечивает выполнение следующих функций:


  • полуавтоматическую и автоматическую передачу сообщений;

  • автоматический прием и регистрацию сообщений;

  • автоматическое установление соединений;

  • идентификацию правильности установления соединений;

  • автоматическое проставление оттиска штампа на копии документа с указанием адресата, времени передачи и приема;

  • автоматическую регистрацию служебной информации на бумажной ленте (ведение операционного журнала) и т.д., так как перечень выполняемых функций постоянно расширяется.

Сердцем аппарата является микропроцессор (МП), который управляет работой периферийных устройств, устройством термопечати, пульта управления и модема. Каждый элемент аппарата построен по электронной технологии.

Считыватель изображения построен на основе устройства с зарядной связью. Подобная технология использована, например, в динамических оперативном (ОЗУ) и постоянном (ПЗУ) запоминающих устройствах. В отличии от обычного ОЗУ кристалл кремния с нанесенной на него регулярной структурой светочувствительных ячеек памяти открыт для восприятия изображения. С помощью оптической системы изображение «построчно» переносится на кристалл. Микропроцессор синхронизирует перемещение оригинала и построчное считывание изображения на светочувствительный элемент. Освещенные и затемненные участки оригинала формируют в соответствующих ячейках кристалла значения «02 и «1». Т.о., изображение оцифровывается и переносится в оперативную память процессора.

Для изображения высокого качества изображения, защиты от помех и уплотнения, считанные в память цифровые коды обрабатываются микропроцессором. Из оперативной памяти обработанный цифровой код поступает в модем, где преобразуется в низкочастотный сигнал, передаваемый далее по телефонной линии.

Встроенный в факсимильный аппарат модем построен на основе цифровых процессоров, формирующих и обрабатывающих электронные сигналы. От способа модуляции (протокола), используемого в модеме, зависит скорость передачи изображения. В современных факсимильных аппаратах используются протоколы V29; V27; V17; V21. Они позволяют передавать по каналам цифрованные изображения.

Время передачи изображения составляет менее одной минуты при использовании скорости передачи по телефонной линии 9600 Бод при использовании фазовой и её модификацию квадратурную амплитудную модуляцию.

Для сокращения полосы частот используется компрессия и декомпрессия.

Структурная схема цифрового факсимильного аппарата показана на рис. 5.2. В качестве считывающего устройства (СУ) используется линейка ПЗС, которая обеспечивает считывание информации сразу со всей строки, обеспечивая высокое быстродействие. Устройство записи (УЗ) может представлять собой термочувствительную линейку или систему струйной записи. Кодек содержит в себе устройства, позволяющие сжимать передаваемые и распаковывать принимаемые данные. Такие устройства называют компандер и экспандер.

Управляющее устройство (УУ) служит для управления процессом передачи или приема. В качестве этого устройства в современных аппаратах используется микропроцессор. Для управления работой аппарата микропроцессор использует специальные программы, которые хранятся в ПЗУ. Для сохранения принятой информации или программирования каких-либо функций предусмотрено ОЗУ. Модем предназначен для сопряжения аппарата с телефонной линией. Панель управления (УП) позволяет программировать различные функции аппарата, позволяет управлять процессом приема и передачи изображения. Блок питания (БП) обеспечивает питание различных узлов аппарата, преобразуя напряжение питания 220В в напряжение питания отдельного узла. Устройство подачи бумаги (УПБ) позволяет подавать бумагу для передачи изображения [7].
^ Способы считывания информации.

В качестве способов считывания информации используются линейки полупроводниковых приборов с зарядовой связью ПЗС.



Рисунок 5.3 – Плоскостная развертка с помощью ПЗС

Линейка ПЗС - это микросхема на подложке которой сформированы ячейки ПЗС, которые преобразуют энергию света в электрические заряды, называемые пакетами электронов. Величина этого пакета пропорциональна силе отраженного от элемента строки светового потока. Зарядовые пакеты переносятся вдоль линейки ПЗС в выходное устройство, где происходит преобразование пакетов в импульсы видеосигнала [4].

Каждая ячейка имеет три электрода: на первый и третий подается напряжение хранения, а на второй напряжение хранения. При подаче напряжения хранения на второй электрод, создается электрическое поле и создается электронно-дырочный переход. При этом все основные носители оттесняются в глубь полупроводника. Около проводника создается обедненный слой, который называется потенциальная яма. При освещении ячейки возникают электронно-дырочные пары. При этом электроны притягиваются в потенциальную яму и образуют зарядовый пакет, величина которого зависит от интенсивности светового луча и времени засветки.(рис.5.4)

В следующий момент времени на третий электрод подается напряжение считывания, которое по величине больше напряжения хранения. У этого электрода создается большая потенциальная яма и барьер между вторым и третьим электродами исчезает. Зарядовый пакет перетекает в более глубокую яму.(рис.5.5) Затем напряжение считывания уменьшают до напряжения хранения, а напряжение с электрода 2 снимается. Таким образом зарядовый пакет перемещается вдоль всей линейки на выход.(рис.5.6)



Рисунок 5.4 – Возникновение электронно-дырочных пар



Рисунок 5.5 – Подается напряжение считывания



Рисунок 5.6 – Зарядовый пакет перемещается вдоль всей линейки на выход

^ Принцип термографического способа печати.

Этот способ печати практикуется в факсимильных аппаратах в синтезирующих устройствах открытого типа. При этом используется термобумага, которая пропитана специальным химическим слоем, способным изменять свой цвет при нагревании. Применение этой бумаги для документирования сообщений позволяет упростить синтезирующее устройство и повысить надежность и быстродействие. Недостатком является то, что она дорогая, хуже качество изображения, ограниченный срок хранения документов, который зависит от условий хранения и не превышает нескольких лет.

Термографическая запись может быть последовательная или параллельная. При последовательном способе используется электромеханическая записывающая головка. Стержень закрепленный на мембране нагревается до температуры 100 – 150 градусов и прижимается к термобумаге. При этом на ней появляется точка. Для повышения скорости записи изображения применяется термопечатающая линейка. Она содержит нагреваемые электрическим током точечные элементы, число которых равно числу элементов в строке. Она прижимается к продвигаемой мимо нее термобумаге и нагревает ее отдельные участки, что вызывает их потемнение. Развертка изображения по строке осуществляется электронной схемой, переключающей элементы линейки. В результате на бумаге синтезируется факсимильное изображение. Недостатком термопечатающей линейки является сложность ее изготовления и невысокая надежность [4].

^ Методы сжатия при передачи факсимильных сообщений.

Метод кодирования длин сегментов (КДС - 1).

Принцип кодирования показан на рисунке 5.7. При данном методе вся строка разбивается на отдельные элементы. Элементам белого цвета присваивается значение логического нуля, а черного цвета значение логической единицы. Каждый элемент кодируется четырех элементным кодом. Если четырех элементная группа содержит переход от белого цвета к черному и наоборот, то эти группы не кодируются и передаются неизменными. При передачи большого количества четырех элементных групп, содержащих одни единицы или нули, то подсчитывается их количество, кодируется двоичным числом и эта кодовая комбинация передается в линию.

Закодированный сигнал представляет собой шестиэлементную кодовую комбинацию, у которой два старших разряда определяют характер комбинации:

11 - комбинация содержит сигнал управления;

10 - кодовая комбинация содержит не кодируемую группу;

01 - число последовательных групп черного цвета;

00 - число последовательных групп белого цвета.

Остальные четыре разряда определяют количество одноцветных групп, тем самым позволяя закодировать одной кодовой комбинацией 15 одноцветных элементов.



Рисунок 5.7 - Кодирование дискретного факсимильного сигнала по способу КДС - 1

Метод КДС - 2.

При этом методе учитывается, что количество черных участков расположенных подряд значительно меньше, чем белых (рис.5.8). Поэтому для кодирования количества черных участков кодируется тремя разрядами(обеспечивая кодирование семи элементов сигнала) а белых шестью(обеспечивая кодирование до 63 элементов сигнала). Благодаря этому сокращается количество элементов для передачи участка изображения по сравнению с КДС - 1. При кодировании белого и черного цветов различают отрезки [4]:

1) Меньше 63(7) элементов изображения при этом отрезки кодируются шестиэлементными(трехэлементными) кодовыми комбинациями.

2) Больше, но не кратные 63(7) элементам, при этом длинна отрезка кодируется несколькими шестиэлементными (трехэлементными) комбинациями.

3) Равные или кратные 63(7) элементам при этом отрезок кодируется одним или несколькими шестиэлементными (трехэлементными) комбинациями.



Рисунок 5.8 - Кодирование дискретного факсимильного сигнала по способу КДС - 2

^ Код Хаффмана.

Этот код является неравномерным. Поэтому различное количество элементов в серии кодируется кодовыми комбинациями различной длинны. Длинна комбинации обратно пропорционально вероятности появления соответствующей длинны серии. Данный код однозначно декодируем, т. к. он не содержит повторяющихся последовательностей. Если закодировать факсимильный сигнал на рисунке 2 кодом Хаффмана получится, что в линию пойдут следующие кодовые комбинации:1000 - три белых элемента; 10 - три черных элемента; 0101101 - 58 элементов; 0010 - шесть черных; 0111 - дав белых. Если подсчитать количество элементов необходимых для кодирования одного сообщения разными методами, то получится, что при кодировании кодом КДС - 1 необходимо 30 элементов, при кодировании КДС - 2 необходимо 23 двоичных элемента, при кодировании кодом Хаффмана необходимо 21 элемент. Следовательно для кодирования наиболее выгодным является код Хаффмана.
^ 5.3 Телеграфный аппарат

Телеграфный аппарат - аппарат для передачи и (или) приёма электрических телеграфных сигналов — для осуществления телеграфной связи.

