Лекция: Формирование цветов при глубине цвета

Графический режим.Для того, чтобы на экране монитора формировалось изображение, информация о каждой его точ­ке (код цвета точки) должна храниться в видеопамяти компьютера. Рассчитаем необходимый объем видеопамяти для одного из графических режимов, например, с разреше­нием 800 на 600 точек и глубиной цвета 24 бит на точку.

Всего точек на экране: 800 х 600 = 480000.

Необходимый объем видеопамяти: 24 бит х 480000 = 11520000 бит = 1440000 байт = 1406,25 Кбайт = 1,37 Мбайт.

Аналогично рассчитывается необходимый объем видеопа­мяти для других графических режимов

9. Двоичное кодирование звуковой информации.

С начала 90-х годов персональные компьютеры получили возмож­ность работать со звуковой информацией. Каждый компьютер, имеющий звуковую плату, микрофон и колонки, может записывать, сохранять и воспроизводить звуковую информацию. С помощью специальных про­граммных средств (редакторов аудиофайлов) открываются широкие возможности по созданию, редактированию и прослушиванию звуковых файлов. Создаются программы распознавания речи и появляется возможность управления компьютером при помощи голоса.

Звуковой сигнал — это непрерывная волна с изменяющейся амплитудой и частотой. Чем больше амплитуда сигнала, тем он громче для человека, чем больше частота сигнала, тем выше тон. Для того чтобы компью­тер мог обрабатывать непрерывный звуковой сигнал, он должен быть дистретизирован, т.е. превращен в последовательность электрических им­пульсов (двоичных нулей и единиц).

При двоичном кодировании непрерывного звукового сигнала он заменяется серией его отдельных выборок — отсчетов.

Современные звуковые карты могут обеспечить кодирование 65536 различных уровней сигнала или состояний. Для определения количества бит, необходимых для кодирования, решим показательное уравнение:

Таким образом, современные звуковые карты обеспечивают 16-битное кодирование звука. При каждой выборке значению амплитуды звукового сигнала присваивается 16-битный код.

Количество выборок в секунду может быть в диапазоне от 8000 до 48000, т.е. частота дискретизации аналогового звукового сигнала может принимать значения от 8 до 48 Кгц. При частоте 8 Кгц качество дискретизированного звукового сигнала соответствует качеству радиотрансляции, а при частоте 48 Кгц — качеству звучания аудио-CD. Следует также учитывать, что возможны как моно-, так и стерео-режимы.

Можно оценить информационный объем моном аудио файла длительно­стью звучания 1 секунду при среднем качестве звука (16 бит, 24 Кгц). Для этого количество бит на одну выборку необходимо умножить на количе­ство выборок в 1 секунду:

16 бит * 24000 = 384000 бит = 48000 байт или 47 Кбайт

10. Общие принципы построения компьютера. Архитектура ЭВМ и принципы фон Неймана.

Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Он подключился к созданию первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC в 1944 г., когда ее конструкция была уже выбрана. В процессе работы во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. В 1946 г. ученые изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье “Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства”. С тех пор прошло полвека, но выдвинутые в ней положения сохраняют актуальность и сегодня.

В статье убедительно обосновывается использование двоичной системы для представления чисел (нелишне напомнить, что ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде). Авторы убедительно продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации – текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.

Еще одной поистине революционной идеей, значение которой трудно переоценить, является предложенный Нейманом принцип “хранимой программы”. Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например, для изменения программы машины ENIAC требовалось несколько дней (в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут – выходили из строя лампы). Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Схема устройства такой ЭВМ представлена на рис. 1. Следует отметить, что внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком. Так, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти, а клавиатура – устройство ввода, дисплей и печать – устройства вывода.

Рис. 1. Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана. Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные – управляющих сигналов от процессора к остальными узлам ЭВМ

Устройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах объединены в один блок – процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств (сюда относятся выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение различных, в том числе и арифметических, операций, согласование работы узлов компьютера). Более детально функции процессора будут обсуждаться ниже.

Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее устройство у современных компьютеров “многоярусно” и включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть необходимых для нее данных, некоторые управляющие программы), и внешние запоминающие устройства (ВЗУ) гораздо большей емкости, чем ОЗУ. но с существенно более медленным доступом (и значительно меньшей стоимостью в расчете на 1 байт хранимой информации). На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не заканчивается – определенные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоминающее устройство), и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), и другие подвиды компьютерной памяти.

В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти. из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.

Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название “фон-неймановской архитектуры”. Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день – фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины).

По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.

Принципы фон Неймана

1. Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах. Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.

2. Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.

3. Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.

4. Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.

5. Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.

11. Архитектура IBM PC, принцип шинной организации.

Компьютер состоял из АЛУ и устройства управления, заключенных в центральном процессоре, памяти и устройствах ввода-вывода. На основной плате компьютера, материнской или системной, располагались только блоки, которые выполняли вычисления, электронные схемы, управлявшие внешними устройствами (контроллеры или адаптеры), устанавливались в слоты (разъемы) на материнской плате.
В основу архитектуры IBM PC-компьютеров положен принцип шинной организации связей между процессором и остальными компонентами компьютера. Хотя с тех пор неоднократно менялись типы используемых шин и их устройство, но архитектура — основной принцип внутренней организации компьютера — осталась без изменений.
Дисководы Контроллеры дисков Видеокарта
Монитор
Принтер | I-a-j материнская плата i -■ ц Клавиатура

Центральный процессор (CPU) является ядром компьютерной системы. Связь с остальными компонентами осуществляется посредством внешней шины процессора. Внутри процессора имеются шины для взаимодействия межд) jo6oft АЛУ, устройства управления и регистров памяти. Внешняя шина процессора состоит из линий, по которым передаются данные, адреса (указывающие, откуда берутся и куда передаются эти данные) и команды управления. Поэтому общая шина подразделяется на ил игу данных, шину адреса и шину управления. По каждой линии может передаваться один бит данных, адреса или команды управления. Количество линий
в шине называется разрядностью шины. Разрядность шины определяет максимальное количество одновременно передаваемых бит, отчего в свою очередь зависит общая производительность компьютера. То есть чем больше разрядность шины, тем больше данных одновременно может передаваться, тем выше производительность. Вторым параметром, влияющим на производительность, является скорость передачи данных по шине, которая определяется тактовой частотой шины.
Частота шины — достаточно важная характеристика, но все же не определяющая производительность компьютера. Наиболее важными параметрами для общей производительности компьютера являются тактовая частота и разрядность центрального процессора. И это естественно по многим причинам. Именно процессор выполняет основные задачи по обработке данных, часто инициирует и управляет обменом данных. Тактовая частота определяет скорость выполнения операций, а разрядность — количество данных, обрабатываемых в процессе одной операции.
Поскольку данные в процессе работы хранятся в оперативной памяти, важным параметром является скорость записи в память и чтения из памяти, определяемая как время доступа к памяти. Если в процессе работы CPU приходится считывать данные и программы с внешних устройств и накопителей, на общее быстродействие начинает влиять скорость обмена данными, обеспечиваемая контроллером устройства, и быстродействие самого устройства.
Из внешних устройств очень большое влияние на производительность мультимедийного компьютера оказывает видеоконтроллер или видеокарта. При большом потоке видеоданных, используемом в современных играх, требуются быстродействующие видеокарты с видеоускорителями, или акселераторами.
Кроме рассмотренных устройств немаловажную роль играют: BIOS (базовая система ввода-вывода) и набор системных программ, определяющий многие параметры взаимодействия элементов компьютера. BIOS записывается и хранится в микросхеме постоянной памяти. В современных компьютерах для этих целей применяются микросхемы на основе
флэш-технологии, позволяющие многократно перепрограммировать или, как говорят, перепрошивать BIOS.
К одной из микросхем или, как часто говорят, чипе хранятся установки конфигурации компьютера и показания часов реального времени. Выполняется эта микросхема по технологии CMOS, характеризующейся малым энергопотреблением. Для сохранения конфигурационных данных и обеспечения хода часов реального времени после выключения компьютера микросхема питается от встроенного в материнскую плату аккумулятора.
Такой принцип построения компьютера сохранен и по сей день. Хотя, используя современную элементную базу, на материнской плате можно разместить большую часть компонентов компьютера. Подобный подход реализуется для так называемых интегрированных материнских плат, в составе которых могут присутствовать встроенные видео- и аудиокар-ты, сетевые адаптеры и другие составляющие компьютерной системы.

12. Базовая аппаратная конфигурация ПК.

Базовая аппаратная конфигурацияПерсональный компьютер — универсальная техническая система. Его конфигурацию состав оборудования можно гибко изменять по мере необходимости. Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. В таком комплекте компьютер обычно поставляется. Понятие базовой конфигурации может меняться. В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают четыре устройства — системный блок — монитор

— клавиатуру — мышь. Системный блокСистемный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными. По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса.

Корпуса персональных компьютеров выпускают в горизонтальном desktop и вертикальном tower исполнении. Корпуса, имеющие вертикальное исполнение, различают по габаритам полноразмерный big tower, среднеразмерный midi tower и малоразмерный mini tower. Среди корпусов, имеющих горизонтальное исполнение, выделяют плоские и особо плоские slim. Кроме формы, для корпуса важен параметр, называемый форм-фактором. От него зависят требования к размещаемым устройствам.

В настоящее время в основном используются корпуса двух форм-факторов АТ и АТХ. Форм-фактор корпуса должен быть обязательно согласован с форм-фактором главной системной платы компьютера, так называемой материнской платы. Корпуса персональных компьютеров поставляются вместе с блоком питания и, таким образом, мощность блока питания также является одним из параметров корпуса. Для массовых моделей достаточной является мощность блока питания 200-250Вт.

13. Материнская плата, чипсеты.

Материнская плата любого компьютера выполняет несколько основных функций. Главное — это механическая основа любого компьютеpа. Она содержит платы расширения, разъемы, дополнительные элементы, базовый набор микросхем, чипсет, с помощью которого материнская плата осуществляет контроль над всем происходящим внутри системного блока.

От типа чипсета напрямую зависят самые важные характеристики материнской платы — скорость передачи данных, число поддерживаемых моделей процессоров, параметры работы с памятью. Она обеспечивает электрическое соединение всех элементов компьютера. Плата содержит процессор и поддерживающие его элементы. Эти цепи определяют функционирование компьютера и его реакцию на каждое внешнее воздействие .

Ни один элемент компьютера полностью не определяет его основные характеристики. Все решает их полная совокупность.

Вот некоторые наиболее важные части :

Микропроцессор. Центральная схема компьютера. Используемый процессор определяет не только производительность но, и его программную совместимость.

Сопроцессор. Дополнительный микропроцессор позволяющий компьютеру выполнять отдельные операции во много раз быстрее центрального процессора .

Память. Жизненно необходимый элемент в целом.

BIOS. Базовая система ввода-вывода компьютера навсегда зашита в память, что определяет его характеристики.

Самыми большими сервисными возможностями отличаются материнские платы таких производителей: ASUSTeK, Gigabyte.

Формат материнской платы — общая стратегия расположения на плате основных микросхем, слотов, форма и размер материнской платы.

Помимо чипсета на материнской плате имеется огромное количество гнезд и разъемов, предназначенных для подключения внешних и внутренних устройств. Это:

«Гнездо» для установки процессора

Разъемы-«слоты» стандарта PСI — для подключения дополнительных плат

Разъем Advanced Graphic Port для установки видеокарт формата AGP

Разъемы-слоты CNR/AMR — для установки в компьютер встроенного модема или звуковой карты

Слоты для установки оперативной памяти

Разъемы для подключения жестких дисков.

Чипсет. Чипсет – это набор микросхем материнской платы для обеспечения работы процессора с памятью и внешними устройствами. Раньше компьютер имел до 2-х сотен микросхем на материнской плате. Современные компьютеры содержат две основные большие микросхемы чипсета: контроллер-концентратор памяти или Северный мост (North Bridge), который обеспечивает работу процессора с памятью и с видеоподсистемой; контроллер-концентратор ввода-вывода или Южный мост (South Bridge), обеспечивающий работу с внешними устройствами. Обычно северный и южный мост расположены на отдельных микросхемах. Именно северный и южный мосты определяют, в значительной степени, особенности материнской платы и то, какие устройства могут подключаться к ней.

14. Внутренние устройства системного блока. Контроллеры устройств. Контроллер прерываний.