Это - учебно-методические материалы по медицинской информатике и статистике с сайта 1mgmu.com

Увеличить шрифт :: Уменьшить шрифт
6.1.5 Компьютер. Железо и программы. Интерфейсы

Лицом к лицу лица не разглядеть
Большое видится на расстоянии

Термин «интерфейс», как и многие другие компьютерные термины, применяют для обозначения разных понятий, связанных с взаимодействием: и как стандарты, обеспечивающие совместимость разных устройств, и как сами устройства, обеспечивающие обмен информации между компонентами, и как организацию взаимодействия программ друг с другом, аппаратной частью или пользователем (например, «графический пользовательский интерфейс»).
Можно выделить три уровня, обеспечивающие совместимость устройств на уровне стандарта взаимодействия:
1. Стандарт на физические размеры;
2. Стандарт на физические параметры кодирования информации, включая (для электрических сигналов) величину напряжения, амплитуду и частоту модуляции сигнала;
3. Стандарт на способ кодирования информации, что обеспечивает правильное «понимание» ее разными устройствами.
Например, изначально CD-диски использовались для разных назначений. Было несколько конкурирующих форматов записи музыкальных дисков, формат записи фотоизображений, далее появились несколько форматов записи компьютерных файлов. Все эти варианты были совместимы по первым двум типам стандартов – они имели одинаковую величину диска (включая отверстия в центре), отражающую способность поверхности диска, размеры и расположение темных точек, кодирующих информацию, и т.д., однако были несовместимы по третьему типу стандарта. Поэтому в компьютерах используют интеллектуальные CD-накопители, которые распознают и корректно обрабатывают более десяти стандартов кодирования.
DVD-диски совместимы с CD-дисками в первом смысле, так как имеют те же размеры, но несовместимы во втором и третьем смысле, так как имеют другую плотность записи и точки другого размера. Поэтому для обеспечения совместимости используют комбинированные CD/DVD устройства, в которых имеется два разных устройства для чтения/записи с лазерами разной длины волны.
Как уже было сказано, широкое и успешное распространение серии IBM PC-совместимых компьютеров в значительной степени связано с возможностью их модернизации. Для обеспечения этого строго выдерживаются стандарты на размеры устройств, типы интерфейсных разъемов, способа кодирования и питания. Несмотря на очень быстрый прогресс вычислительной техники стандартные типы разъемов меняются лишь примерно раз в десять лет; накопители на CD и DVD подсоединяются через тот же интерфейсный кабель и разъем, что и винчестеры, и т.д.
В первых вариантах PC-совместимых компьютеров использовался интерфейс типа общей шины. При этом типе организации обмена информации каждое устройство направляет через шину пакет данных, сопровождаемый информацией о том, какое устройство должно его получить.
Конструктивно в системном блоке часть компонент размещена прямо на материнской плате, часть компонент – на платах меньшего размера, которые вставляются в слоты (разъемы) расширения материнской платы, а часть (в том числе накопители на гибких, жестких и оптических дисках) подключена к материнской плате через шлейфы – плоские многожильные кабели передачи данных. Первоначальный стандарт разъемов расширения был ISA. Потом он был усовершенствован – введен стандарт EISA, отличающийся большим количеством контактов и жил передачи данных. Конструктивно разъемы EISA были сделаны за счет удлинения разъемов ISA, так что платы расширения ISA можно вставлять в слоты EISA.
Организация интерфейса типа общей шины очень проста и гибка, но сильно сдерживает скорость обмена данных, так как скорость считывания и записи разных устройств различается многократно, и быстрым устройствам приходится ждать, пока медленное устройство освободит шину. Поэтому начиная с 486 компьютеров к общей шине добавили другую – локальную шину, связывающую самые быстрые компоненты – процессор, оперативную память и винчестеры.
Первый вариант локальной шины VL-BUS был устройством относительно простым и дешевым, напрямую связывающим устройства. Из-за этого в его использовании были ограничения, в том числе физические. Так, на некоторых компьютерах не удавалось подключить винчестер через длинный кабель передачи данных, и приходилось брать менее удобный короткий. Следующим стандартом локальной шины стал более гибкая и интеллектуальный PCI. В нем у шины имеется своя память, куда записываются данные, направляемые на занятое устройства. Благодаря этому стало возможным соединять устройства, работающие на разной тактовой частоте, и появилась возможность «расцепить» тактовые частоты процессора, оперативной памяти и шины.
В стандарте PCI были также изменены слоты расширения – они стали короче. После его внедрения для обеспечения совместимости в течении ряда лет выпускались материнские платы, оснащенные слотами как EISA, так и PCI.
С внедрением мощных графических плат возможностей стандартной локальной шины стало не хватать, и появился стандарт AGP со своим вариантом слота расширения, предназначенного только для графических плат.
Для увеличения скорости передачи данных между компонентами используют многожильные провода, у которых каждая изолированная жила – канал передачи информации. Поэтому скорость обмена данными можно повышать за счет двух решений:
1. Увеличения количества жил в устройствах связи;
2. Увеличения тактовой частоты.
Интерфейсы, использующие для передачи данных большое количество параллельных контактов, называют параллельными. За счет этого за один такт связи они передают сразу несколько байтов данных. Интерфейсы, не использующие такую технологию и передающие за такт один или несколько битов, называют последовательными.
В течение ряда лет для увеличения скорости повышалась «ширина» параллельных интерфейсов, а последовательные интерфейсы использовались в основном для малоскоростных устройств, таких, как клавиатура, мышь и т.д. Однако в последние годы при переходе на очень большие тактовые частоты ситуация обратилась.
Расположенные рядом линии связи при высокой частоте передачи дают большие наводки. Кроме того, разводка на материнской плате многожильных соединений и линий передачи оказалась сложной задачей, накладывающей ограничения на производительность системы. Поэтому сейчас идет переход на новый быстрый внутренний интерфейс PCI Express, который уже не параллельный, а последовательный.
Более точно, в варианте PCI Express есть элементы и последовательного, и параллельного интерфейса. С одной стороны, имеется до 32 одноканальных высокоскоростных линий связи. С другой стороны, к одному устройству для ускорения обмена может быть подведено не одна, а несколько линий связи. Однако и при этом они работают независимо, например, при передаче данных по одному каналу нет необходимости дожидаться сигнала об успешном приеме данных по другому каналу связи.
Конструктивно это может быть оформлено по-разному. Например, на некоторых материнских платах имеется несколько слотов для PCI Express с одним каналом связи, несколько – для PCI Express с двумя каналами связи и один – для скоростных графических карт – с 16-канальным PCI Express.
На самой материнской плате интерфейс, обеспечивающий связь с центральным процессором, обычно выполнен в виде не одного, а двух устройств, называемых северным и южным мостом. Северный мост обеспечивает связь с самыми быстрыми, а южный – с остальными устройствами.
Для обеспечения связи системного блока с другими устройствами, находящимися вне его, используются свои разъемы и интерфейсы. Для связи с монитором в основном используется трапецевидный разъем с тремя рядами гнезд. Для клавиатуры использовались отдельные круглые разьемы, для других устройств – параллельные (LPT) и последовательные (COM) порты с трапецевидными разъемами с двумя рядами гнезд или штырьков. В последние годы основным разъемом для проводного подключения всех внешних устройств (включая клавиатуру и мышь) является USB. Он имеет небольшой плоский разъем. Среди его достоинств:
1. Возможность подключения и отключения устройств без перезагрузки компьютера;
2. Возможность использования большого количества устройств. Строго говоря, компьютер работает с USB-портами как с одним устройством, а его контроллер по очереди опрашивает все подключенные агрегаты. Поэтому, если количества USB-портов не хватает, то в USB-порт можно подключить ветвитель и работать с большим количеством устройств. С LPT и COM-портами такое простое решение не проходило – там для каждого устройства нужно было выделять свой номер прерывания и т.д.
3. USB-порт является не только интерфейсным, но и силовым устройством – несколько его контактов выделено под подведение к внешнему устройству электрического питания. Это дает возможность работать с устройствами, не имеющими своего источника питания, например, флэш-память. В некоторых случаях компьютер используется и как источник питания. Например, в популярных сейчас MP-3 плеерах с аккумулятором подключение к USB-порту позволяет не только загрузить на плеер музыку, но и зарядить аккумулятор. Это породило целую индустрию производства маломощных устройств, запитывающихся через USB-порт, таких, как вентилятор, «активная» пепельница, светящийся аквариум с плавающими пластмассовыми рыбками и т.д. Впрочем, маленькая лампа для подсветки клавиатуры оказалась очень удачной - сейчас я, как обычно, ею пользуюсь.
4. Большая скорость обмена данными.
В последние годы активно внедряются в обиход и беспроводные интерфейсы, основанные на передаче данных по радио или через инфракрасные лучи. Радиостандарт Blue Teeth предназначен для передачи с относительно невысокой скоростью и на расстоянии до нескольких метров. Радиостандарты WiFi (есть несколько подвариантов) более быстр и позволяет работать на расстоянии в десятки и более метров. Для радиообмена на больших расстояниях с небольшой скоростью можно пользоваться стандартными технологиями сотовой телефонной связи. При передаче через инфракрасный порт (аналог управления телевизором через пульт дистанционного управления) нужно, чтобы порты компьютера и устройства находились недалеко друг от друга и в прямой видимости.
Беспроводные варианты соединения дают меньшую скорость обмена и требуют дополнительных коммуникационных устройств, но позволяют быстро и гибко перестраивать конфигурацию систем. Особенно они важны для мобильных решений. Поэтому в медицине, особенно скоропомощной, экстренных состояний и чрезвычайных ситуаций, беспроводные и удаленные соединения должны использоваться достаточно широко. Например, при госпитализации больного, нуждающегося в экстренной операции, врач скорой помощи может еще в автомобиле на наладонном компьютере подготовить необходимые документы, в том числе (путем росписи «стилусом» на экране компьютера) – разрешение на проведение реанимационных мероприятий, а наладонный компьютер на подъезде к стационару свяжется со стационарным больничным компьютером.
Рассмотрим в качестве примера одну из современных материнских плат:

Безмозглая мать.

(фото материнской платы.)


В верхней части платы имеется четыре параллельных слота (два черных и два желтых) с защелками по концам для установки планок оперативной памяти формата DDR. Около середины верхней кромки – белое прямоугольное гнездо для подключения питания. В правом верхнем углу – три гнезда для подключения интерфейсных кабелей IDE накопителей на жестких или оптических дисках (два – красных и один – синий). Гнездо для подключения интерфейсного кабеля накопителя на гибких дисках – в правом нижнем углу платы. Оно немного короче и черного цвета. Рядом с ними имеется четыре гнезда (два черных и два красных) для подключения интерфейсных кабелей последовательного интерфейса SATA, идущего на смену IDE.
В самом центре платы виден массивный черный куб радиатора. В современные платах из-за быстрой скорости работы приходится охлаждать не только центральный процессор, но и некоторые другие компоненты. Левее его имеется прямоугольное гнездо для установки центрального процессора, закрытое устройством для его установки. Вдоль нижней кромки платы справа – два круглых разъема для клавиатуры (PS2) и мыши. Правее большой фиолетовый разъем LPT-порта, под ним – разъем COM-порта меньших размеров. Еще правее – четыре разъема для USB и один (немного более «толстый») – для подключения телефонного кабеля к встроенному модему. Шесть круглых разъемов правее – для аудио и видеовходов и выходов.
В правой части недалеко от нижней кромки установлено три слота расширения PCI (белого цвета, достаточно длинные). Правее их имеется один слот PCI Express x16 (черного цвета, примерно такой же длины, но пониже). Также имеется три коротких белых слота PCI Express x1 – один левее и два правее.




Оглавление раздела нижнего уровня
Оглавление раздела верхнего уровня
ОГЛАВЛЕНИЕ ОГЛАВЛЕНИЙ



НА ГЛАВНУЮ СТРАНИЦУ САЙТА


Материалы используются на Едином Образовательном Пространстве Первого московского государственного медуниверситета им. И.М. Сеченова