Современный ТА обычно состоит из телеграфного передатчика и телеграфного приёмника, питание устройств которых постоянным током осуществляется чаще всего от выпрямителей на 60 в, а переменным — непосредственно от электрической сети. Операции, выполняемые передатчиком: шифровка (шифрация) передаваемого знака (получение комбинации элементарных сигналов в соответствии с кодовой таблицей); преобразование параллельной кодовой комбинации в последовательную; включение в состав кодовой комбинации служебных сигналов для синхронизации и фазирования приёмника; передача в линию связи последовательности электрических сигналов требуемой длительности и амплитуды. При работе передатчика (рис. 5.9) каждый знак, соответствующий передаваемому сообщению, от источника информации поступает в кодирующее устройство (шифратор), где он автоматически преобразуется в кодовую комбинацию, элементы которой, появляясь на выходе кодирующего устройства одновременно, следуют в наборное устройство. Передающий распределитель последовательно преобразует каждый элемент кодовой комбинации в электрический сигнал определённой длительности. Выходное устройство формирует электрические сигналы необходимой мощности, полярности и формы, а датчик выдаёт служебные элементы комбинаций. Привод определяет скорость телеграфирования. Метод передачи (стартстопный или синхронный) зависит от способа работы управляющего устройства.



Рисунок 5.9 - Структурная схема передатчика телеграфного аппарата: 1 — источник информации; 2 — кодирующее устройство; 3 — наборное устройство; 4 — распределитель; 5 — выходное устройство; 6 — привод; 7 — управляющее устройство; 8 — датчик служебных элементов.
Функции приёмника ТА (рис. 5.10) — приём электрических сигналов кодовой комбинации; определение полярности каждого элементарного сигнала; дешифровка (дешифрация) кодовой комбинации; отпечатывание принятого знака. Электрические сигналы кодовой комбинации поступают на входное устройство, которое определяет их полярность и исправляет искажения. Далее элементарные сигналы комбинации через приёмный распределитель направляются в наборное устройство, где они накапливаются и передаются в дешифратор. Сигналы с выхода дешифратора вводятся в печатающее устройство, которое записывает сообщение на бумажной ленте (в ленточном телеграфном аппарате, например телетайпе) или на рулоне (в рулонном телеграфном аппарате). Синхронизация и фазирование приёмника осуществляются совместно приёмным распределителем и управляющим устройством. Скорость работы приёмника определяется приводом.


Рисунок 5.10 - Структурная схема приёмника телеграфного аппарата: 1 — входное устройство; 2 — приёмный распределитель; 3 — наборное устройство; 4 — дешифратор; 5 — печатающее устройство; 6 — привод; 7 — управляющее устройство.
В состав ТА могут входить также автоматизирующие приставки (реперфораторная, трансмиттерная), автоответчик и автостоп. Они позволяют автоматически передавать и принимать сообщения, проверять правильность установленного соединения, включать и выключать привод ТА.
^ 5.4 Персональный компьютер – оконечный терминал передачи данных

Широкое использование вычислительных машин и особенно персональных компьютеров в информационных системах знаменует начало новой научно-технической революции, характеризующейся гигантским возрастанием роли информации как средства научной организации, контроля, управления и осуществления любой целенаправленной человеческой деятельности.

Персональные компьютеры более чем какой-либо другой вид ЭВМ, способствуют переходу к новой компьютерной информационной технологии, которым свойственны:

  • дружественный информационный, программный и технический интерфейс с пользователем;

  • интерактивный (диалоговый) режим выполнения информационных процессов;

  • сквозная информационная поддержка всех процессов на основе интегрированных баз данных;

  • “безбумажная технология”.

^ Вычислительные машины и их классификация

Электронная вычислительная машина (ЭВМ), компьютер комплекс программно-технических средств, предназначенных для автоматического преобразования информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

Функциональные возможности ЭВМ обусловлены такими важными технико-эксплуатационными характеристиками, как:

- быстродействие, измеряемое усредненным количеством операций, выполняемых машиной за единицу времени;

-  разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует ЭВМ;

-  номенклатура, емкость и быстродействие всех запоминающих устройств;

-  номенклатура и технико-экономические характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;

- типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов ЭВМ между собой (внутримашинного интерфейса);

-  способность ЭВМ одновременно работать с несколькими пользователями и выполнять одновременно несколько программ (многопрограммность);

 - типы и технико-эксплуатационные характеристики операционных систем, используемых в машине;

- наличие и функциональные возможности программного обеспечения;

- способность выполнять программы, написанные для других типов ЭВМ (программная совместимость с другими типами ЭВМ);

- система и структура машинных команд;

- возможность подключения к каналам связи и к вычислительной сети;

- эксплуатационная надежность ЭВМ;

- коэффициент полезного использования ЭВМ во времени, определяемый соотношением времени полезной работы и времени профилактики.

По этапам создания и используемой элементной базе ЭВМ условно делятся на поколения:

-1-е поколение, 50-е годы: ЭВМ на электронных вакуумных лампах;

- 2-е поколение, 60-е годы: ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах);

- 3-е поколение, 70-е годы: ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни — тысячи транзисторов в одном корпусе);

- 4-е поколение, 80-е годы: ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах — микропроцессорах (десятки тысяч — миллионы транзисторов в одном кристалле);

- 5-е поколение, 90-е годы: ЭВМ со многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы;

- 6-е и последующие поколения: оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и “нейронной” структурой — с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

Интегральная схема — электронная схема специального назначения, выполненная в виде единого полупроводникового кристалла, объединяющего большое число диодов и транзисторов.

Каждое следующее поколение ЭВМ, имеет по сравнению ему предшествующим, существенно лучшие характеристики. Так, производительность ЭВМ и емкость всех запоминающих устройств увеличивается, как правило, больше чем на порядок.

По размерам и функциональным возможностям ЭВМ можно разделить: на сверхбольшие (суперЭВМ), большие, малые, сверхмалые (микроЭВМ).

Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции.

Первая большая ЭВМ ЭНИАК (Electronic Numerical Integrator and Computer) была создана в 1946 г. Эта машина весила более 50 тонн, имела: быстродействие несколько сотен операций в секунду; оперативную память емкостью 20 чисел; занимала огромный зал площадью около 100 кв. м.

Производительность больших ЭВМ оказалась недостаточной для решения ряда задач: прогнозирования метеообстановки, управления сложными оборонными комплексами, моделирования экологических систем и др. Это явилось предпосылкой для разработки и создания суперЭВМ, самых мощных вычислительных систем, интенсивно развивающихся и в настоящее время.

Появление в 70-х годах малых ЭВМ обусловлено, с одной стороны, прогрессом в области электронной элементной базы, а с другой — избыточностью ресурсов больших ЭВМ для ряда приложений. Малые ЭВМ используются чаще всего для управления технологическими процессами. Они более компактны и существенно дешевле больших ЭВМ.

Дальнейшие успехи в области элементной базы и архитектурных решений привели к возникновению супермини-ЭВМ вычислительной машины, относящейся по архитектуре, размерам и стоимости к классу малых ЭВМ, но по производительности сравнимой с большой ЭВМ [7].
МикроЭВМ

Изобретение в 1969 г. микропроцессора (МП) привело к появлению в 70-х годах еще одного класса ЭВМ — микроЭВМ. Именно наличие МП служило первоначально определяющим признаком микроЭВМ. Сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах ЭВМ.

МикроЭВМ подразделяются на:

-Многопользовательские микроЭВМ — это мощные микроЭВМ, оборудованные несколькими видеотерминалами и работающие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям.

- Персональные ЭВМ — однопользовательские микроЭВМ, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения.

- Рабочие станции представляют собой однопользовательские микроЭВМ, предназначенные для выполнения определенного вида работ в вычислительных сетях.

- Серверы - многопользовательские мощные микроЭВМ в вычислительных сетях, выделенные для выполнения специальных видов работ и обработки запросов от всех станций сети.

Конечно, вышеприведенная классификация весьма условна, ибо мощная современная ПЭВМ, оснащенная проблемно-ориентированным программным и аппаратным обеспечением, может использоваться и как полноправная рабочая станция, и как многопользовательская микроЭВМ, и как хороший сервер, по своим характеристикам почти не уступающий малым ЭВМ.
^ Персональный компьютер (многофункциональный терминал)

Персональная ЭВМ, предназначенная для удовлетворения требованиям общедоступности и универсальности применения должна обладать такими качествами, как:

- малая стоимость ПК, находящаяся в пределах доступности для индивидуального покупателя;

- автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;

- гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;

- “дружественность” операционной системы и прочего программного обеспечения, обусловливающая возможность работы с ней пользователя без специальной профессиональной подготовки;

- высокая надежность работы (более 5000 часов наработки на отказ).

Среди зарубежных ПК в первую очередь следует отметить компьютеры американской фирмы IBM (International Business Machine Corporation):

- IBM PC XT (Personal Computer eXtended Technology);

- IBM PC AT (Personal Computer Advanced Technology) на микропроцессорах (МП) 80286 (16-разрядные);

- IBM PS/2 8030 - PS/2 8080 (PS Personal System, все, кроме PS/2 8080 – 16-разрядные, PS/2 8080 — 32-разрядная);

- IBM PC на МП 80386 и 80486 (32-разрядные);

- IBM PC на МП Pentium, Pentium II, III (64-разрядные) , IV(128-разрядные).

Широко известны персональные компьютеры, выпускаемые американскими фирмами: Compaq Computer, Apple (Macintosh), Hewlet Packard (HP), Dell, DEC, а также фирмами Великобритании: Spectrum, Amstrad; Франции: Micral; Италии: Olivetty; Японии: Toshiba, Panasonic и Partner.

Наибольшей популярностью в настоящее время пользуются персональные компьютеры фирмы IBM, первые модели которых появились в 1981 г. Существенно им уступают по популярности ПК фирм Apple и DEC (Digital Equipment Corporation) и их аналоги, занимающие по распространенности 2-е место.

В начале 90-х гг. в мировой парк компьютеров составлял примерно 150 млн. штук, из них около 90 % — это персональные компьютеры, в частности профессиональных ПК типа IBM PC более 100 млн. штук (около 75 % всех ПЭВМ); профессиональных ПК типа Apple и DEC, около 5 млн. штук. В настоящее время количество компьютеров примерно утроилось.

За рубежом самыми распространенными моделями компьютеров в настоящее время являются IBM PC с микропроцессорами типа Pentium.

Отечественная промышленность (страны СНГ) выпускала DEC-совместимые компьютеры (диалоговые вычислительные комплексы ДВК-1—ДВК-4 на основе Электроники МС-1201, Электроника 85, Электроника 32 и др.) и IBM-совместимые (ЕС1840—ЕС1842, ЕС1845, ЕС1849, ЕС1861, Искра 1030, Истра 4816, Нейрон И9.66 и др.).

Остальные типы отечественных ПК (Агат, Микроша, Спектр, Орбита, БК и др.) существенно уступают по своим характеристикам вышеназванным.

В настоящее время многочисленные компьютерные фирмы в России занимаются сборкой из зарубежных компонентов в основном IBM-совместимых персональных компьютеров.

По поколениям персональные компьютеры делятся на:

- ПК 1-го поколения: используют 8-битные микропроцессоры;

- ПК 2-го поколения: используют 16-битные микропроцессоры;

- ПК 3-го поколения: используют 32-битные микропроцессоры;

- ПК 4-го поколения: используют 64-битные микропроцессоры;

- ПК 5-го поколения: используют 128-битные микропроцессоры.
^ Функционально-структурная организация персонального компьютера

Основные блоки персонального компьютера и их назначение

Персональный компьютер в своем составе содержит следующие основные элементы:

- микропроцессор;

- системную шину;

- основную память;

- внешнюю память;

- порты ввода-вывода внешних устройств;

- адаптеры устройств;

- внешние устройства.

Структурная схема персонального компьютера представлена на рис. 5.11.

 

Микропроцессор

Микропроцессор (МП) — центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

В состав микропроцессора входят следующие устройства.

Устройство управления (УУ), обеспечивающее выполнение следующих функций:

- формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций;

- формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ;

- формирует опорную последовательность импульсов, получаемую от генератора тактовых импульсов.

^ Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией. В некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ часто подключается дополнительный математический сопроцессор.



Рисунок 5.11 - Типовая структурная схема персонального компьютера

Микропроцессорная память (МПП) предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно в ближайшие такты работы машины используемой в вычислениях; МПП строится на регистрах и используется для обеспечения быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Регистры быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие).

Интерфейсная система микропроцессора предназначена для сопряжения и связи с другими устройствами ПК и включает:

- внутренний интерфейс МП;

- буферные запоминающие регистры;

- схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной.

Интерфейс (interface) — совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие.

Порт ввода-вывода (I/O port) — аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство.

Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины.

Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины, или просто, такт работы машины.

Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов [7].
^ Двуядерные процессоры

В настоящее время на рынок поставляются двуядерные процессоры AMD Opteron и AMD Athlon64 X2.

Двуядерный чип – это фактически два процессора в одном чипе. Преимущество такого процессора над одноядерным проявляется, прежде всего, при работе с многопоточными приложениями. Многопоточные задачи работают быстрее на двуядерных процессорах, потому что операционная система может распределять программные потоки отдельно по каждому ядру, в то время как на одноядерных процессорах задачи меняются по мере выполнения, то есть по очереди. Применение этой технологии позволит увеличить производительность процессоров нового поколения и одновременно избежать роста потребления энергии, которое накладывает ограничения на развитие одноядерных процессоров. Кроме того, чем выше частота процессора, тем больше он теряет производительность при обращении к памяти. Два ядра получаются предпочтительней, чем одно, так как в этом случае легче обеспечить процессор данными для обработки. Поскольку производительность памяти увеличивается медленнее, чем скорость процессоров, увеличение производительности путем использования нескольких ядер выглядит более предпочтительным, чем наращивание частоты.

Имеющееся процессорная архитектура AMD позволила интегрировать на тот же кристалл второе ядро при переходе на технологический процесс 90 нм. В процессорах архитектуры AMD64 с двумя ядрами дублированию подвергнуто само вычислительное ядро и кэш-память, в то время как контроллер памяти и контроллер HyperTransport остаются в двуядерных процессорах в неизменном виде. В этой связи ключевое значение начинает играть блок System Request Interface (SRI), на который возлагается обязанность арбитража потоков команд и данных между двумя ядрами.

  • Широкое распространение мультиядерных технологий - это следующий этап развития компьютерных технологий, который преобразит существующую вычислительную среду.

31 августа 2004 г. был представлен сервер Hewlett-Packard Proliant DL585, работающий на основе четырех двуядерных процессоров Opteron. Единственным усовершенствованием серийной модели сервера, позволившим ему работать с чипами нового поколения стало обновление BIOS. Совместимость процессоров двух различных поколений, позволяет производителям серверов без лишних сложностей увеличить вдвое количество процессоров, выпуская на рынок новые, более производительные модели серверов.

Таким образом, при условии поддержки со стороны BIOS, двуядерные решения могут использоваться в существующих системных платах. Выпускаемые двуядерные процессоры AMD Opteron, имеют два раздельных КЭШа второго уровня объемом по 1 Мбайту, интегрированный контроллер памяти DDR SDRAM и три шины HyperTransport. Новые процессоры с парой ядер выпускаются в Socket 940 исполнении (или в исполнении Socket 939 для одноядерных систем), совместимы с имеющимися системными платами, блоками питания и совпадают по тепловому конверту с однопроцессорными решениями (95 Вт), обеспечивая непревзойденную производительность на ватт потребляемой мощности. Архитектура Direct Connect устраняет задержки и узкие места при передаче данных, используя прямое соединение процессоров и процессорных ядер между собой. Кроме того, двуядерные процессоры полностью совместимы со всеми приложениями архитектуры x86 и AMD64, демонстрируя высочайшую эффективность при работе в многозадачном и многопоточном режиме.

Двуядерные процессоры выпускаются нескольких версиях, в том числе с низким энергопотреблением - Highly Efficient и Energy Efficient.
^ Системная шина

Системная шина — основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Системная шина включает в себя:

-кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;

-кодовую шину адреса (КША), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;

-кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины;

-шину питания, содержащую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

1. Между микропроцессором и основной памятью;

2. Между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

3. Между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему контроллер шины, формирующий основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.

^ Основная память

Основная память (ОП) предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройств (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

ПЗУ (ROM — Read Only Memory) BIOS – базовая система ввода вывода предназначена для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации позволяет оперативно только считывать информацию, хранящуюся в нем (изменить информацию в ПЗУ нельзя), в памяти хранится MS DOS-операционная система, которая состоит из ядра операционной системы (файлов MS DOS.SYS, Command.com и IO.sys), драйверов для мониторов и т.д.

ОЗУ (RAM — Random Access Memory) предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени.

Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка оперативной памяти следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость).

Кроме основной памяти на системной плате ПК имеется и энергонезависимая память CMOS RAM (Complementary Metall-Oxide Semiconductor RAM), постоянно питающаяся от своего аккумулятора; в ней хранится информация об аппаратной конфигурации ПК (обо всей аппаратуре, имеющейся в компьютере), которая проверяется при каждом включении системы.
^ Внешняя память

Внешняя память относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, но наиболее распространенными из них, имеющимися практически на любом компьютере, являются показанные на структурной схеме (рис. 5.11) накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках.

Назначение этих накопителей: хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. Различаются НЖМД и НГМД лишь конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации.

В качестве устройств внешней памяти часто используются также накопители на лазерных оптических дисках (CD-ROM — Compact Disk Read Only Memory) и реже — запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (стримеры).

Источник питания — блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.

Таймер — внутримашинные электронные часы реального времени, обеспечивающие, при необходимости, автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания — аккумулятору и при отключении машины от сети продолжает работать.
^ Внешние устройства

Внешние устройства (ВУ) ПК — важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса, достаточно сказать, что по стоимости ВУ составляют до 80 — 85 % стоимости всего ПК.

ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими ЭВМ.

К внешним устройствам относятся:

- внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК;

- диалоговые средства пользователя;

- устройства ввода информации;

- устройства вывода информации;

- средства связи и телекоммуникации.

Диалоговые средства пользователя включают в свой состав видеомониторы (дисплеи) и устройства речевого ввода-вывода информации.

Видеомонитор (дисплей) — устройство для отображения вводимой и выводимой из ПК информации.

Устройства речевого ввода-вывода относятся к быстро развивающимся средствам мультимедиа.

Устройства речевого ввода — это различные микрофонные акустические системы, “звуковые мыши”, например, со сложным программным обеспечением, позволяющим распознавать произносимые человеком звуки в виде букв, слов и цифр, идентифицировать их, закодировать в цифровой вид и выдать команду ПК.

Устройства речевого вывода — это различные синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через громкоговорители (динамики) или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру.

К устройствам ввода информации относятся:

- клавиатура — устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК;

- графические планшеты (дигитайзеры) — для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняется считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК;

- сканеры (читающие автоматы) — для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей;

- устройства указания (графические манипуляторы) — для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК (джойстик — рычаг, “мышь”, трекбол — шар в оправе, световое перо и др.);

- сенсорные экраны — для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК.

К устройствам вывода информации относятся:

- принтеры — печатающие устройства для регистрации информации на бумажный носитель;

- графопостроители (плоттеры) — для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель.

Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи и т.п.) и для подключения ПК к каналам связи, к другим ЭВМ и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы, “стыки”, мультиплексоры передачи данных, модемы).

В частности, сетевой адаптер является внешним интерфейсом ПК и служит для подключения ее к каналу связи для обмена информацией с другими ЭВМ, для работы в составе вычислительной сети. В качестве сетевого адаптера подключения к удаленной ЭВМ через телефонную линию используется модулятор-демодулятор телефонного сигнала (модем).

Многие из названных выше устройств относятся к условно выделенной группе — средствам мультимедиа.

Мультимедиа (multimedia — многосредовостъ) средства — это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и др.

К средствам мультимедиа относятся:

- устройства речевого ввода и вывода информации;

- микрофоны и видеокамеры;

- акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами;

- звуковые и видеоплаты, платы видеозахвата, снимающие изображение с видеомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в ПК;

- сканеры (поскольку они позволяют автоматически вводить в компьютер печатные тексты и рисунки);

- внешние запоминающие устройства большой емкости на лазерных оптических дисках, часто используемые для записи звуковой и видеоинформации.
^ Дополнительные интегральные микросхемы

К системной шине и к МП ПК наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и некоторые дополнительные интегральные микросхемы, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора: математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.

Математический сопроцессор широко используется для ускоренного выполнения операций над двоичными числами с фиксированной и плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для вычисления некоторых трансцендентных, в том числе тригонометрических функций. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно (совмещено во времени) с основным МП, но под управлением последнего. Ускорение операций происходит в десятки раз. Последние модели МП, начиная с МП 80486 DX, включают сопроцессор в свою структуру.

Контроллер прямого доступа к памяти освобождает МП от прямого управления накопителями на магнитных дисках, что существенно повышает эффективное быстродействие ПК. Без этого контроллера обмен данными между ВЗУ и ОЗУ осуществляется через регистр МП за два шага, а при его наличии за один шаг — данные непосредственно передаются между ВЗУ и ОЗУ, минуя МП.

Сопроцессор ввода-вывода — за счет параллельной работы с МП существенно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств (дисплея, принтера, НМД, НГМД и др.); освобождает МП от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует и режим прямого доступа к памяти.

Важнейшую роль играет в ПК контроллер прерываний.

Прерывание — временный приостанов выполнения одной программы с целью оперативного выполнения другой, в данный момент более важной (приоритетной) программы.

Прерывания возникают при работе компьютера постоянно, достаточно сказать, что все процедуры ввода-вывода информации выполняются по прерываниям, например, прерывания от таймера возникают и обслуживаются контроллером прерываний 18 раз в секунду (естественно, пользователь их не замечает).

Прерывания делятся на:

- прерывания от базовой системы ввода-вывода или прерывания нижнего уровня;

- прерывания от операционной системы или прерывания верхнего уровня.

Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в МП. МП, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы. Контроллер прерываний является программируемым [7].
^ Основные элементы конструкции ПК

Конструктивно ПК выполнены в виде центрального системного блока, к которому через разъемы — стыки подключаются внешние устройства: дополнительные блоки памяти, клавиатура, дисплей, принтер и др.

Системный блок обычно включает в себя системную плату, блок питания, накопители на дисках, разъемы для дополнительных устройств и платы расширения с контроллерами — адаптерами внешних устройств.

На системной плате (часто ее называют материнской платой — motherboard), в свою очередь, размещаются:

- микропроцессор;

- математический сопроцессор;

- генератор тактовых импульсов;

- модули (микросхемы) ОЗУ и ПЗУ;

- микросхема CMOS-памяти;

- адаптеры клавиатуры, НМД и НГМД;

- порты ввода-вывода;

- контроллер прерываний;

- таймер и др.

Все они подсоединяются к материнской плате с помощью разъемов (слотов).
^ Функциональные характеристики персонального компьютера

1. Быстродействие, производительность, тактовая частота Производительность современных ЭВМ измеряют обычно в миллионах операций в секунду. Единицами измерения служат:

- МИПС (MIPS — Mega Instruction Per Second) — для операций над числами, представленными в форме с фиксированной запятой (точкой);

- МФлоПС (МFlоРС — Mega Flops Per Second) — для операций над числами, представленными в форме с плавающей запятой (точкой). Реже используются единицы измерения:

- КОПС (KOPS — Kilo Operation Per Second) для низко производительных;

- ЭВМ — тысяча неких усредненных операций над числами;

- ГФлоПС (GFloPS — Giga Flops Per Second) — миллиард операций в секунду над числами с плавающей запятой.

Оценка производительности ЭВМ всегда приблизительная, ибо ориентируется на некоторые усредненные или, наоборот, на конкретные виды операций. Реально при решении различных задач используются и различные наборы операций. Поэтому для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины, так как каждая операция требует для своего выполнения вполне определенного количества тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции.

Пример. При отсутствии конвейерного выполнения команд и увеличения внутренней частоты у микропроцессора тактовый генератор с частотой 33 МГц обеспечивает выполнение 7 млн. коротких машинных операций (простые сложение и вычитание, пересылки информации и др.) в секунду; с частотой 100 МГц — 20 млн. коротких операций в секунду.

2. Разрядность машины и кодовых шин интерфейса.

Разрядность — это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем при прочих равных условиях будет больше и производительность ПК.

3. Типы системного и локальных интерфейсов.

Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды.

4. Емкость оперативной памяти.

Емкость оперативной памяти измеряется чаще всего в Мбайтах, реже в Кбайтах. Напоминаем, 1 Мбайт = 1024 Кбайт = 10242 байт.

Многие современные прикладные программы с оперативной памятью, имеющей емкость меньше 8 Мбайт, просто не работают либо работают, но очень медленно.

Следует иметь в виду, что увеличение емкости основной памяти в 2 раза, помимо всего прочего, увеличивает эффективную производительность ЭВМ при решении сложных задач примерно в 1,7 раза.

5. Емкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера) Емкость винчестера измеряется обычно в мегабайтах или в гигабайтах. 1 Гбайт = 1024 Мбайт.

По прогнозам специалистов многие программные продукты 2000 г. будут требовать для работы до 1 Гбайт внешней памяти.

6. Тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках.

Сейчас применяются накопители на гибких магнитных дисках, использующие дискеты диаметром 3,5 дюйма и 5,25 дюйма. Первые имеют стандартную емкость 1,44 Мбайта, вторые — 1,2 Мбайта.

7. Наличие, виды и емкость кэш-памяти.

Кэш-память — это буферная, недоступная для пользователя быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операции с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Например, для ускорения операций с основной памятью организуется регистровая кэш-память внутри микропроцессора (кэш-память первого уровня) или вне микропроцессора на материнской плате (кэш-память второго уровня); для ускорения операций с дисковой памятью организуется кэш-память на ячейках электронной памяти.

Следует иметь в виду, что наличие кэш-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность ПК примерно на 20 %.

8. Тип видеомонитора (дисплея) и видеоадаптера.

9. Наличие и тип принтера.

10. Наличие и тип накопителя на компакт-дисках CD-ROM.

11. Наличие и тип модема.

12. Наличие и виды мультимедийных аудио-, видеосредств.

13. Наличие математического сопроцессора.

Математический сопроцессор позволяет в десятки раз ускорить выполнение операций над двоичными числами с фиксированной и плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами. В процессоры типа Pentium математический сопроцессор встроен внутрь.

14. Имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы.

15. Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ.

Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ означает возможность использования на компьютере соответственно тех же технических элементов и программного обеспечения, что и на других типах машин.

16. Возможность работы в вычислительной сети.

17. Возможность работы в многозадачном режиме.

Многозадачный режим позволяет выполнять вычисления одновременно по нескольким программам (многопрограммный режим) или для нескольких пользователей (многопользовательский режим). Совмещение во времени работы нескольких устройств машины, возможное в таком режиме, позволяет существенно увеличить эффективное быстродействие ЭВМ.

18. Надежность.

Надежность — это способность системы выполнять полностью и правильно все заданные ей функции. Надежность ПК измеряется обычно средним временем наработки на отказ.

19. Стоимость.

20. Габариты и вес.

1   2   3   4   5   6   7



Скачать файл (4581 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации