Что такое устройство в информатике кратко

Обновлено: 03.07.2024

Графическая информация – это изображения, эскизы, графики, диаграммы и пр.

В качестве устройств для её ввода можно использовать клавиатуру, сканер, мышь и графический планшет, но все они предназначены для разных задач и имеют преимущества и недостатки.

Самым наименее эффективным способом является набор на клавиатуре, хотя она имеет совсем другое предназначение. С помощью клавиатуры можно создавать рисунки и перемещать объекты с максимальной точностью, путем нажатия нескольких клавиш.

Но это занимает чересчур много времени, поэтому были придуманы альтернативные варианты ввода.

Мышь отлично подходит, как устройство ввода графической информации, но тоже имеет недостатки. Её основное предназначение несколько другое.

Работа, связанная с рисованием чего-либо, напоминает движение карандашом по бумаге, но из-за формы мыши нужно обладать особыми навыками, чтобы делать все ровно и аккуратно. Также сканер может иногда не срабатывать, а если мышь беспроводная, то работа становится сложнее, за счет лагов.

Лучшим устройством для ручного ввода графической информации считается графический планшет. Он имитирует работу настоящей ручкой.

Состоит из пера (ручки) и планшета, способного распознавать близость и нажатие пера, поэтому результат максимально схож с изображением на бумаге. Форма пера схожа с формой карандаша или ручки, отчего не возникает дискомфорта.

Планшет внутри представляет собой сеть из проводов, регистрирующих изменение электрического потенциала сетки, когда там оказывается перо.

Самое простое в использовании и точное устройство – сканер. Чтобы просканировать что-то, нужно положить исходный документ внутрь, закрыть крышкой и запустить устройство.

По завершении процесса вы получите точную копию, которую можно сохранить на компьютере или распечатать на принтере.

Сканер имеет в своей конструкции небольшой источник света, зеркала, линзу и светочувствительные датчики, которые и распознают данные на бумаге. Во многих принтерах сканер встроен и расширяет список его функций.

Устройства ввода звуковой информации

Чтобы записать какой-то звук, используют микрофон. Он способен улавливать звуки на разных частотах и обеспечивают преобразование аналоговой информации в цифровую, чтобы компьютер мог ее произвести.

Микрофоны бывают разных видов, но чаще всего внутри есть диафрагма, улавливающая звук, который затем отправляется в аналого-цифровой преобразователь.

После этого информация, полученная извне, попадает в компьютер или оборудование по проводу, либо беспроводным путем.

Устройства ввода текстовой информации

Для ввода текстовых и числовых данных предусмотрена клавиатура.

Путём нажатия на клавиши идёт передача соответствующей информации компьютеру, который затем преобразовывает ее. В большинстве случаев кнопки соединены в матрицу, по которой идут данные о том, какая именно клавиша нажата.

Клавиатура – самое удобное устройство ввода текстовой информации, почти не имеющее альтернатив. Можно делать те же действия при помощи мыши на мониторе, на экранной клавиатуре, но это в разы медленнее и сложнее.

Указательные (координатные) устройства ввода информации

Это приспособления, предназначенные для осуществления доступа к любой части монитора, управления курсором. Ими являются мышь, тачпад, тачскрин, трекбол и др.

Компьютерная мышь – это устройство, ведя которым по рабочей поверхности можно управлять курсором на экране. Также имеет несколько кнопок.

В наше время мышь является почти самым необходимым устройством для взаимодействия с компьютером, которое можно увидеть в кабинете информатики.

Более ранние версии мыши имели в своей конструкции шарик, который приводил в действие механизм, а он в свою очередь отправлял сигнал на компьютер. Но они были несовершенны: шарик нужно было постоянно чистить, мышь была более громоздкой. На смену пришли лазерные и оптические мыши.

Оптическая мышь имеет схожую форму, но уже является стандартной, так как удобно лежит в руке. Вместо шарика используется светодиод-сенсор.

Лазерная мышь практически не отличается от своего брата, только светодиод сменился лазером. Принцип работы одинаковый, просто лазер потребляет меньше энергии и более точен, поэтому способен распознавать движения даже на стеклянной или зеркальной поверхности.

Тачпад

Тачпад или сенсорная панель – это устройство для управления курсором, работа с которой производится одним или несколькими пальцами. Чаще всего он выполнен в виде небольшого прямоугольника.

Для управления нужно поставить палец или стилус и водить по поверхности. Принцип работы основан на измерении электрической емкости между устройством и пальцем. Внутри находятся ряды проводников, а так как тело человека тоже хороший проводник, то палец выполняет роль обкладки конденсатора.

Электрическое поле меняется и микроконтроллер понимает, в каком месте происходит касание. Потом он передает эти данные компьютеру.

Тачскрин

Тачскрин – это сенсорный экран, прикосновение к поверхности которого контролируют действия на дисплее. Существует несколько видов этого устройства, которые сейчас устанавливаются: ёмкостные и резистивные. Ёмкостные более современные.

Такой тачскрин представляет собой стекло со специальным слоем, который выполняет роль вместилища-накопителя заряда. При касании высвобождается часть заряда, а компьютер вычисляет разницу электрических потенциалов.

Резистивные тачскрины намного проще и всё реже и реже их можно встретить. Это стекло с токопроводящим покрытием и упругой металлической пленкой. Во время касания слои соприкасаются в определенном месте, а затем передают информацию для дальнейшей обработки и вывода на экран.

Трекбол

Это указательное устройство, похожее на перевернутую механическую мышь. Пользователь, вращая шар, приводит в действие механизм или датчик, который распознает, куда он повернулся. Дальше эти данные преобразуются и отправляются в компьютер.

Такие устройства нечасто можно увидеть на столе обычного пользователя, они обычно применяются в производстве. Это вынужденная мера, так как приходится работать в условиях малого пространства или если есть вибрация.

Другие устройства ввода информации на компьютер

Такие устройства созданы не для обычного использования. Например: джойстики, геймпады, компьютерные рули и др.

С их помощью проще играть в видеоигры, обучаться на симуляторе или выполнять другие процессы, для которых не подходят вышеперечисленные устройства, а некоторые из них даже имеют внутреннюю память.

Геймпады имеют триггеры, кнопки, аналоговый стик (микроджойстик) и, главное, удобную для игры форму. Компьютерный руль, к которому часто подключают педали, полностью имитирует настоящий, что хорошо передает управление настоящим автомобилем. Джойстик упрощает работу с манипулятором.

Процессор ПК содержит порты, через которые обменивается данными с внешними устройствами ввода-вывода.

Устройства ввода информации – это устройства, которые информацию из формы, понятной человеку, преобразуют в цифровую форму, которая воспринимается компьютером.

Клавиатура

Самым главным и практически незаменимым устройством ввода информации в ПК является клавиатура, которая считается одним из основных составляющих ПК.

Клавиатура – это устройство для ввода числовой и текстовой информации, а так же управления компьютером, которое содержит стандартный набор клавиш и дополнительные клавиши – управляющие, функциональные клавиши, клавиши управления курсором и малую цифровую клавиатуру.

Указательные (координатные) устройства ввода

Устройства, с помощью которых осуществляется непосредственный ввод информации посредством указания курсором на экране монитора команды или места ввода данных. С помощью данных устройств пользователь перемещает курсор или другие объекты программ по двухмерному пространству экрана монитора.

Такие устройства ввода образуют группу манипуляторов.

Компьютерная мышь

Компьютерная мышь является традиционным устройством ввода и позволяет синхронно с перемещением мыши по столу перемещать курсор по экрану монитора.

Используя клавиши мыши, можно задать тот или иной тип операции с объектом. Основной характеристикой мыши является ее разрешение, которое измеряется в точках точек на дюйм.

Разнообразие манипуляторов последнее время поражает.

По типу устройств и способу функционирования мыши классифицируются на:

Механические – на сегодняшний день их выпуск прекращен.
Оптико-механические.
Оптические.
Инфракрасные.

Готовые работы на аналогичную тему

Трекбол

Тачпад

Встроенный манипулятор для портативных ПК, перемещение курсора осуществляется путем прикосновения к тачпаду пальцев. Является альтернативой мыши в ноутбуках.

Игровые устройства ввода информации

Джойстик

Манипулятор для управления в компьютерных играх выполненный в виде рычага на подставке, который можно отклонять в двух плоскостях. Кроме компьютерных игр применяется в программах-тренажёрах и обучающих симуляторах.

Геймпад

Манипулятор для компьютерных игр. Выполнен в виде пульта, который удерживается двумя руками и управляется большими пальцами рук.

Компьютерный руль

Устройство, которое имитирует автомобильныйруль для игры в автосимулятор (компьютерная игра).

Танцевальная платформа

Плоское устройство ввода, предназначенное для использования в танцевальных играх.

Световой пистолет

Сенсорные устройства ввода

Выполнены в виде чувствительных поверхностей, покрытых специальным слоем и связанные с датчиком. Курсор приводится в движение перемещением пальца по поверхности датчика.

Сенсорный экран или тачскрин

Является неотъемлемой частью любого сенсорного устройства или оборудования. Выполнен в виде стеклянной или пластиковой пластины, которая специальным образом прикреплена поверх экрана монитора или встроена внутрь корпуса. Датчики, связаны с пластиной, собирают информацию с поверхности экрана. Контроллер, который поставляется в комплекте с сенсорным экраном, обрабатывает информацию, принятую от датчиков, и передает ее в ПК.

Использование сенсорного экрана автономно от других устройств ввода. Предоставляет пользователю высокую скорость управления, надежность и устойчивость к жестким внешним воздействиям.

Световое перо

Разновидность манипуляторов для ввода графических данных в ПК. Выполнен в виде шариковой ручки или карандаша, который соединен проводом с одним из портов ввода-вывода ПК.

Ввод данных заключается в прикосновениях или при ведении линий пером по поверхности экрана монитора с помощью фотоэлемента, установленного на конце пера, который регистрирует изменение яркости экрана в точке. Часто световое перо поставляется в комплекте графического планшета (дигитайзера).

Применяется в карманных ПК, системах проектирования и дизайна.

Графический планшет (дигитайзер)

Выполнен в виде планшета. Применяется для поточечного координатного ввода изображений в системах автоматического проектирования, в компьютерной графике, анимации и рукописного текста в ПК. Может применяться для ввода готовых бумажных изображений в ПК.

Другие устройства ввода информации

Сканер

Устройство преобразования графических данных (текстов, рисунков, слайдов, фотографий, чертежей) в цифровые.

Классифицирутся по способу перемещения считывающей головки и изображения относительно друг друга на ручные, рулонные, планшетные и проекционные. Разновидностью проекционных сканеров являются слайдсканеры.

Цифровые фото- и видеокамеры

Вместо пленки используется специальный элемент памяти, сохраняющий переданные с объектива фото- или видеоданные в виде несжатого или сжатого файла с последующей передачей в ПК.

Микрофон

Устройство для преобразования звуковых колебаний в электрические, подключаемое к входу звуковой платы. Применяется в телефонах, радио, телевизионных системах, системах звукоусиления и звукозаписи.

Веб-камера

Цифровая фото- или видеокамера небольшого размера, которая способна фиксировать изображения в реальном времени для последующей передачи по компьютерной сети.

Перечень устройств ввода информации в ПК не ограничивается вышеперечисленными элементами, многообразие которых не перестает удивлять.

Содержание

Этимология

Впервые трактовка слова компьютер появилась в 1897 году в Оксфордском словаре английского языка. Его составители тогда понимали компьютер как механическое вычислительное устройство. В 1946 году словарь пополнился дополнениями, позволяющими разделить понятия цифрового, аналогового и электронного компьютера.

История

Экспоненциальное развитие компьютерной техники

После изобретения интегральной схемы развитие компьютерной техники резко ускорилось. Этот эмпирический факт, замеченный в 1965 году соучредителем компании Intel Гордоном Е. Муром, назвали по его имени Законом Мура. Столь же стремительно развивается и процесс миниатюризации компьютеров. Первые электронно-вычислительные машины (например, такие, как созданный в 1946 году ЭНИАК) были огромными устройствами, весящими тонны, занимавшими целые комнаты и требовавшими большого количества обслуживающего персонала для успешного функционирования. Они были настолько дороги, что их могли позволить себе только правительства и большие исследовательские организации, и представлялись настолько экзотическими, что казалось, будто небольшая горстка таких систем сможет удовлетворить любые будущие потребности. В контрасте с этим, современные компьютеры — гораздо более мощные и компактные и гораздо менее дорогие — стали воистину вездесущими.

Математические модели

Архитектура и структура

Архитектура компьютеров может изменяться в зависимости от типа решаемых задач. Оптимизация архитектуры компьютера производится с целью максимально реалистично математически моделировать исследуемые физические (или другие) явления. Так, электронные потоки могут использоваться в качестве моделей потоков воды при компьютерном моделировании (симуляции) дамб, плотин или кровотока в человеческом мозгу. Подобным образом сконструированные аналоговые компьютеры были обычны в 1960-х годах, однако сегодня стали достаточно редким явлением.

Результат выполненной задачи может быть представлен пользователю при помощи различных устройств ввода-вывода информации, таких как ламповые индикаторы, мониторы, принтеры, проекторы и т. п.

Классификация

По назначению

Элементная основа

Поверхностный характер представленного подхода к классификации компьютеров очевиден. Он обычно используется лишь для обозначения общих черт наиболее часто встречающихся компьютерных устройств. Быстрые темпы развития вычислительной техники означают постоянное расширение областей её применения и быстрое устаревание используемых понятий. Для более строгого описания особенностей того или иного компьютера обычно требуется использовать другие схемы классификаций.

Физическая реализация

Более строгий подход к классификации основан на отслеживании используемых при создании компьютеров технологий. Самые ранние компьютеры были полностью механическими системами. Тем не менее, уже в 1930-х годах телекоммуникационная промышленность предложила разработчикам новые, электромеханические компоненты (реле), а в 1940-х были созданы первые полностью электронные компьютеры, имевшие в своей основе электронные лампы. В 1950—1960-х годах на смену лампам пришли транзисторы, а в конце 1960-х — начале 1970-х годов — используемые и сегодня полупроводниковые интегральные схемы (кремниевые чипы).

Приведённый перечень технологий не является исчерпывающим; он описывает только основную тенденцию развития вычислительной техники. В разные периоды истории исследовалась возможность создания вычислительных машин на основе множества других, ныне позабытых и порою весьма экзотических технологий. Например, существовали планы создания гидравлических и пневматических компьютеров, между 1903 и 1909 годами некто Перси И. Луджет даже разрабатывал проект программируемой аналитической машины, работающей на базе пошивочных механизмов (переменные этого вычислителя планировалось определять при помощи ниточных катушек).

В настоящее время ведутся серьёзные работы по созданию оптических компьютеров, использующих вместо традиционного электричества световые сигналы. Другое перспективное направление подразумевает использование достижений молекулярной биологии и исследований ДНК. И, наконец, один из самых новых подходов, способный привести к грандиозным изменениям в области вычислительной техники, основан на разработке квантовых компьютеров.

Впрочем, в большинстве случаев технология исполнения компьютера является гораздо менее важной, чем заложенные в его основу конструкторские решения.

Гидравлический компьютер

Биокомпьютер Адлемана

По способностям

Одним из наиболее простых способов классифицировать различные типы вычислительных устройств является определение их способностей. Все вычислители могут, таким образом, быть отнесены к одному из трёх типов:

специализированные устройства, умеющие выполнять только одну функцию (например, Антикитерский механизм87 года до н. э. или ниточный предсказатель Вильяма Томсона 1876 года);
устройства специального назначения, которые могут выполнять ограниченный диапазон функций (первая разностная машина Чарльза Бэббиджа и разнообразные дифференциальные анализаторы);
устройства общего назначения, используемые сегодня. Название компьютер применяется, как правило, именно к машинам общего назначения.

Современный компьютер общего назначения

Конструктивные особенности

Современные компьютеры используют весь спектр конструкторских решений, разработанных за всё время развития вычислительной техники. Эти решения, как правило, не зависят от физической реализации компьютеров, а сами являются основой, на которую опираются разработчики. Ниже приведены наиболее важные вопросы, решаемые создателями компьютеров:

Цифровой или аналоговый

Фундаментальным решением при проектировании компьютера является выбор, будет ли он цифровой или аналоговой системой. Если цифровые компьютеры работают с дискретными численными или символьными переменными, то аналоговые предназначены для обработки непрерывных потоков поступающих данных. Сегодня цифровые компьютеры имеют значительно более широкий диапазон применения, хотя их аналоговые собратья все ещё используются для некоторых специальных целей. Следует также упомянуть, что здесь возможны и другие подходы, применяемые, к примеру, в импульсных и квантовых вычислениях, однако пока что они являются либо узкоспециализированными, либо экспериментальными решениями.

Среди наиболее простых дискретных вычислителей известен абак, или обыкновенные счёты; наиболее сложной из такого рода систем является суперкомпьютер.

Система счисления

Примером компьютера на основе десятичной системы счисления является первая американская вычислительная машина Марк I.

Важнейшим шагом в развитии вычислительной техники стал переход к внутреннему представлению чисел в двоичной форме. [9] Это значительно упростило конструкции вычислительных устройств и периферийного оборудования. Принятие за основу двоичной системы счисления позволило более просто реализовывать арифметические функции и логические операции.

Тем не менее, переход к двоичной логике был не мгновенным и безоговорочным процессом. Многие конструкторы пытались разработать компьютеры на основе более привычной для человека десятичной системы счисления. Применялись и другие конструктивные решения. Так, одна из ранних советских машин работала на основе троичной системы счисления, использование которой во многих отношениях более выгодно и удобно по сравнению с двоичной системой (проект троичного компьютера Сетунь был разработан и реализован талантливым советским инженером Н. П. Брусенцовым).

В целом, однако, выбор внутренней системы представления данных не меняет базовых принципов работы компьютера — любой компьютер может эмулировать любой другой.

Хранение программ и данных

Программирование

Способность машины к выполнению определённого изменяемого набора инструкций (программы) без необходимости физической переконфигурации является фундаментальной особенностью компьютеров. Дальнейшее развитие эта особенность получила, когда машины приобрели способность динамически управлять процессом выполнения программы. Это позволяет компьютерам самостоятельно изменять порядок выполнения инструкций программы в зависимости от состояния данных. Первую реально работающую программируемую вычислительную машину сконструировал немец Конрад Цузе в 1941 году.

При помощи вычислений компьютер способен обрабатывать информацию по определённому алгоритму. Решение любой задачи для компьютера является последовательностью вычислений.

В большинстве современных компьютеров проблема сначала описывается в понятном им виде (при этом вся информация как правило представляется в двоичной форме — в виде единиц и нулей, хотя компьютер может быть реализован и на других основаниях, как целочисленных — например, троичный компьютер, так и нецелых), после чего действия по её обработке сводятся к применению простой алгебры логики. Поскольку практически вся математика может быть сведена к выполнению булевых операций [источник не указан 512 дней] , достаточно быстрый электронный компьютер может быть применим для решения большинства математических задач, а также и большинства задач по обработке информации, которые могут быть сведены к математическим.

Было обнаружено, что компьютеры могут решить не любую математическую задачу. Впервые задачи, которые не могут быть решены при помощи компьютеров, были описаны английским математиком Аланом Тьюрингом.

Применение

Вторым крупным применением были базы данных. Прежде всего, они были нужны правительствам и банкам. Базы данных требуют уже более сложных компьютеров с развитыми системами ввода-вывода и хранения информации. Для этих целей был разработан язык Кобол. Позже появились СУБД со своими собственными языками программирования.

Третьим применением было управление всевозможными устройствами. Здесь развитие шло от узкоспециализированных устройств (часто аналоговых) к постепенному внедрению стандартных компьютерных систем, на которых запускаются управляющие программы. Кроме того, всё бо́льшая часть техники начинает включать в себя управляющий компьютер.

Четвёртое. Компьютеры развились настолько, что стали главным информационным инструментом как в офисе, так и дома. Теперь почти любая работа с информацией зачастую осуществляется через компьютер — будь то набор текста или просмотр фильмов. Это относится и к хранению информации, и к её пересылке по каналам связи. Основное применение современных домашних компьютеров — навигация в Интернете и игры.

Пятое. Современные суперкомпьютеры используются для компьютерного моделирования сложных физических, биологических, метеорологических и других процессов и решения прикладных задач. Например, для моделирования ядерных реакций или климатических изменений. Некоторые проекты проводятся при помощи распределённых вычислений, когда большое число относительно слабых компьютеров одновременно работает над небольшими частями общей задачи, формируя таким образом очень мощный компьютер.

Наиболее сложным и слаборазвитым применением компьютеров является искусственный интеллект — применение компьютеров для решения таких задач, где нет чётко определённого более или менее простого алгоритма. Примеры таких задач — игры, машинный перевод текста, экспертные системы.

Компьютерная ши́на (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).

Содержание

История

Первое поколение

Ранние компьютерные шины были группой проводников, подключающей компьютерную память и периферию к процессору. Почти всегда для памяти и периферии использовались разные шины, с разным способом доступа, задержками, протоколами.

Одним из первых усовершенствований стало использование прерываний. До их внедрения компьютеры выполняли операции ввода-вывода в цикле ожидания готовности периферийного устройства. Это было бесполезной тратой времени для программ, которые могли делать другие задачи. Также, если программа пыталась выполнить другие задачи, она могла проверить состояние устройства слишком поздно и потерять данные. Поэтому инженеры дали возможность периферии прерывать процессор. Прерывания имели приоритет, так как процессор может выполнять только код для одного прерывания в один момент времени, а также некоторые устройства требовали меньших задержек, чем другие.

Некоторое время спустя компьютеры стали распределять память между процессорами. На них доступ к шине также получил приоритеты.

Классический и простой способ обеспечить приоритеты прерываний или доступа к шине заключался в цепном подключении устройств.

DEC отмечала, что две разные шины могут быть излишними и дорогими для малых, серийных компьютеров и предложила отображать периферийные устройства на шину памяти, так, что они выглядели как области памяти. В то время это было очень смелым решением, и критики предсказывали ему провал.

Первые миникомпьютерные шины представляли пассивные объединительные платы, подключенные к контактам микропроцессора. Память и другие устройства подключались к шине с использованием тех же контактов адреса и данных, что и процессор. Все контакты были подключены параллельно. В некоторых случаях, например в IBM PC, необходимы дополнительные инструкции процессора для генерации сигналов, чтобы шина была настоящей шиной ввода-вывода.

Во многих микроконтроллерах и встраиваемых системах шины ввода-вывода до сих пор не существует. Процесс передачи контролируется ЦПУ, который в большинстве случаев читает и пишет информацию в устройства, так, как будто они являются блоками памяти. Все устройства используют общий источник тактового сигнала. Периферия может запросить обработку информации путём подачи сигналов на специальные контакты ЦПУ, используя какие-либо формы прерываний. Например, контроллер жёсткого диска уведомит процессор о готовности новой порции данных для чтения, после чего процессор должен считать их из области памяти, соответствующей контроллеру. Почти все ранние компьютеры были построены по таким принципам, начиная от Altair с шиной S-100, заканчивая IBM PC в 1980‑х.

Такие простые шины имели серьёзный недостаток для универсальных компьютеров. Всё оборудование на шине должно было передавать информацию на одной скорости и использовать один источник синхросигнала. Увеличение скорости процессора было непростым, так как требовало такого же ускорения всех устройств. Это часто приводило к ситуации, когда очень быстрым процессорам приходилось замедляться для возможности передачи информации некоторым устройствам. Хотя это допустимо для встраиваемых систем, данная проблема непозволительна для коммерческих компьютеров. Другая проблема состоит в том, что процессор требуется для любых операций, и когда он занят другими операциями, реальная пропускная способность шины может значительно страдать.

Такие компьютерные шины были сложны в настройке, при наличии широкого спектра оборудования. Например, каждая добавляемая карта расширения могла требовать установки множества переключателей для задания адреса памяти, адреса ввода-вывода, приоритетов и номеров прерываний.

Второе поколение

Однако новые шины, так же как и предыдущее поколение, требовали одинаковых скоростей от устройств на одной шине. Процессор и память теперь были изолированы на собственной шине и их скорость росла быстрее, чем скорость периферийной шины. В результате, шины были слишком медленны для новых систем и машины страдали от нехватки данных. Один из примеров данной проблемы: видеокарты быстро совершенствовались, и им не хватало пропускной способности даже новых шин Peripheral Component Interconneсt (PCI). Компьютеры стали включать в себя Accelerated Graphics Port (AGP) только для работы с видеоадаптерами. В 2004 году AGP снова стало недостаточно быстрым для мощных видеокарт и AGP стал замещаться новой шиной PCI Express

Увеличивающееся число внешних устройств стало применять собственные шины. Когда были изобретены приводы дисков, они присоединялись к машине при помощи карты, подключаемой к шине. Из-за этого компьютеры имели много слотов расширения. Но в 1980‑х и 1990‑х были изобретены новые шины SCSI и IDE решившие эту проблему и оставив большую часть разъёмов расширения в новых системах пустыми. В наше время типичная машина поддерживает около пяти различных шин.

Шины стали разделять на внутренние (local bus) и внешние (external bus). Первые разработаны для подключения внутренних устройств, таких как видеоадаптеры и звуковые платы, а вторые предназначались для подключения внешних устройств, например, сканеров. IDE является внешней шиной по своему предназначению, но почти всегда используется внутри компьютера.

Третье поколение

Современные интегральные схемы часто разрабатываются из заранее созданных частей. Разработаны шины (например Wishbone) для более простой интеграции различных частей интегральных схем.

Основные шины компьютера

Компьютер состоит из множества различных компонентов, это центральный процессор, память, жесткий диск, а также огромное количество дополнительных и внешних устройств, таких как экран, мышка клавиатура, подключаемые флешки и так далее. Всем этим должен управлять процессор, передавать и получать данные, отправлять сигналы, изменять состояние.

Для реализации этого взаимодействия все устройства компьютера связаны между собой и с процессором через шины. Шина — это общий путь, по которому информация передается от одного компонента к другому. В этой статье мы рассмотрим основные шины компьютера, их типы, а также для соединения каких устройств они используются и зачем это нужно.

Что такое шина компьютера

Как я уже сказал — шина — это устройство, которое позволяет связать между собой несколько компонентов компьютера. Но к одной шине могут быть подключены несколько устройств и у каждой шины есть свой набор слотов для подключения кабелей или карт.

Фактически, шина — это набор электрических проводов, собранных в пучок, среди них есть провода питания, а также сигнальные провода для передачи данных. Шины также могут быть сделаны не в виде внешних проводов, а вмонтированы в схему материнской платы.

По способу передачи данных шины делятся на последовательные и параллельные. Последовательные шины передают данные по одному проводнику, один бит за один раз, в параллельных шинах передача данных разделена между несколькими проводниками и поэтому можно передать большее количество данных.

Виды системных шин

Все шины компьютера можно разделить за их предназначением на несколько типов. Вот они:

Шины данных — все шины, которые используются для передачи данных между процессором компьютера и периферией. Для передачи могут использоваться как последовательный, так и параллельный методы, можно передавать от одного до восьми бит за один раз. По размеру данных, которые можно передать за один раз такие шины делятся на 8, 16, 32 и даже 64 битные;
Адресные шины — связаны с определенными участками процессора и позволяют записывать и читать данные из оперативной памяти;
Шины питания — эти шины питают электричеством различные, подключенные к ним устройства;
Шина таймера — эта шина передает системный тактовый сигнал для синхронизации периферийных устройств, подключенных к компьютеру;
Шина расширений — позволяет подключать дополнительные компоненты, такие как звуковые или ТВ карты;

В то же время, все шины можно разделить на два типа. Это системные шины или внутренние шины компьютера, с помощью которых процессор соединяется с основными компонентами компьютера на материнской плате, такими как память. Второй вид — это шины ввода/вывода, которые предназначены для подключения различных периферийных устройств. Эти шины подключаются к системной шине через мост, который реализован в виде микросхем процессора.

Также к шинам ввода/вывода подключается шина расширений. Именно к этим шинам подключаются такие компоненты компьютера, как сетевая карта, видеокарта, звуковая карта, жесткий диск и другие и их мы более подробно рассмотрим в этой статье.

Вот наиболее распространенные типы шин в компьютере для расширений:

ISA — Industry Standard Architecture;
EISA — Extended Industry Standard Architecture;
MCA — Micro Channel Architecture;
VESA — Video Electronics Standards Association;
PCI — Peripheral Component Interconnect;
PCI-E — Peripheral Component Interconnect Express;
PCMCIA — Personal Computer Memory Card Industry Association (также известна как PC bus);
AGP — Accelerated Graphics Port;
SCSI — Small Computer Systems Interface.

А теперь давайте более подробно разберем все эти шины персональных компьютеров.

Шина ISA

Раньше это был наиболее распространенный тип шины расширения. Он был разработан компанией IBM для использования в компьютере IBM PC-XT. Эта шина имела разрядность 8 бит. Это значит что можно было передавать 8 бит или один байт за один раз. Шина работала с тактовой частотой 4,77 МГц.

Для процессора 80286 на базе IBM PC-AT была сделана модификация конструкции шины, и теперь она могла передавать 16 бит данных за раз. Иногда 16 битную версию шины ISA называют AT.

Из других усовершенствований этой шины можно отметить использование 24 адресных линий, что позволяло адресовать 16 мегабайт памяти. Эта шина имела обратную совместимость с 8 битным вариантом, поэтому здесь можно было использовать все старые карты. Первая версия шины работала на частоте процессора — 4,77 МГц, во второй реализации частота была увеличена до 8 МГц.

Шина MCA

Компания IBM разработала эту шину в качестве замены для ISA, для компьютера PS/2, который вышел в 1987 году. Шина получила еще больше усовершенствований по сравнению с ISA. Например, была увеличена частота до 10 МГц, а это привело к увеличению скорости, а также шина могла передавать 16 или 32 бит данных за раз.

Также была добавлена технология Bus Mastering. На плате каждого расширения помещался мини-процессор, эти процессоры контролировали большую часть процессов передачи данных освобождая ресурсы основного процессора.

Одним из преимуществ этой шины было то, что подключаемые устройства имели свое программное обеспечение, а это значит что требовалось минимальное вмешательство пользователя для настройки. Шина MCA уже не поддерживала карты ISA и IBM решила брать деньги от других производителей за использование этой технологии, это сделало ее непопулярной с сейчас она нигде не используется.

Шина EISA

Эта шина была разработана группой производителей в качестве альтернативы для MCA. Шина была приспособлена для передачи данных по 32 битному каналу с возможностью доступа к 4 Гб памяти. Подобно MCA для каждой карты использовался микропроцессор, и была возможность установить драйвера с помощью диска. Но шина все еще работала на частоте 8 МГц для поддержки карт ISA.

Слоты EISA в два раза глубже чем ISA, если вставляется карта ISA, то она использует только верхний ряд разъемов, а EISA использует все разъемы. Карты EISA были дорогими и использовались обычно на серверах.

Шина VESA

Шина VESA была разработана для стандартизации способов передачи видеосигнала и решить проблему попыток каждого производителя придумать свою шину.

Шина VESA имеет 32 битный канал передачи данных и может работать на частоте 25 и 33 МГц. Она работала на той же тактовой частоте, что и центральный процессор. Но это стало проблемой, частота процессора увеличивается и должна была расти скорость видеокарт, а чем быстрее периферийные устройства, тем они дороже. Из-за этой проблемы шина VESA со временем была заменена на PCI.

Слоты VESA имели дополнительные наборы разъемов, а поэтому сами карты были крупными. Тем не менее сохранялась совместимость с ISA.

Шина PCI

Peripheral Component Interconnect (PCI) — это самая новая разработка в области шин расширений. Она является текущем стандартом для карт расширений персональных компьютеров. Intel разработала эту технологию в 1993 году для процессора Pentium. С помощью этой шины соединяется процессор с памятью и другими периферийными устройствами.

PCI поддерживает передачу 32 и 64 разрядных данных, количество передаваемых данных равно разрядности процессора, 32 битный процессор будет использовать 32 битную шину, а 64 битный — 64 битную. Работает шина на частоте 33 МГц.

В PCI можно использовать технологию Plug and Play (PnP). Все карты PCI поддерживают PnP. Это значит, что пользователь может подключить новую карту, включить компьютер и она будет автоматически распознана и настроена.

Также тут поддерживается управление шиной, есть некоторые возможности обработки данных, поэтому процессор тратит меньше времени на их обработку. Большинство PCI карт работают на напряжении 5 Вольт, но есть карты, которым нужно 3 Вольта.

Шина AGP

Необходимость передачи видео высокого качества с большой скоростью привела к разработке AGP. Accelerated Graphics Port (AGP) подключается к процессору и работает со скоростью шины процессора. Это значит, что видеосигналы будут намного быстрее передаваться на видеокарту для обработки.

AGP использует оперативную память компьютера для хранения 3D изображений. По сути, это дает видеокарте неограниченный объем видеопамяти. Чтобы ускорить передачу данных Intel разработала AGP как прямой путь передачи данных в память. Диапазон скоростей передачи — 264 Мбит до 1,5 Гбит.

PCI-Express

Это модифицированная версия стандарта PCI, которая вышла в 2002 году. Особенность этой шины в том что вместо параллельного подключения всех устройств к шине используется подключение точка-точка, между двумя устройствами. Таких подключений может быть до 16.

Это дает максимальную скорость передачи данных. Также новый стандарт поддерживает горячую замену устройств во время работы компьютера.

PC Card

Шина Personal Computer Memory Card Industry Association (PCICIA) была создана для стандартизации шин передачи данных в портативных компьютерах.

Шина SCSI

Шина SCSI была разработана М. Шугартом и стандартизирована в 1986 году. Эта шина используется для подключения различных устройств для хранения данных, таких как жесткие диски, DVD приводы и так далее, а также принтеры и сканеры. Целью этого стандарта было обеспечить единый интерфейс для управления всеми запоминающими устройствами на максимальной скорости.

Шина USB

Это стандарт внешней шины, который поддерживает скорость передачи данных до 12 Мбит/сек. Один порт USB (Universal Serial Bus) позволяет подключить до 127 периферийных устройств, таких как мыши, модемы, клавиатуры, и другие устройства USB. Также поддерживается горячее удаление и вставка оборудования. На данный момент существуют такие внешние шины компьютера USB, это USB 1.0, USB 2.0, USB 3.0, USB 3.1 и USB Type-C.

USB 1.0 был выпущен в 1996 году и поддерживал скорость передачи данных до 1,5 Мбит/сек. Стандарт USB 1.1 уже поддерживал скорость 12 Мбит/сек для таких устройств, как жесткие диски.

Более новая спецификация — USB 2.0 появилась в 2002 году. Скорость передачи данных выросла до 480 Мбит/сек, а это в 40 раз быстрее чем раньше.

USB 3.0 появился в 2008 году и поднял стандарт скорости еще выше, теперь данные могут передаваться со скоростью 5 Гбит/сек. Также было увеличено количество устройств, которые можно питать от одного порта. USB 3.1 был выпущен в 2013 и тут уже поддерживалась скорость до 10 Гбит/с. Также для этой версии был разработан компактный разъем Type-C, к которому коннектор может подключаться любой стороной.

Выводы

В этой статье мы рассмотрели основные шины компьютера, историю их развития, назначение шин компьютера, их типы и виды. Надеюсь эта статья была для вас полезной и вы узнали много нового.

На завершение небольшое видео про шины и интерфейсы компьютера:

Читайте также: