Устройства, входящие в состав персонального компьютера

7.5. Средства интерфейса пользователя

Для связи компьютера с пользователем (то есть организации интерфейса пользователя) применяются видеоадаптер, управляющий видеомонитором, клавиатура и графический манипулятор типа "мышь" (mouse), touch pad или stick pointer.

Видеоадаптер представляет собой устройство сопряжения компьютера с видеомонитором и чаще всего выполняется в виде специальной платы расширения, вставляемой в системную шину или локальную шину компьютера. При этом изображение, формируемое на экране монитора, хранится в видеопамяти, входящей в состав видеоадаптера.

Видеопамять представляет собой оперативную память, которая, хотя и не является, по сути, системной памятью, рассматривается процессором как часть системной памяти с адресами A0000 — BFFFF (всего 128 Кбайт). То есть с этой памятью процессор может взаимодействовать как с системной оперативной памятью: писать информацию в любую ячейку и читать информацию из любой ячейки. Но одновременно эта же память постоянно сканируется (то есть последовательно опрашивается) самим видеоадаптером для формирования растрового изображения на экране монитора. То есть доступ к этой памяти имеют как процессор, так и видеоадаптер.

Скорость обмена с видеопамятью — довольно важный параметр, он влияет на удобство работы с компьютером и часто определяет круг задач, который может им выполняться. Поэтому для видеопамяти используют самые быстродействующие микросхемы. Кроме того, применяют специальные архитектурные решения, позволяющие облегчить разделение доступа к памяти со стороны процессора и видеоадаптера. Например, в случае двухпортовой памяти VRAM — Video RAM, к каждой ее ячейке одновременно могут получить доступ (с записью или чтением) как процессор, так и сам адаптер. Отметим, что в старых видеоадаптерах для снижения искажений изображения на экране во время перезаписи содержимого памяти использовалось обращение к памяти со стороны центрального процессора только в периоды кадрового и строчного гасящего импульсов (когда электронный луч монитора гасится при переходе к следующей строке экрана или к следующему кадру). Все современные видеоадаптеры могут работать в двух основных режимах: текстовом (символьном, алфавитно-цифровом) и графическом. В текстовом режиме видеопамять имеет начальный адрес B8000, а в графическом — А0000.

В текстовом режиме на экран можно выводить только отдельные символы, причем только в определенные позиции на экране. При этом в видеопамяти хранятся исключительно коды выводимых символов (8-разрядные) и коды атрибутов символов (8-разрядные). То есть каждой символьной позиции на экране соответствует два байта памяти. К атрибутам символа относятся яркость, цвет, мерцание как символа, так и его фона. Для преобразования содержимого памяти в видеосигнал точечного изображения применяется так называемый знакогенератор. Он может представлять собой ПЗУ, в котором записано построчное растровое изображение каждого символа. При этом чем больше точек растра отводится под изображение символа, тем он качественнее, но тем больше места занимает на экране. Преимущества текстового режима — это простота управления экраном и малый объем требуемой памяти. Примером его использования является программа начального запуска BIOS.

В графическом режиме в видеопамяти хранится описание каждой точки на экране монитора. Каждой точке соответствует несколько бит памяти (используется ряд: 1, 4, 8, 16, 24 бит на одну точку). При этом, соответственно, каждая точка может иметь 2ⁿ состояний, где n — количество битов, а под состоянием понимается цвет и яркость точки. При одном бите точка может быть белой или черной, при 4 битах она может иметь 16 цветов, при 8 битах — 256, при 16 битах — 65 536, а при 24 битах — 16 777 216 цветов и оттенков. Здесь же отметим, что общее количество точек на экране в современных компьютерах выбирается из ряда 640 (по горизонтали) x 480 (по вертикали), 800x600, 1024x768, 1280x1024, 1600x1200. Отсюда нетрудно рассчитать требуемый для полного экрана объем видеопамяти. Так, например, при разрешении 800x600 точек и при 256 цветах (8 бит или 1 байт) требуется 800x600x1 = 480 000 байт памяти. При разрешении 1024x768 и 65 536 цветов (2 байта) требуется 1024x768x2 = 1 572 864 байта. Однако объем видеопамяти выбирается из следующего ряда: 256 Кбайт, 512 Кбайт, 1 Мбайт, 2 Мбайт, 4 Мбайт, 8 Мбайт, 16 Мбайт. В табл. 7.3 приведены необходимые объемы видеопамяти для различных режимов работы видеоадаптера.

Понятно, что для полного обновления такого большого объема памяти требуется значительное время даже при быстрой видеопамяти и быстром процессоре. В роли ограничивающего фактора будет выступать темп обмена по системной шине. Поэтому именно видеоадаптеры первыми стали размещать на локальной шине VLB или на шине PCI, а позднее — на выделенной шине AGP. Другое направление ускорения формирования изображения — совершенствование принципов обмена с компьютером. Первые видеоадаптеры были рассчитаны на то, чтобы все манипуляции с изображением проводил сам центральный процессор компьютера. Принципиально иной подход — использование графического сопроцессора. При этом центральный процессор только дает команды на формирование изображения, а сопроцессор, расположенный на плате видеоадаптера, сам уже выполняет всю обработку, расчеты и формирование объектов на экране, что дает большое увеличение скорости формирования изображений. Промежуточный вариант — это применение так называемых графических ускорителей, то есть узлов, выполняющих наиболее трудоемкие операции по формированию изображений, но центральный процессор при этом не освобождается полностью от управления видеопамятью.

В настоящее время наиболее распространены два стандарта дисплеев:

• SVGA (Super VGA), который поддерживает максимальное разрешение 1024х768 точек (стандартным считается 800х600 точек) в 16- и 256-цветных режимах при максимальном объеме видеопамяти 4 Мбайт. Кроме того, предусмотрено использование двухпортовой памяти и 16-разрядной шины данных и ряд других новшеств.
• XGA и XGA-2 (eXtended Graphics Array) — эти стандарты предложены в 1990 и 1992 г.г. компанией IBM. Основным режимом считается разрешение 1024х768 точек при 256 цветах (XGA) или при 64 К цветах (XGA-2). Отличительная особенность — использование быстродействующего графического сопроцессора и наличие возможности управлять системной шиной, что позволяет выполнять видеооперации без участия центрального процессора. Так же, как и в SVGA, используется двухпортовая оперативная память, причем она располагается в адресном пространстве компьютера в последних адресах полной 4-гигабайтной области, на которые обычно никто не претендует. В XGA-2, в отличие от XGA, используется только прогрессивная (сплошная, non-interlaced, NI), а не чересстрочная (interlaced) развертка изображения на экране монитора, что обеспечивает малые мерцания. Оба стандарта поддерживают полную совместимость с SVGA.
• UVGA (Ultra VGA) — основным разрешением считается 1280х1024 точек.
• UXGA — разрешение 1600х1200 точек, XVGA — 1280х768 точек.

Для подключения к компьютеру клавиатуры применяется специальный интерфейс с последовательной передачей информации. Это позволяет использовать для присоединения клавиатуры всего два двунаправленных провода (линия данных и тактовый сигнал). Обмен информацией идет 11-битовыми посылками, включающими 8 разрядов данных и служебную информацию (то есть стартовый бит, бит четности и стоповый бит). В компьютере IBM PC XT для подключения клавиатуры использовалась микросхема PPI (Programmable Peripheral Interface) i8255, а в PC AT — микросхема UPI (Universal Peripheral Interface) i8042.

Принцип работы клавиатуры довольно прост. Он сводится к постоянному сканированию (последовательному опросу) всех клавиш (обычно применяется 101-клавишная клавиатура) и к пересылке в компьютер номера нажатой клавиши (8-битного скэн-кода), причем как при ее нажатии, так и при отпускании. При отпускании клавиши ее скэн-код предваряется посылкой кода F0. Если клавиша удерживается длительное время, то через заданный интервал посылки ее скэн-кодов повторяются с заданной частотой. Если одновременно нажимается более одной клавиши, то повторяется посылка кода только последней из нажатых клавиш.

При получении скэн-кода контроллером 8042 он формирует сигнал запроса аппаратного прерывания IRQ1. Это приводит к вызову программы обработки нажатия клавиши, находящейся в BIOS. Служебные клавиши (Shift, Сtrl, Alt) и переключающие клавиши (Caps Lock, Insert, Num Lock) обрабатываются специальным образом, а в случае нажатия символьных клавиш их скэн-коды преобразуются в коды соответствующих символов и помещаются в буфер клавиатуры. Буфер клавиатуры — это 16-байтная область памяти, организованная по принципу FIFO "первый вошел — первый вышел", в которой хранятся коды нажатых клавиш до тех пор, пока их сможет обработать программа.

Современные клавиатуры персональных компьютеров имеют 101 или 102 клавиши. Имеются "расширенные" модели с количеством клавиш до 122 и "усеченные" модели с количеством клавиш около 90, применяемые в портативных компьютерах типа ноутбук.

Начиная с компьютера PC AT, клавиатура может не только передавать информацию, но и принимать ее. Эта возможность используется для пересылки в клавиатуру команд, устанавливающих режимы ее работы (например, скорость повтора ввода символов при удерживаемой клавише или временная задержка перед повтором).

Компьютерная мышь, служащая для управления курсором, подключается к компьютеру через стандартный последовательный интерфейс RS-232C (о нем подробнее — в отдельной главе). Для передачи компьютеру информации о перемещении мыши используется 3-байтовый формат. Два байта при этом содержат информацию о перемещении мыши по вертикали и по горизонтали, а один байт — о состоянии кнопок мыши. Передача ведется только в одном направлении (от мыши к компьютеру) со скоростью 1200 бит/с. Перемещение измеряется в специальных единицах cpi (counts per inch), равных примерно 0,005 дюйма (0,13 мм).

Стоит отметить, что мышь, как правило, питается от системного блока компьютера, для чего задействованы неиспользуемые сигнальные линии разъема интерфейса RS-232C, так как собственно напряжения питания на разъем не выведены. Именно поэтому мышь присоединяется к компьютеру четырехпроводным кабелем, хотя для информации хватило бы и двухпроводного. Подробнее об интерфейсе RS-232C в следующей главе. Сейчас используется также подключение мыши через интерфейс PS/2, похожий на RS-232C, но не совместимый с ним ни электрически, ни конструктивно.

Альтернатива мыши — это манипуляторы Stick Pointer и Touch Pad, которые не имеют движущихся механических частей. Сначала они применялись только в ноутбуках, но затем их стали размещать и на клавиатурах обычных настольных компьютеров. Stick Pointer представляет собой небольшой рычажок, расположенный между клавишами. Давление на него в разные стороны вызывает перемещение курсора на экране. При этом сам рычажок остается неподвижным. Touch Pad представляет собой небольшую площадку, расположенную рядом с клавишами, по которой необходимо двигать пальцем или ручкой, причем движение пальца вызывает такое же перемещение курсора на экране. С точки зрения компьютера эти манипуляторы ничем не отличаются от мыши, они используют тот же интерфейс.

Игровой адаптер джойстик подключается к компьютеру через собственный специальный интерфейс. Для связи с джойстиком не требуется никаких прерываний. Используется только один адрес ввода/вывода.

7.6. Внешняя память

Внешняя память компьютера представляет собой дисковые накопители информации — встроенный накопитель на жестком диске (винчестер) и накопитель на сменных гибких дисках (дискетах). В обоих случаях магнитные диски хранят информацию в виде намагниченных концентрических дорожек (цилиндров) на магнитном покрытии, разбитых на сектора. Диск в накопителе постоянно вращается, а запись и чтение информации производятся перемещаемыми вдоль радиуса диска магнитными головками. Благодаря постоянному прогрессу технологии производства накопителей, развитию технологии магнитных покрытий и магнитных головок, емкость винчестеров повысилась до нескольких десятков гигабайт, а емкость дискет — до сотен мегабайт (правда, стандартным пока считается объем дискеты 1,44 Мбайт).

Подробное описание работы дисководов и принципов хранения информации на магнитных дисках потребовало бы слишком много места, к тому же оно не имеет прямого отношения к теме данной книги, поэтому мы здесь приведем только некоторые особенности организации обмена информацией.

Важный параметр любого дисковода — это его быстродействие, которое определяется, с одной стороны, достижимой скоростью записи/чтения информации, а с другой — временем позиционирования (то есть установки в нужное положение) магнитной головки дисковода. Немаловажно и быстродействие интерфейса, осуществляющего связь компьютера с накопителем, а также применяемые способы организации обмена информацией.

В настоящее время наиболее распространены два стандартных интерфейса для винчестеров:

• IDE (Integrated Drive Electronics) — интерфейс для дисковых накопителей, официальное название — ATA (AT Attachment). Именно этот интерфейс применяется в качестве основного в персональных компьютерах. Скорость обмена может достигать 133 Мбайт/с.
• SCSI (Small Computer System Interface) — малый компьютерный системный интерфейс. В принципе, он используется и для подключения других устройств (например, сканеров), но основное его применение — для дисководов. Как правило, данный интерфейс изначально включается в структуру только некоторых серверов, а для его реализации в персональных компьютерах необходима дополнительная плата расширения (кстати, довольно дорогая). Скорость обмена может достигать 320 Мбайт/с.

Сравнение этих двух интерфейсов (SCSI и IDE) показывает, что в однопользовательских автономных системах гораздо эффективнее применять IDE, а в многопользовательских и многозадачных системах выгоднее становится SCSI. Стоит также отметить, что установка SCSI сложнее и дороже, чем IDE. Кроме того, при использовании винчестера с интерфейсом SCSI в качестве сетевого диска могут возникнуть проблемы. Преимуществом SCSI является большее количество максимально подключенных дисководов и возможность одновременного выполнения ими подаваемых команд. А что касается скорости обмена, то она в основном определяется не пропускной способностью интерфейса, а другими параметрами, в частности скоростью используемой системной шины. Поэтому точно сказать, дисковод с каким интерфейсом будет работать быстрее, в общем случае невозможно. К тому же в случае IDE реальная скорость очень сильно зависит от схемотехнических решений, использованных изготовителем дисководов.

Для ускорения обмена с дисками широко применяется кэширование, принцип которого близок к принципу кэширования оперативной памяти. Точно так же кэширование диска позволяет за счет использования более быстрой электронной памяти, чем дисковая память, существенно увеличить среднюю скорость обмена с диском. Здесь принципиально важны несколько моментов:

• в большинстве случаев каждое следующее обращение к диску будет обращением к следующему по порядку блоку информации на диске;
• для позиционирования головки требуется заметное время (порядка миллисекунды);
• искомый сектор на диске может не оказаться под головкой после ее установки, и потребуется ждать его прихода.

Все это приводит к тому, что оказывается гораздо выгоднее содержать в оперативной памяти (дисковой кэш-памяти) копию части диска и обращаться на диск только в том случае, если нужной информации нет в кэш-памяти. Для обмена с кэш-памятью, как и в случае оперативной памяти, используются методы Write Through (WT) и Write Back (WB). Так как винчестер — это блочно-ориентированное устройство (размер блока равен 512 байт), то данные передаются в кэш блоками. При заполнении кэш-памяти в нее переписываются не только необходимые в данный момент блоки, но и следующие за ними (метод "чтение вперед", Read Ahead), дальнейшее обращение к которым наиболее вероятно. Особенно эффективно кэширование при оптимизации жесткого диска (его дефрагментации), когда каждый файл расположен в группе секторов, следующих друг за другом. Как и в случае кэширования памяти, при кэшировании диска используется механизм LRU, позволяющий обновлять те блоки, к которым дольше всего не было обращений. Кэш-память диска обычно располагается на плате специального кэш-контроллера дисковода, и ее объем может достигать 16 Мбайт.

Для сопряжения с компьютером дисковода для гибких дисков (флоппи-дисков, дискет) традиционно применяется специальный интерфейс SA-400, разработанный в начале 70-х годов. Контроллер присоединяется к дисководу 34-проводным кабелем, причем к одному контроллеру обычно присоединяется до двух дисководов (теоретически их может быть четыре). На каждом накопителе, как правило, имеется четыре перемычки DS0—DS3 (Drive Select) для выбора номера данного дисковода. Данные по интерфейсу передаются в последовательном коде в обоих направлениях (по разным проводам). Скорость передачи данных для дискет емкостью 1,44 Мбайт составляет 500 Кбит/с. Как и контроллер жестких дисков, контроллер гибких дисков в современных компьютерах установлен на системной плате (для старых моделей компьютеров выпускались специальные платы расширения).

В новых компьютерах стал стандартным дисковод на оптических компакт-дисках (CD-ROM). На этих дисках информация хранится в виде зон с разными степенями отражения света от поверхности диска. Вместо множества концентрических дорожек на поверхности диска (как у магнитного диска, винчестера), в случае компакт-диска применяется всего одна спиральная дорожка. Для чтения информации применяется миниатюрный лазер. Диски имеют диаметр 5 дюймов и стандартный объем 780 Мбайт. Скорость обмена информацией с компакт-дисками сейчас составляет от 2,4 Мбайт/с (для дисководов со скоростью 16х) до 3,6 Мбайт/с (для дисководов со скоростью 52х). Используются интерфейсы IDE и SCSI. На компакт-диск записываются не только данные, но и звук, а также изображение. Существуют компакт-диски с возможностью однократной записи или даже многократной перезаписи информации с компьютера. Возможно, дисководы, поддерживающие такие диски, вскоре войдут в стандартную комплектацию персонального компьютера. Правда, скорость записи информации на компакт-диски обычно существенно ниже скорости чтения информации.