«А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Учебно-методический комплекс под редакцией профессора Пятибратова А.П. Москва, 2009 УДК 004 ББК 32.973.202 П 994 ...»

Микропроцессоры фирмы Intel Pentium Pro начали выпускать по технологии 0.5 мкм (данный параметр характеризует минимально различимый размер компонентов ИС), Pentium II выпускался уже по технологии 0.35 мкм. Микропроцессоры Xeon (для серверов) и Celeron (для недорогих компьютеров) выпускаются по 0.25 мкм – технологии. «Pentium III»

(тактовая частота в конце 1999 года достигала 750 МГц) и МП «Alpha» фирмы Compaq (с тактовой частотой 1 ГГц) выпускались по 0.18 мкм – технологии.

Считается, что переход на 0.13 мкм – технологию позволит повысить тактовую частоту МП до 1.3-1.5 ГГц. В то же время, фирма Texas Inatruments с 1998 г. осваивает 0.07 мкм-технологию.

Микропроцессоры фирмы Intel, начиная с Pentium II, имеют ядро, выполненное в виде RISC-процессора, и аппаратный транслятор команд х86 в RISC-команды.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы В персональных ЭВМ нашли применение не только микропроцессоры фирмы Intel. Крупнейшими производителями аналогов микропроцессорам Intel (клонов) являются фирмы Cyrix и AMD, кроме того, микропроцессоры для персональных ЭВМ выпускают IBM, Motorola, Compaq, Sun Microsystems Inc. и др. Микропроцессоры для персональных компьютеров – однокристальные, тогда как для серверов, суперсерверов и суперЭВМ выпускаются микропроцессоры, размещенные на нескольких кристаллах (например, микропроцессоры POWER, Sparkc, Alpha).

Обобщенная структурная схема 32-разрядного микропроцессора x86 (серии Pentium) приведена на рис. 13.

Условно микропроцессор можно разделить на три части: исполнительный блок (Execution Unit, EU), устройство сопряжения с системной магистралью (Bus Interface Unit, BIU) и блок управления микропроцессором.

В исполнительном блоке находятся арифметический блок (DATE CACHE, АЛУ, регистр флагов); регистры общего назначения (РОН) EAX, EBX, ECX, EDX; общие регистры ESI, EDI, ESP, EBP.

В регистре флагов каждый разряд имеет строго определенное назначение. Обычно разряды регистра флагов устанавливаются аппаратно при выполнении очередной операции в зависимости от получаемого в АЛУ результата. При этом фиксируются такие свойства получаемого результата, как нулевой результат, отрицательное число, переполнение разрядной сетки АЛУ и т.д.

Регистры общего назначения EAX, EBX, ECX, EDX имеют длину по 32 бита. Каждый из них делится на два 16-битных регистра, младший из которых имеет свое имя (что обеспечивает совместимость с 16-разрядными версиями микропроцессоров). Так, в регистре EAX содержится 16-битный регистр AX, в регистре EBX содержится регистр BX, в ECX – регистр CX, в EDX – регистр DX. Каждый из 16-битных регистров в свою очередь состоит из двух 8-битных регистров, имеющих свои имена. Так, АХ (аккумулятор) делится на AH и AL, регистр базы (Base Register) BX делится на BH и BL. Счетчик (Count Register) CX включает регистры CH и CL. Регистр данных (Data Register) DX содержит регистры DH и DL. Каждый из коротких регистров может использоваться самостоятельно или в составе регистровой пары. Условные названия (аккумулятор, регистр базы, счетчик, регистр данных) не ограничивают применения этих регистров – эти названия говорят о наиболее частом использовании их, или об особенности использования того или иного регистра в той или иной команде. Буква «Н» в имени 8битного регистра означает верхний (или старший) регистр, буква «L» – младший (т.е.

младший байт 16-битного регистра или младший однобайтный регистр двухбайтного регистра).

Рис. 13. Обобщенная структурная схема 32-разрядного микропроцессора x ES Доп.сегм.данных GDTR Регистр глобальн. табл. дескриптор.

LDTR Регистр локальн.

Внутренняя магистраль микропроцессора Общие регистры – ESP, EBP, ESI, EDI также 32-х битные, младшая половина которых доступна как регистры SP, BP, SI, DI.

Регистр ESP указывает на адрес вершины стека (адрес, куда будет заноситься следующая информация командой PUSH).

Регистр ЕВР содержит адрес базы, который может использоваться при работе со стеком.

Регистр ESI – адрес источника – обычно содержит адрес начала блока информации для операций типа «переместить блок», а регистр EDI – адрес приемника (назначения) в этой операции. Блок управления микропроцессором содержит сегментные регистры, системные регистры и блок выработки управляющих сигналов микропроцессора.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Сегментные регистры CS, DS, ES, FS, GS, SS имеют длину по 16 бит и используются для формирования физических адресов команд и данных в основной памяти.

• CS – сегмент кода исполняемой в данный момент программы.

• DS – сегмент данных исполняемой программы: константы, строковые ссылки и т.д.

• SS – сегмент стека исполняемой программы.

• ES, FS, GS – дополнительные сегменты, которые в некоторых программах могут не использоваться.

Системные регистры GDTR и LDTR являются регистрами глобальной и локальной дескрипторных таблиц и используются для определения текущего адреса ОП. GDTR имеет длину 48 бит, LDTR – 16 бит (точнее, 16 бит – это только «видимая» часть этого регистра).

Регистр IDTR (таблицы дескрипторов прерываний – DTR) имеет длину 48 бит, из которых являются базовым адресом таблицы дескрипторов прерываний (IDT), а 16 – смещением этого адреса (пределом).

Структурная схема блока выработки управляющих сигналов микропроцессора приведена на рис. 14.

Рис. 14. Блок выработки управляющих сигналов микропроцессора Тестовые Управляющие прогнозирование word (MSW)) Основу блока составляют счетчик команд, АЛУ, конвейер команд и группа управляющих, отладочных и тестовых регистров.

Регистр EIP является указателем адреса команды (Instruction Pointer), которая будет выбираться в конвейер команд в качестве очередной команды (в отечественной литературе такое устройство называется счетчик команд).

Конвейер команд МП хранит несколько команд, что позволяет при выполнении линейных программ совместить подготовку очередной команды с выполнением текущей.

Команды в конвейер команд поступают с внутренней магистрали микропроцессора и накапливаются в кэше команд. Блок предвыборки и прогнозирования переходов осуществляет трансляцию команд x86 в RISС-команды, прогнозирует последовательность исполнения команд и направляет полученные последовательности команд в соответствующие ветви конвейера команд. Каждый конвейер команд имеет свой буфер (память магазинного типа FIFO), из которого команды поступают в соответствующий регистр команд для исполнения.

АЛУ команд используется для вычисления физических адресов необходимых для работы микропроцессора команд и данных.

Управляющие регистры CR0, CR1, CR2, CR3 имеют длину по 32 бита. Эти регистры устанавливают режим работы процессора (реальный, защищенный и т.д.), контролируют постраничное распределение памяти и т.д. Они доступны только для привилегированных команд. Младшая часть регистра CR0 используется как слово состояния машины.

Отладочные регистры DR0-DR7 содержат адреса 8 точек прерывания и устанавливают, что должно произойти при достижении программой соответствующей точки прерывания. Эти регистры используются при отладке программы с помощью таких отладочных средств, как debug.exe (для реального режима) или ntsd.exe (для защищенного режима).

Тестовые (контрольные) регистры TRj используются для контроля постраничной системы распределения памяти, реализуемой операционной системой.

2.3.3. Системы визуального отображения информации (видеосистемы) Видеосистемы предназначены для оперативного отображения информации, доведения ее до сведения оператора ЭВМ. Обычно они состоят из двух частей: монитора и адаптера. Монитор служит для визуализации изображения, адаптер – для связи монитора с микропроцессорным комплектом.

Классификацию мониторов можно провести по используемым физическим эффектам, по принципу формирования изображения на экране, по способу управления, по длительности хранения информации на экране, по цветности.

По принципу формирования изображения мониторы делятся на плазменные, электролюминесцентные, жидкокристаллические, дисплеи с эмиссией полем, и электроннолучевые.

Плазменные, электролюминесцентные, жидкокристаллические мониторы и дисплеи с эмиссией полем относятся к дисплеям с плоским экраном. Для них характерно то, что экран имеет малые физические размеры и не мерцает. Мониторы этого вида имеют малый вес и незначительное потребление энергии, большую механическую прочность и длительный срок службы.

Плазменные, электролюминесцентные мониторы и дисплеи с эмиссией полем являются активными, излучающими свет. Для работы с ними не нужен посторонний источник света.

Жидкокристаллические – пассивные мониторы. Они работают только при наличии постороннего источника света: отраженного или проходящего. Жидкокристаллические мониторы используют способность жидких кристаллов изменять свою оптическую плотность или отражающую способность под воздействием электрических сигналов.

В плазменной панели элемент изображения образуется в результате газового разряда, который сопровождается излучением света. Конструктивно панель состоит из трех стеклянных пластин, на двух из которых нанесены тонкие прозрачные проводники. На одной пластине проводники расположены горизонтально, на другой – вертикально. Между ними находится третья стеклянная пластина, в которой в местах пересечения проВычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы водников имеются сквозные отверстия. Эти отверстия при сборке панели заполняются инертным газом. Вертикально и горизонтально расположенные проводники образуют координатную сетку; на пересечении проводников находятся элементы изображения – пикселы. При разрешающей способности 512512 пиксел такая панель имеет размеры не более 200200 мм и толщину 6-8 мм. В настоящее время созданы цветные плазменные панели с разрешающей способностью экрана более 10241024 пиксел.

Электролюминесцентные мониторы работают на принципе люминесценции вещества при воздействии на него электрического поля. Люминесцентное вещество распыляется на внутренней поверхности одной из пластин с координатной сеткой. Напряжение на координатные шины подается такое, чтобы на пересечении координатных шин создавалось электрическое поле, достаточное для возбуждения люминофора.

Дисплеи с эмиссией полем (Field Emission Display, FED) – это плоские дисплеи, по принципу работы подобные обычным ЭЛТ. Электроны в них излучаются из холодных катодов, имеющих форму очень острых микроигл, количество которых на каждый пиксел может составлять до нескольких тысяч. Этот вид мониторов характеризуется хорошим воспроизведением цветов, так как используется такой же люминофор, как в электронно-лучевых трубках, и высокой скоростью работы (как и в ЭЛТ).

Наибольшее распространение получили мониторы на электронно-лучевых трубках.

Электронная лучевая трубка представляет собой электровакуумный прибор в виде стеклянной колбы, дно которой является экраном. В колбе, из которой удален воздух, расположены электроды: электронная пушка (катод с электронагревательным элементом), анод, вертикально и горизонтально отклоняющие пластины и сетка. Снаружи на ЭЛТ установлена фокусирующая система. Внутренняя поверхность экрана покрыта люминофором, который светится при попадании на него потока электронов. Катод, поверхность которого покрыта веществом, легко отдающим электроны при нагревании, является источником электронов. Возле него образуется «электронное облако», которое под действием электрического поля анода движется в сторону экрана. По мере приближения к аноду электронный поток увеличивает скорость. Фокусирующая система сжимает поток электронов в тонкий пучок, который с помощью отклоняющих пластин направляется в нужную точку экрана. Сетка служит для регулирования плотности электронного потока. Она расположена гораздо ближе к катоду, чем анод. В зоне ее действия поток электронов имеет небольшую скорость, поэтому она оказывает на поток электронов влияние, сопоставимое с влиянием анода. Сетка может создать электрическое поле, которое тормозит электроны, уменьшает их скорость и плотность потока, движущегося в сторону экрана, и даже может полностью «запереть» трубку, не пропустить поток электронов в сторону экрана.

На отклоняющие пластины ЭЛТ подается пилообразное напряжение, которое отклоняет электронный луч и заставляет его пробегать по всей поверхности экрана, строка за строкой. На поверхности экрана появляется развертка, с помощью которой выводится требуемое изображение – в местах экрана, которые должны оставаться темными, трубка запирается и электронный луч не доходит до поверхности экрана.

В зависимости от формы напряжения, подаваемого на отклоняющие пластины и способа его получения, различаются растровая, матричная и векторная развертки.

Растровая развертка представляет собой набор сплошных горизонтальных линий, заполняющих весь экран. Она формируется с помощью аналоговых приборов – генераторов пилообразного напряжения: отдельно для строк и для кадров. Этот вид развертки применяется в телевидении.

Матричная развертка по внешнему виду похожа на растровую. Но формируется она с помощью цифровых схем (счетчиков), связанных с отклоняющей системой через цифро-аналоговые преобразователи. В этом случае электронный луч на экране перемеФункциональная и структурная организация эвм щается не непрерывно, а скачками – от одного пиксела к другому. Поэтому он не рисует линию, а высвечивает матрицу точек (пиксел). При такой развертке легко перевести луч в любую заданную точку экрана: надо только в счетчики строк и кадров поместить координаты этой точки.

Векторная развертка используется для рисования сложных фигур с помощью сплошных линий разной формы. Управление вертикальным и горизонтальным отклонением луча в этом случае осуществляется с помощью функциональных генераторов, каждый из которых настроен на прорисовку определенного графического примитива. Состав графических примитивов, из которых строится изображение, определяется наличием функциональных генераторов.

Максимальное количество строк на экране и количество точек в строке образуют разрешающую способность монитора:

• низкую: 320200 (320 пиксел в строке, 200 строк на экране);

• стандартную: 640200, 640350 или 640480;

• высокую: 750348 или 800600;

• особо четкую: 1024768 или 10241024 и выше.

Разрешающая способность оказывает значительное влияние на качество изображения на экране. Но качество изображения зависит и от других характеристик: физических размеров элементов изображения (пиксел, или точек), размеров экрана, частоты развертки, цветовых характеристик и др.

Размер элементов изображения зависит от величины зерен люминофора, напыляемого на экран, которая измеряется в мм и образует ряд: 0.42; 0.39; 0.31; 0.28; 0.26; 0.25;...

Фактически приведенные цифры характеризуют не диаметр точек люминофора, а расстояние между центрами этих точек.

Размер экрана, имеющего прямоугольную форму, обычно измеряется по диагонали в дюймах (12, 14, 15, 17, 21 и т.д.). Для экрана с диагональю 14” длина горизонтальной части экрана составляет около 10”, а вертикальной – около 9”. При длине строки 10” (т.е.

257.5 мм) и размере зерна 0.42 мм, в строке может разместиться 613 пиксел. Поэтому на мониторе с размером экрана 14” и размером зерна 0.42 мм невозможно получить разрешающую способность, более 613 пиксел в строке при 535 пикселных строках на экране; монитор может обеспечить лишь стандартную разрешающую способность (не более 640 480). При размере зерна 0.28 мм на 14” мониторе максимально можно получить разрешающую способность 800 600 (зато на 15” мониторе размер зерна 0.28 позволяет обеспечить разрешающую способность 1024 768).

Необходимо отметить, что большее по размерам зерно имеет большую инерционность: электронный луч дольше «разжигает» такое зерно, но оно и светится дольше. Поэтому в мониторах с большим размером зерна частота регенерации не должна быть высокой (25-30 кадров в секунду достаточно, чтобы изображение «не мерцало» из-за угасания зерен люминофора). При уменьшении размеров зерна уменьшается и его инерционность. Поэтому регенерацию экрана в мониторах с зерном 0.26 и меньше приходится проводить чаще (75-100 раз в секунду). Для того чтобы вывести 100 раз в секунду кадр, содержащий 1000 пиксел в строке и 1000 строк, необходимо обеспечить частоту строчной развертки 100 1000 1000 = 108 Гц = 100 Мгц; частота кадровой развертки при этом составит 100 1000 = 105 Гц = 0.1 Мгц.

По длительности хранения информации на экране мониторы делятся на регенерируемые и запоминающие.

В регенерируемых мониторах изображение после однократной прорисовки держится на экране недолго (доли секунды), постепенно угасая. Угасание изображения иногда заметно на глаз – нижние строки могут быть ярче верхних, например. Для поддержания Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы постоянной яркости, изображение приходится повторно прорисовывать (регенерировать). А чтобы яркость в различных частях экрана не очень отличалась, и для снижения полосы пропускания применяют чересстрочную развертку: при каждой регенерации сначала рисуются нечетные строки, а затем – четные.

Регенерируемые мониторы незаменимы при визуализации быстропротекающих динамических процессов.

В запоминающих мониторах после однократной прорисовки изображение держится на экране в течение нескольких часов. Для его стирания приходится подавать на экран специальное стирающее напряжение.

Запоминающие мониторы эффективны там, где выведенное изображение нуждается в длительной обработке, например, подвергается редактированию или должно быть воспринято (изучено) оператором.

По способу управления яркостью луча мониторы делятся на цифровые и аналоговые. В цифровых мониторах для управления яркостью на сетку подаются дискретные сигналы, которые в зависимости от настройки могут полностью запирать трубку или полностью отпирать ее; снижать яркость до 1/2 или обеспечивать полную яркость, и т.д.

В аналоговых мониторах на сетку подается непрерывный (аналоговый) сигнал, который может плавно изменять яркость от полного запирания до полного отпирания.

По цветности изображения мониторы делятся на монохромные и цветные.

Цветность монитора на ЭЛТ зависит от люминофорного покрытия экрана. В монохромном мониторе на экране распыляется один люминофор, который и определяет цвет экрана: белый, зеленый и др. В цветном мониторе на экран последовательно напыляются три различных люминофора, каждый из которых светится под воздействием электронного пучка своим цветом. В цветных мониторах в качестве основных цветов применяются красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue), в связи с чем они получили название RGBмониторы. Люминофоры наносятся в виде точек, образующих цветные триады на месте каждого пиксела. В цветных ЭЛТ используются три электронных пушки, каждая из которых может подсвечивать точку только одного цвета. Изменяя интенсивность каждого электронного пучка, можно регулировать яркость точек в цветных триадах. Но точки, из которых состоит пиксел, глазом по отдельности не воспринимаются, так как имеют очень малые размеры и расположены близко друг от друга. Глаз воспринимает их слитно, как одну цветную точку, цвет которой зависит от яркости ее компонент.

Самые большие возможности цветообразования у аналоговых RGB-мониторов с раздельным управлением яркостью трех лучей. В этих мониторах используется три сетки, каждая из которых находится в непосредственной близости от «своей» электронной пушки и управляет интенсивностью только ее луча. Такие мониторы способны воспроизводить на экране миллионы различных цветов.

Связь ЭВМ с монитором осуществляется с помощью адаптера – устройства, которое должно обеспечивать совместимость различных мониторов с микропроцессорным комплектом ЭВМ. В начальный период существования персональных компьютеров адаптеры старались стандартизировать, чтобы в полной мере обеспечить совместимость различных по конструкции мониторов с ЭВМ. Было разработано пять стандартов:

• MDA – монохромный дисплейный адаптер;

• CGA – цветной графический адаптер;

• MGA – монохромный графический адаптер;

• EGA – улучшенный графический адаптер;

• VGA – видеографическая матрица.

Кроме них существовали и другие адаптеры, например Геркулес, PGA, SVGA и др.

Но они не поддерживали некоторые общепринятые режимы работы мониторов и вследствие неполной совместимости не позволяли реализовать любое программное обеспечение.

Видеографический матричный адаптер VGA, разработанный в 1988 г. позволял реализовать 640480 точек в графическом режиме при 64-256 (зависит от объема видеопамяти) одновременно отображаемых цветов из 262144 возможных. В текстовом режиме адаптер VGA позволял отображать на экране 8025 или 8050 символов. Количество цветов, отображаемых в этом режиме, ограничено 16 цветами из 256 возможных. Ограничение на количество воспроизводимых цветов накладывает архитектура адаптера, стремление сделать его совместимым с адаптером EGA.

В последнее время наибольшее распространение получили адаптеры SVGA. Этот адаптер не стандартизован, вследствие чего каждая фирма, выпускающая мониторы, обязательно снабжает их драйверами, позволяющими работать с различными адаптерами.

Широкое распространение режима Plag&Play привело к тому, что в состав операционных систем фирмы Microsoft включено огромное количество постоянно обновляемых фирмой драйверов.

Исторически сложилось, что дисплеи могут работать в одном из двух режимов:

символьном или графическом.

В символьном режиме на экран может выводиться ограниченный состав символов, имеющих четко определенный графический образ: буквы, цифры, знаки пунктуации, математические знаки и знаки псевдографики. Состав этих символов определен системой кодирования, применяемой в данной ЭВМ. В Robotron 1715 состав символов определяется кодом КОИ-7; в ЕС ЭВМ – кодом DKOI, в IBM PC – кодом ASCII, который в последнее время теснится кодом UNICOD.

Для вывода символа на экран дисплея сначала определяется позиция, в которой должен появиться символ (номер символа в строке и порядковый номер строки), а затем по коду символа определяется его форма, которая и высвечивается на экране. Предельное количество символов, одновременно размещаемых на экране, называется информационной емкостью экрана. В символьном режиме на экране монитора IBM PC может быть высвечено 40, 80 или 132 (VESA BIOS EXTENTION) символа в строке. Всего на экране помещается 25, 50 или 60 строк.

Форма выводимого символа определяется знакогенератором дисплея, в котором хранятся коды формы всех символов ASCII или UNICODE.

В графическом режиме изображение на экране формируется из отдельных точек (пиксел), имеющих свои адреса (номер пиксела в строке номер пиксельной строки). В простейшем случае каждому пикселу экрана соответствует один пиксел видеопамяти, который и определяет, светлым или темным должна быть соответствующая точка на экране. Если кроме этого необходимо указывать цвет пиксела, то количество битов видеопамяти, характеризующих каждый пиксел, приходится увеличивать. Поэтому для графического режима требуется большая память, чем для символьного при той же разрешающей способности экрана.

Основу адаптера любого типа составляет видеопамять: обычная динамическая (DRAM), в которой для доступа к биту надо задать адрес строки и столбца; FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM) в которой адрес строки задается один раз для нескольких доступов к близким элементам памяти; EDO DRAM (Extended Data Out DRAM) в которой модифицированы схемы тактирования, за счет чего новое обращение к памяти может начаться до завершения предыдущего; BEDO DRAM (Burst Extended Data Out DRAM) в которой EDO-память скомбинирована с конвейерной технологией и специальными триггерами с защелкой, что позволяет заметно сократить время доступа; RDRAM (RAMBus DRAM), в которой для доступа к данным вместо обычных 32 или 64-битных шин используется 8-битный скоростной интеллектуальный канал; специальная двухпортовая Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы (VRAM), допускающая одновременное обращение как со стороны системной магистрали, так и со стороны монитора.

Начиная с адаптера EGA, видеопамять имеет плоскостную структуру: вся память делится на битовые плоскости. В каждой битовой плоскости одному пикселу выделяется один бит. Длина битовой плоскости определяет разрешающую способность экрана. Количество битовых плоскостей (в каждой из которых выделено по одному биту для соответствующего пиксела) определяет, сколько бит отводится для хранения атрибутивного признака пиксела.

Если видеопамять имеет одну битовую плоскость, то такой дисплей может работать только в монохромном режиме (пиксел может быть либо ярким, либо темным). При наличии двух битовых плоскостей в видеопамяти может храниться 22 = 4 значения, определяющих, как должен выглядеть пиксел на экране (при цветном мониторе – четыре цвета, один из которых с кодом 00 – черный). Т.е. фактически с помощью двух битовых плоскостей можно управлять RGB-монитором. При 8 битовых плоскостях атрибут пиксела обеспечивает кодирование 28 = 256 цветов – такой адаптер эффективно применять только для аналоговых RGBмониторов, в которых между видеопамятью и управляющими цветом электродами ЭЛТ ставится цифро-аналоговый преобразователь (Digital to Analog Converter, «DAC»). В DAC из видеопамяти подается код цвета. Из DAC в ЭЛТ выдается аналоговый сигнал (код цвета преобразуется в величину напряжения на управляющем электроде).

Иногда между видеопамятью и DAC ставятся регистры палитры (RAM DAC). Атрибутивный признак каждого пиксела в этом случае обозначает номер регистра палитры, в котором хранится код цвета данного пиксела. При выборке соответствующего регистра палитры находящийся в нем код цвета передается в DAC и управляет свечением пиксела.

Объем RAM DAC равен количеству имеющихся в наличии регистров палитры (в адаптере EGA – 16, в адаптере VGA для цифрового монитора – 64). RAM DAC загружается кодами цветов выбранной палитры с помощью специальной видеофункции BIOS перед началом работы, поэтому объем RAM DAC определяет, сколько цветов может одновременно находиться на экране (монитор может обеспечить и большее количество цветов, но количество регистров палитры ограничивает количество цветов выбранной палитрой).

Начиная с адаптеров SVGA (Super VGA), предпринимаются попытки снять ограничения, накладываемые выбором палитры – для этого код цвета из видеопамяти передается на DAC в момент «разжигания» пиксела. В режиме High Color на DAC передается 15-битный код цвета (по 5 бит на каждый луч), что позволяет идентифицировать цветов. В режиме Direct Color на DAC передается 18-битный или 21-битный код цвета (по 6 или 7 бит на каждый луч), что позволяет идентифицировать соответственно 262 144 (для 18 бит) или 2 097 152 (для 21 бита) цветов. В режиме True Color – 24-битный код цвета (по бит на каждый луч), что позволяет идентифицировать 16 777 216 цветов. Видеопамять для этого должна иметь соответственно 15, 18, 21 или 24 битовых плоскости.

Скорость обмена видеопамяти с DAC определяется продолжительностью разжигания (регенерации) одного пиксела и характеризуется частотой, которая при достаточно большой разрешающей способности превышает 200 МГц. Поэтому указанные режимы используются для профессиональной обработки цветных изображений и нуждаются в очень дорогой, быстродействующей аппаратуре.

Физически видеопамять может иметь линейную структуру. Разбиение ее на видеоплоскости в этом случае может осуществляться программным путем – с помощью драйвера дисплея. Поэтому есть возможность одну и ту же видеопамять использовать для различной разрешающей способности экрана (изменяя длину битовой плоскости) и для различного количества воспроизводимых на экране цветов (изменяя количество битовых плоскостей). При фиксированном объеме памяти можно увеличить разрешающую способность (но при этом сократится количество воспроизводимых цветов) или увеличить количество воспроизводимых цветов (снизив соответственно разрешающую способность экрана). Если же видеоплоскости реализованы аппаратно, переключение режимов (мод экрана) может в ограниченных пределах эмулироваться драйвером дисплея.

Для воспроизведения динамических (движущихся, анимационных) изображений видеопамять приходится делить на страницы, которые поочередно выводятся на экран при каждой регенерации (пока одна страница выводится на экран, вторая заполняется очередным кадром).

Во всех адаптерах часть видеопамяти отводится под знакогенератор, в котором записаны коды формы выводимых на экран символов. В некоторых случаях в видеопамяти приходится хранить несколько знакогенераторов, например, с национальными шрифтами.

Кроме видеопамяти в состав адаптера входят блок сопряжения с монитором, блок управления, различные ускорители (графический, Windows-ускоритель, 3D-ускоритель и др.), которые предназначены для выполнения вычислительных операций без обращения к МП ЭВМ.

Все устройства вывода имеют плоский экран. Естественным для такого экрана является двухмерное (плоское) изображение. В то же время для человека более естественным является объемное (трехмерное) изображение. Поэтому разрабатываются устройства и способы создания если не трехмерного изображения, то хотя бы имитирующего его.

Один из способов создания эффекта глубины изображения заключается в использовании декартовой системы координат и нанесении на рисунок только видимых линий.

Другой способ – «перспективу» – используют художники: все параллельные линии, уходящие вглубь экрана, сходятся в одной точке на линии горизонта (условной линии, расположенной в верхней части экрана).

Более сложный метод создания объемного изображения основан на явлении стереоэффекта. Стереоизображение состоит из двух, выполненных для правого и левого глаза. Но каждое из них должен видеть только тот глаз, для которого оно предназначено.

Один из способов достижения этого – выполнение изображений в разных цветах (например, одно – в красном, а другое – в зеленом). Наблюдатель одевает очки, которые содержат стекла разного цвета (одно – красное, второе – зеленое). Через красный светофильтр видно зеленое изображение, а через зеленый – красное. Другой способ разделить изображения – применить не цветные, а поляризационные фильтры.

Еще более сложным способом создания объемного изображения является голография. Голографический метод формирования изображения известен с конца 40-х годов. В начале 60-х годов Ю.Н.Денисюк изобрел метод формирования голограмм в трехмерных средах при использовании для записи встречных пучков. Этот метод позволял избавиться от фантомов – так назывались сопутствующие основному, лишние (дополнительные) изображения. На основе этого метода разработана цифровая голография, которую можно реализовать с помощью ЭВМ без использования дополнительной аппаратуры.

Голография по Денисюку предусматривает наличие когерентного источника света, который излучает свет в виде лучей, выходящих из источника в одной и той же фазе.

Это точечный источник света, имеющий достаточно малые размеры. Если на пути световых лучей поставить линзу, лучи преломляются и далее следуют параллельно друг другу.

На их пути устанавливается прозрачная стеклянная фотопластинка. Лучи света проходят через нее и освещают какой-либо объемный предмет. Отражаясь от этого предмета, лучи снова попадают на фотопластинку. Но если при движении к объекту лучи проходили сквозь пластинку, находясь в одной и той же фазе и имея одинаковую интенсивность, то возвращаются назад они после отражения от объекта в разных фазах и с разной интенсивностью. Фазы у них разные, так как расстояние от фотопластинки до различных частей отражающего объекта различно, а интенсивность изменилась по сравнению с наВычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы чальной, так как отражающая способность разных частей объекта различна. На фотопластинке прямой и обратный лучи суммируются. Степень засвечивания фотослоя зависит от яркости, которая определяется полученной суммой. На пластинке образуется интерференционная картина. Если пластинку проявить, то интерференционная картина становится видимой. При рассматривании ее невооруженным глазом в рассеянном свете видны только темные и светлые пятна различной формы, даже отдаленно не напоминающие объект, который фотографировался. Если теперь в эту установку поместить проявленную пластинку и убрать объект, то при включении когерентного источника света на месте, где раньше находился объект, появится его объемное изображение.

Стеклянная пластинка имеет следующее свойство: если пластинку разбить, то каждый ее кусочек несет полную картину изображения, правда не такого яркого, как целая пластинка.

Цифровая голография позволяет получать интерференционную картину без использования когерентного источника света и фотопластинок по трем плоским изображениям объекта, сделанным в трех разных взаимоперпендикулярных плоскостях. Интерференционная картина вычисляется на ЭВМ. Если ее вывести на принтер, сфотографировать, а затем полученную фотопластинку поместить в установку Денисюка и осветить когерентным источником света, то появится объемное изображение исходного объекта.

Впоследствии оказалось, что если снятую с принтера распечатку разглядывать, фокусируя по-разному зрение, можно увидеть объемное изображение объекта и без использования дополнительной аппаратуры.

2.4. Периферийные устройства ЭВМ 2.4.1. Клавиатура Клавиатура – это одно из основных устройств ввода в ЭВМ, позволяющее вводить различные виды информации. Вид вводимой информации определяется программой, интерпретирующей нажатые или отпущенные клавиши. С помощью клавиатуры можно вводить любые символы: от букв и цифр до иероглифов и знаков музыкальной нотации.

Клавиатура позволяет управлять курсором на экране дисплея – устанавливать его в нужную точку экрана, перемещать по экрану, «прокручивать» экран в режиме скроллинга, отправлять содержимое экрана на принтер, производить выбор при наличии альтернативных вариантов и т.д.

В последнее время наблюдаются тенденции отказа от клавиатуры в пользу альтернативных устройств: мыши, речевого ввода, сканеров. Но полностью эти устройства клавиатуру не заменяют.

Стандартная клавиатура IBM PC имеет несколько групп клавиш:

1) Алфавитно-цифровые и знаковые клавиши (с латинскими и русскими буквами, цифрами, знаками пунктуации, математическими знаками).

2) Специальные клавиши: Esc, Tab, Enter, BackSpace.

3) Функциональные клавиши: (F1, F2 и т.д.).

4) Служебные клавиши для управления перемещением курсора (стрелки: Up, Down, Left, Right, клавиши Home, End, PgUp, PgDn и клавиша 5, иногда обозначаемая значком «[]»в центре дополнительной цифровой клавиатуры).

5) Служебные клавиши для управления редактированием: Ins, Del.

6) Служебные клавиши для смены регистров и модификации кодов других клавиш:

Alt, Ctrl, Shift.

7) Служебные клавиши для фиксации регистров: CapsLock, Scroll-Lock, NumLock.

8) Разные вспомогательные клавиши: PrtSc, Break, Grey +, Grey -.

Если клавиша первой группы оказывается нажатой дольше, чем 0,5 сек., начинает генерироваться последовательность ее основных кодов с частотой около 10 раз в сек., что имитирует серию очень быстрых нажатий этой клавиши.

Общее число клавиш в основной модификации клавиатуры (в IBM PC XT) – 83, в расширенной клавиатуре – 101 и более. Количество различных сигналов от клавиатуры значительно превышает это число, т.к.:

1) при нажатии и отпускании клавиши в ЭВМ передаются разные кодовые комбинации: при нажатии – порядковый номер нажатой клавиши на клавиатуре (ее скен-код), а при освобождении – скен-код, например, увеличенный на 80h;

2) заглавные и строчные буквы первой группы клавиш (алфавитно-цифровых и знаковых) набираются на разных регистрах. Оперативное переключение регистров производится клавишей Shift. Если при нажатой (и удерживаемой в нажатом состоянии) клавише Shift «кликнуть» любую алфавитную клавишу, то ЭВМ расценит передаваемый код, как код заглавной буквы, соответствующий нажатой клавише;

3) после однократного нажатия клавиши CapsLock (зажигается лампочка на клавиатуре) изменяется порядок работы клавиши Shift: без нажатия на нее будут набираться заглавные буквы, а при нажатии (совместном) – строчные. После повторного нажатия на CapsLock порядок работы клавиши Shift восстанавливается, а лампочка гаснет. Такой режим (переключательный) работы клавиши называется триггерным режимом;

4) клавиши Alt и Ctrl так же влияют на расшифровку передаваемых в ЭВМ сигналов:

при одновременном нажатии с ними любой другой клавиши, в ЭВМ передается не scancode, а расширенный код (2 байта). Иногда таким же образом используется клавиша Esc;

5) клавиша NumLock является триггерным переключателем дополнительной цифровой клавиатуры: при негорящей лампочке она работает как клавиатура для управления курсором при зажженной – как цифровая;

6) для переключения регистров (или даже групп регистров) иногда используются другие комбинации клавиш: например, программы – русификаторы клавиатуры переключают РУС-ЛАТ с помощью правой клавиши Shift или при одновременном нажатии двух клавиш Shift (правой и левой) и т.д. Эти комбинации клавиш обладают триггерным эффектом.

Сигналы, поступающие от клавиатуры, проходят трехуровневую обработку: на физическом, логическом и функциональном уровнях.

Физический уровень имеет дело с сигналами, поступающими в вычислительную машину при нажатии и отпускании клавиш.

На логическом уровне, реализуемом BIOS, скен-код транслируется в специальный 2-байтовый код. Младший байт для клавиш группы 1 содержит ASCII-код или Unicode (для операционных систем Windows), соответствующий изображенному на клавише знаку. Этот байт называют «главным». Старший байт («вспомогательный») содержит исходный скен-код нажатой клавиши.

На функциональном уровне отдельным клавишам программным путем приписываются определенные функции. Такое «программирование» клавиш осуществляется с помощью драйвера – программы, обслуживающей клавиатуру в операционной системе.

На IBM PC, начиная с AT, есть возможность управлять некоторыми функциями клавиатуры, например, изменять время ожидания автоповтора, частоту автоповтора, зажигать и гасить светодиоды на панели управления клавиатуры.

Устройство клавиатуры не является простым: в клавиатуре используется свой микропроцессор, работающий по прошитой в ПЗУ программе. Контроллер клавиатуры постоянно опрашивает клавиши, определяет, какие из них нажаты, проводит контроль на «дребезг», и выдает код нажатой или отпущенной клавиши в системный блок ЭВМ.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Конструктивно клавиатуры могут быть реализованы по-разному. Есть плоские клавиатуры, на которых руки быстро устают при длительной работе. Есть эргономические клавиатуры, при работе с которыми меньше напряжены мышцы кистей рук. Это снижает утомляемость при длительной работе на клавиатуре.

Фирма IBM зарегистрировала патент на клавиатуру, чувствительную к силе нажатия клавиши.

Выпускаемые разными производителями клавиатуры различаются также по расстоянию между клавишами, числу специальных клавиш, способу переключения на цифровой регистр для быстрого ввода числовых данных, углу наклона, форме и текстуре поверхности клавиш, усилию нажима и величине хода клавиш, расположению часто используемых клавиш, способу соединения с ЭВМ (инфракрасная связь, радиоклавиатура) и др.

На клавиатуре невозможно отобразить все допустимые для ввода символы. Любой из символов Unicode (а в DOS – не поместившиеся на клавиатуре символы, например, псевдографики) можно ввести в ЭВМ с помощью Alt-ввода, при котором на цифровой части клавиатуры при нажатой клавише Alt набирается десятичный код требуемого символа, и после отпускания клавиши Alt вместо набранных цифр в кольцевой буфер клавиатуры помещается шестнадцатиричный код требуемого символа (ASCII или Unicode).

2.4.2. Принтеры Принтеры – это внешние устройства ЭВМ, предназначенные для вывода информации на твердый носитель в символьном или графическом виде. Классификация принтеров может быть проведена по следующим критериям: по способу вывода, по принципу формирования изображения, по способу регистрации и по принципу управления процессом печати.

По способу вывода изображения принтеры делятся на две группы: символьные и графические. Символьные принтеры могут выводить информацию в виде отдельных символов по мере их поступления в печатающее устройство (ПУ). При этом за один цикл печати формируется один знак (посимвольные ПУ). В построчных ПУ вывод на печать осуществляется только после заполнения буферного ЗУ, которое по емкости равно одной строке. Постраничные ПУ за один цикл печати формируют и распечатывают целую страницу.

Графические ПУ выводят информацию не целыми символами, а отдельными точками или линиями. Количество точек на единицу длины определяет разрешающую способность принтера, которая имеет разную величину в зависимости от направления: по горизонтали и по вертикали. В принтерах этого типа каждая точка имеет свои координаты, которые являются адресом этой точки.

По принципу формирования выводимого изображения ПУ делятся на три вида: литерные, матричные и координатные (векторные).

Литерные устройства выводят информацию в виде символов, каждый из которых является графическим примитивом данного устройства. Литеры сформированы при изготовлении принтера и нанесены на специальные рычаги или литерные колеса – шрифтоносители, и при эксплуатации принтера без замены шрифтоносителя не изменяются.

Матричные ПУ выводят информацию в виде символов, сформированных из отдельных точек, объединенных в символьную матрицу. Печатающая головка матричного принтера имеет вертикальный ряд иголок, каждая из которых может сделать оттиск самого маленького элемента изображения – пиксела. Печать символа происходит при перемещении головки по горизонтали. Если подлежащий печати символ имеет размеры, большие, чем может обеспечить печатающая головка, такой символ печатается за несколько проходов, после каждого из которых осуществляется перемещение по вертикали (относительно печатающей головки) носителя изображения (например, бумаги).

По способу регистрации изображения ПУ делятся на ударные и безударные.

ПУ ударного действия формируют изображение на бумаге, сжимая с помощью удара на короткий промежуток времени рельефное изображение символа или его части, красящей ленты и бумаги. Иногда краска наносится на поверхность литеры, красящая лента в этом случае отсутствует.

Существуют принтеры, использующие ударочувствительную бумагу, цвет которой изменяется за счет механического воздействия на нее без дополнительного нанесения краски.

ПУ безударного действия характеризуются тем, что изображение на бумагу наносится через промежуточный носитель, чувствительный к электрическому воздействию, к электростатическому полю, к магнитному полю и др. Обычно промежуточный носитель исполняется в виде барабана. Изображение на него наносится лазерным лучом, с помощью магнитных головок и др. Затем изображение на промежуточном носителе проявляется – на поверхность барабана наносится смесь сухого красителя с порошком, «прилипающим» к зафиксированному на барабане изображению (например, если изображение наносилось на барабан магнитным полем, в качестве порошка используются мелкие металлические опилки). После этого к барабану «прикатывается» чистый лист бумаги, на который переносится краситель с барабана. Лист с накатанным на него красителем подвергается термообработке – нагревается до расплавления красителя, который в жидком виде проникает в поры бумаги и хорошо закрепляется на ней. После расплавления красителя отдельные точки сливаются в единое целое, поэтому качество изображения получается высоким. Разрешающая способность таких принтеров очень высока. Например, лазерные принтеры Lazerjet IV обеспечивали 300-600 точек на дюйм. Матричные принтеры такую разрешающую способность обеспечить не могут. Скорость печати у лазерных принтеров составляет 4-10 страниц в минуту при монохромной печати и 2-6 стр/мин при цветной печати.

К ПУ безударного действия так же относятся термические принтеры, использующие термочувствительную бумагу, которая изменяет свой цвет под действием тепловых лучей, и струйные принтеры, у которых жидкий краситель (чернила) находится в печатающей головке. Головка имеет отверстия, через которые краситель вылиться не может из-за сил поверхностного натяжения. Внутри головки находится терморезистор, который при подаче на него импульса тока разогревает краситель, увеличивая его испарение. Пары красителя проникают через отверстие в головке и попадают на бумагу в виде капли.

Благодаря тому, что головка может работать с несколькими красителями, выпускаются и цветные струйные принтеры. Длительностью нагрева терморезистора можно регулировать количество выбрасываемых чернил, а следовательно – размеры и яркость точки. Разрешающая способность струйных принтеров составляет от 360 до 720 точек на дюйм. Печатающая головка струйного принтера содержит от 48 до 416 отверстий (сопел).

Несмотря на большое разнообразие типов принтеров, различия принципов управления печатью касаются, в основном, способов знакогенерации.

В таблицах 4 и 5 приводятся характеристики некоторых принтеров фирмы Xerox.

Характеристики монохромных лазерных принтеров фирмы Xerox (персональных:

Phaser 3110 – 3400, сетевых: DocuPrint N2125, N2825, N4525 и Phaser 4400, 5400).

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы время выхода первого отпечатка 9 секунд интерфейсы Bidirectional Parallel, USB, Ethernet 10/100BaseTX русскоязычная печать из под DOS нет языки описания страниц Adobe PostScript Level 3, месячная загрузка 10000 отпечатков (рекомендуемая) Характеристики цветных лазерных принтеров фирмы Xerox:

Phaser 7300, Phaser 750, Phaser 8200, DocuColor 12LP, Phaser 6200, Phaser 860, Phaser 2135, время выхода первого отпечатка 15 секунд максимальный объем печати 60000 страниц в месяц внутрений жесткий диск 10 Гб; стандартно в модели Phaser 6200DX 2.4.3. Мультимедийные устройства ввода-вывода К мультимедийным устройствам ввода-вывода относятся устройства ввода, устройства вывода, устройства ввода-вывода и преобразователи информации.

К устройствам ввода информации относятся устройства управления курсором, сканеры, устройства ввода акустических сигналов, цифровые фото- и видеокамеры, TVустройства ввода.

Устройства управления курсором включают в себя световое перо, мышь, джойстик, кот, и др. Они используются для перемещения курсора по экрану и для отметки позиции, в которой находится курсор.

Световое перо – это стержень, в торце которого находится приемник светового излучения (например, фотодиод), который фиксирует яркость точки, находящейся напротив него на экране. На стержне есть кнопка, нажатие которой является сигналом для считывания яркости точки экрана, к которой прижато перо. Нажатие на кнопку происходит значительно медленнее, чем движение луча по экрану: он успевает «засветить» считываемую точку. Вспышка на экране фиксируется фотодиодом и через кабель поступает в ЭВМ, которая сопоставляет момент возникновения вспышки с текущими координатами электронного луча.

Световое перо можно провести по экрану – тогда будет отмечена серия точек экрана, по которым перемещалось перо. Такое использование светового пера позволяет снимать информацию с экрана, а затем программным путем дать трактовку полученных сигналов. С его помощью можно так же указать на какую-то область экрана, например, при выборе пункта меню, выведенного на экран, можно рисовать на экране, стирать линии или зоны экрана.

Мышь по функциям аналогична световому перу. Конструктивно она выполнена в виде коробочки, связанной кабелем с ЭВМ. При перемещении мыши по коврику, лежащему на столе, выступающий с нижнего конца коробочки шарик вращает потенциометры, углы поворота которых характеризуют положение мыши на коврике. Это положение отображается на экране курсором. Угол поворота потенциометра (измеряемый его сопротивлением), является аналоговой величиной. При вводе в ЭВМ считанные с мыши значения сопротивлений оцифровываются, и по полученным цифрам определяются координаты курсора на экране. Оцифровка производится программно-аппаратным путем с помощью драйвера мыши. Кроме аналоговых мышей, существуют дискретные (цифровые) мыши. В них вместо потенциометров используются цифровые барабаны с отверстиями по образующей. Внутри барабана расположена лампочка, снаружи – приемник света (фотодиод). При перемещении мыши барабан вращается, а фотодиод фиксирует количество световых вспышек, по которым и определяется степень перемещения мыши.

Джойстик работает по принципу мыши. Конструктивно он представляет собой неподвижную коробочку, связанную кабелем с ЭВМ, из которой выступает ручка с одной или несколькими кнопками. Перемещение ручки относительно коробочки приводит к изменению углов поворота потенциометров. Так же, как и мыши, джойстики бывают аналоговые и дискретные. Функциональные возможности у них те же, что и у светового пера.

Кот отличается от мыши тем, что у него не коробочка, а коврик связан с ЭВМ кабелем. На коврик нанесена сетка из горизонтальных и вертикальных проводников. В корпусе кота есть металлический контакт, замыкающий вертикальные и горизонтальные линии, чем и определяется положение курсора на экране. В отличие от мыши, кот нельзя перенести в другую часть коврика, не изменив положения курсора на экране, так как положение курсора жестко связано с размещением корпуса кота на коврике.

Сканеры – это устройства ввода в ЭВМ графической информации. Введенная информация представляется в ЭВМ в виде цветных точек различной интенсивности. При вводе текста, он так же отображается в графическом виде. Для обработки его текстовым редактором необходимо преобразование введенного текста из графического в символьный вид, что связано с выполнением операции распознавания, в результате которой в памяти ЭВМ сохраняется не графическое изображение введенных символов, а их коды (ASCII, Windows1251, Windows1252 или др.). Распознавание введенных графических объектов осуществляется программами, например такими, как Fine Reader.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Конструктивно сканеры исполняются в виде ручных или стационарных устройств. В стационарных устройствах считываемый документ может перемещаться относительно считывающего устройства или быть неподвижным – тогда изображение с документа считывается при его сканировании с помощью электронного или лазерного луча.

Помимо стандартных сканеров для ЭВМ существуют специальные сканеры для считывания штриховых кодов с упаковок товаров.

Устройства ввода акустических сигналов делятся на устройства ввода музыкальных произведений, звуковых эффектов и речи. Для ввода акустических сигналов любого типа необходимо, чтобы ЭВМ была оснащена звуковой картой. Для ввода звуковых эффектов и речи используются микрофон или магнитофон. Музыкальные произведения могут вводиться с магнитофона, через специальный интерфейс с MIDI-устройств или с клавиатуры ЭВМ. Звуковые эффекты могут создаваться программным путем.

Цифровые фотокамеры своим появлением резко изменили технологию фотографии. Цифровая фотокамера – это обычный фотоаппарат, в котором вместо фотопленки используется электронное устройство. Как и фотоаппараты, цифровые фотокамеры имеют объектив, затвор и диафрагму, используемые для регулировки количества света, попадающего на светочувствительный материал.

Отличительной особенностью цифровых фотокамер является наличие CCDматрицы, выполняющей функцию фотопленки. CCD-матрица преобразует падающий на нее свет в аналоговый электрический сигнал. Встроенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) конвертирует его в цифровую форму. Оцифрованное изображение сохраняется в запоминающем устройстве фотокамеры (в памяти).

Память цифровых фотокамер может быть встроенной или выполненной на сменных элементах. В качестве сменных элементов используется карты «PC-card ATA Flash», «SmartMedia», «CompactFlash», «Kodak Picture Card» и др. Например, модель Canon PowerShot 600 использует сменную память «PC-card» объемом 170 Мб, что позволяет сделать либо 800 снимков высокого качества, либо более 5 тысяч снимков низкого качества.

Карты «SmartMedia» и «CompactFlash» обладают меньшей на порядок емкостью.

Многие производители комплектуют свои камеры специальными адаптерами, которые позволяют беспроводную перекачку отснятых файлов в компьютер. Например, компания Fujifilm предлагает Floppy Disk Аdapter FD-A1. Карта памяти «SmartMedia»

вставляется в адаптер, а последний – в обычный трехдюймовый дисковод компьютера.

Существуют также PCMCIA-адаптеры, позволяющие работать картам «CompactFlash»

напрямую с компьютером посредством установки в PCMCIA Type II Slot.

В качестве сменной памяти для цифровых фотокамер может выступать обычная дискета размером 3.5'' (дискеты использует компания Sony в своих моделях Mavica).

Качество электронных фотографий напрямую зависит от количества элементов (пикселов) CCD-матрицы. Чем больше элементов, тем выше разрешение матрицы и тем точнее цветопередача получаемого изображения. Количество элементов матрицы современных цифровых фотокамер (например, Fujifilm MX-2900 или Olympus C-2500L) может превышать несколько млн. Камеры, содержащие более одного миллиона пикселов, называют мегапиксельными.

Каждый снимок образует файл. В память цифровой фотокамеры фотоснимок записывается в сжатом виде. В цифровых фотокамерах для компрессии используется формат JPEG. Практически любая камера позволяет проводить съемку в нескольких режимах сжатия (mode). При наименьшей степени сжатия размер файлов получается достаточно большим, зато записываемое в память изображение – качественнее. При максимальной степени сжатия размер файлов сокращается, но ухудшается качество изображений.

Цифровая фотокамера Epson Photo-PC 600, например, позволяет снимать в четырех режимах: Standard Mode (разрешение 640480 пикселей), Fine Mode (1024768), SuperFine Mode (1024768) и Panorama Super-Fine Mode (1024384). При пользовании только встроенной памятью объемом 4 Мб можно, соответственно перечисленным режимам, сделать не менее 48, 16, 6 и 32 фотоснимков.

Поскольку память цифровых фотокамер является перезаписываемой, то пользователь получает возможность контроля и коррекции результатов фотосъемки. Функция стирания (erase) допускает различные варианты: удаление сразу всех кадров, первого кадра, любого кадра вне зависимости от его местоположения.

Контроль кадров ведется с помощью LCD-дисплея, который выполняет три функции:

– просмотр отснятых фотоснимков;

– отображение экранного меню с набором функций по управлению камерой;

– выполнение роли оптического видоискателя, отражающего реальный будущий Размеры LCD-дисплеев небольшие, чаще всего 1,8-2''.

Полученные фотоснимки перекачиваются на жесткий диск компьютера. Для облегчения работы с изображением к фотокамерам, как правило, прилагается специальное программное обеспечение.

У некоторых моделей может присутствовать вспышка, уровень яркости которой регулируется автоматически (у некоторых моделей допускается и ручное управление).

Действие вспышки чаще всего распространяется в пределах 0,5-3 метров.

Некоторые цифровые фотокамеры позволяют записывать звук, как (например, модель Sanyo VCP G-200EX), подключать камеру к телевизору или видеомагнитофону.

Цифровая фотокамера позволяет перестраивать режимы фиксации изображения – можно настроиться на монохромную съемку (поскольку монохромный снимок занимает значительно меньше места на магнитном носителе, чем цветной, в этом режиме можно сделать наибольшее количество снимков без смены носителя). Можно настроить цифровую фотокамеру на фиксацию цветного изображения, при этом указывается количество цветов. Регулируется также разрешающая способность аппарата, что существенно для увеличения сделанного снимка.

С помощью специальных программных средств (таких, как Fotoshop) можно редактировать полученные снимки; другими программными средствами можно создавать альбомы, переписывать их на CD ROM, распечатывать на цветном принтере.

Видеокамера представляет собой устройство, преобразующее визуальное изображение в аналоговые электрические сигналы.

Цифровые видеокамеры отличаются от аналоговых. Аналоговая камера пишет изображение и звук на магнитную ленту. В цифровых видеокамерах запись ведется в цифровом виде.

Основным блоком, воспринимающим изображение в видеокамере является аналог CCD-матрицы, или электронно-лучевой прибор, который по своему устройству напоминает электронно-лучевую трубку: в нем так же имеется катод, анод, сетка, отклоняющая и фокусирующая системы. Электронный луч постоянно перемещается, формируя растровую развертку на специальном экране – мишени. Мишень выполнена из диэлектрической пластинки (например, слюды), с одной стороны которой наклеена металлическая фольга, а с другой стороны напылен серебряно-цезиевый состав. Напыление производится так, что серебряно-цезиевый состав образует отдельные, электрически не связанные между собой пятна очень маленьких размеров (примерно 1000 пятен в строке и строк на пластинке). Каждое такое пятно образует пиксел.

В отличие от ЭЛТ, мишень установлена под углом 45 градусов к падающему на нее потоку электронов. Поток электронов формирует растр на поверхности мишени, покрыВычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы той серебряно-цезиевым составом. На ту же поверхность через оптическую систему проецируется изображение.

Пятна серебряно-цезиевого состава с одной стороны мишени и фольга с противоположной ее стороны образуют электрические конденсаторы. При отсутствии изображения (вся мишень затемнена) электронный луч заряжает эти конденсаторы. Когда на мишень попадает изображение, часть серебряно-цезиевых пятен засвечивается. Свет имеет электромагнитную природу: попадая на серебряно-цезиевые вкрапления, он способствует уходу из них электронов, вследствие чего соответствующие конденсаторы разряжаются, причем сила разряда пропорциональна яркости света. При повторном сканировании мишени электронный луч дозаряжает разряженные конденсаторы, в результате чего на противоположной обкладке конденсатора фиксируется возникновение электрического тока, величина которого пропорциональна степени разряда элементарного конденсатора (она в свою очередь зависит от яркости изображения, попавшего на этот пиксел). Сигнал, снятый с фольги на мишени, после усиления является носителем изображения и может быть записан на магнитный носитель или передан на приемник телевизионного изображения.

Поскольку в цифровых видеокамерах используется микропроцессорный комплект, они предлагают большое количество спецэффектов, которые невозможно сделать с помощью аналоговой видеокамеры. Например, цифровое шумоподавление: два смежных кадра помещаются на две страницы видеопамяти и проверяется их корреляция. Те элементы изображения, которые коррелируют друг с другом на обоих кадрах, оставляют, а некоррелирующие удаляют. Таким образом изображение очищается от помех.

Телевизионные (TV) устройства ввода – цифровые и аналоговые – различаются способами записи и воспроизведения. Подключаются они к ЭВМ через дигитайзер, TVтюнер (например, AVER Media TV Studio, MediaForte TV Vision). Использование таких устройств требует высокой производительности ЭВМ. При недостаточной производительности изображение движется неравномерно, скачками. Чтобы снизить требования к производительности, изображение уменьшают в размерах (вплоть до 1/8 экрана), сокращают количество цветов в изображении, снижают разрешающую способность. Такие видеоизображения часто используются в баннерах Интернет. Сокращение объема изображения (а значит – и требований к производительности аппаратуры) достигается также кодированием со сжатием. При этом облегчается хранение видеопродукции и усложняется воспроизведение, так как для воспроизведения необходимо восстанавливать сжатое изображение. Восстановление может выполняться либо программным путем (с использованием микропроцессора ЭВМ), либо в специальном ускорителе (акселераторе) видео- или TV-карты.

Для систем ввода TV-информации существует еще одна проблема – перекодировка информации, так как TV-сигнал несет информацию об изображении, звуке и синхронизирующих импульсах (определяющих начало кадра и начало строки). А в ЭВМ эти сигналы должны быть разделены, оцифрованы и представлены в формате RGB. Такое перекодирование информации предусматривается в TV устройствах ввода.

В основе восприятия цветного телевидения лежат следующие особенности человеческого зрения:

– глаз имеет ограниченную разрешающую способность: две точки, угловое расстояние между которыми меньше одной минуты, воспринимаются глазом слитно;

– цветовое восприятие человека субъективно: слабый фиолетовый сигнал воспринимается как красный; сильный (яркий) фиолетовый имеет серый оттенок.

Три цветные элементарные точки на экране образуют триаду. Для того, чтобы триада воспринималась как одна точка, угловое расстояние между отдельными точками должно быть меньше одной минуты. При расстоянии от глаза до экрана 1 метр, линейные размеры точек должны составлять доли миллиметра. При диагонали экрана 61 см общее число триад на экране должно быть около 500000 (это эквивалентно 1000 пиксел при 500 пикселных строках).

Стандарт телевидения – 525 строк на экране. При чересстрочной развертке частота смены полукадров – 50 герц. Для того, чтобы видеосигнал мог перенести каждый элемент кадра (триаду), он должен иметь частоту (f):

где N – число элементов изображения (триад) на экране;

T – время передачи одного кадра (1/25 сек.);

Это достаточно большая частота, но для передачи видеосигнала от телецентра к телевизионному приемнику необходима радиочастота примерно в 10 раз большая. Поэтому, диапазон частот телевещания охватывает частоты от 48,5 до 230 Мгц.

Несущая частота используется как энергия для переноса информации. Когда на нее накладывается видеосигнал, образуются модулированные радиочастотные колебания.

Сам процесс наложения видеосигнала на несущую частоту называется модуляцией.

Определение Полный телевизионный сигнал должен нести информацию о яркости, о цвете изображения и о звуке. Для получения устойчивого изображения на экране, прорисовка каждого кадра на передающей камере в телецентре и в телевизионном приемнике должна начинаться в одно и то же время, т.е. синхронно. Поэтому полный телевизионный сигнал включает в себя и синхроимпульсы кадровой и строчной развертки.

Устройства вывода информации включают плоттеры, электронные экраны и панели, системы аудиовывода, видеосистемы. При выводе графической информации может применяться вывод двумерного или объемного (трехмерного) изображения. Для вывода объемного изображения находят применение специальные устройства и способы.

Плоттеры предназначены для вывода графической информации на твердый носитель (бумагу). Планшетный плоттер имеет линейку, по которой может перемещаться печатающий механизм. Перемещение линейки сдвигает печатающий механизм по вертикали, а перемещение механизма по линейке сдвигает его по горизонтали. Благодаря этому, можно установить печатающий механизм в любую точку планшета. На планшете крепится лист бумаги. Плоттер может воспроизводить на бумаге очень сложные штриховые изображения, но работает очень медленно. Для управления плоттером разработаны специальные алгоритмические языки.

Плоттеры нашли применение в строительном и машиностроительном черчении, в картографии, в метеорологии. Для работы с ними существуют специальные пакеты прикладных программ.

Электронные экраны и панели предназначены для предъявления выводимой из ЭВМ информации большой аудитории. Простейший демонстрационный экран может быть сделан из поставленных друг на друга телевизоров (при образовании из телевизоров матрицы размером 88 выводимая из ЭВМ информация доступна для большой аудитоВычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы рии). Телевизионная матрица через блок сопряжения подключается к ЭВМ. Изображение на такую матрицу может выводится фреймами.

Жидкокристаллическая панель, положенная на проекционный аппарат, образует презентер. Иногда такие панели встраиваются в проекционный аппарат.

Ленточные панели и экраны предназначены для вывода изображения «бегущей строкой».

Системы ввода-вывода включают в себя абонентские пункты (сочетание дисплея с клавиатурой и устройством сопряжения с ЭВМ), модемы, сенсорные дисплеи, аудио и видеомагнитофоны. Они служат как для ввода, так и для вывода информации.

Особое место среди них занимают сенсорные дисплеи. Сенсорный дисплей – это устройство, реагирующее на прикосновение. Необычным в нем является способ ввода информации: вместо мыши, джойстика или светового пера используется рука человека, которая изменяет емкость или индуктивность датчиков при перемещении руки по различным зонам экрана дисплея и за счет этого позволяет определить, к какой части экрана прикоснулись.

Для реализации такой системы в углах экрана обыкновенного дисплея устанавливаются емкостные или индуктивные датчики, соединенные с ЭВМ. Рука человека изменяет емкость (или индуктивность) по-разному в разных датчиках (их всего 4) в зависимости от места нахождения руки. ЭВМ это учитывает и определяет, на какую зону экрана рука указывает.

Видеомагнитофон – это устройство, воспринимающее высокочастотный телевизионный сигнал для записи его на магнитную ленту. После окончания записи телевизионный сигнал (хранящийся на видеокассете) может быть считан с магнитной ленты и воспроизведен на телевизионном устройстве. Таким образом, видеомагнитофон – это запоминающее устройство, специализирующееся на приеме, записи и воспроизведении динамической видеоинформации.

Для приема высокочастотного телевизионного сигнала служит тюнер – приемник телевизионных сигналов.

Видеомагнитофон – устройство сложное и дорогое. Поэтому среди бытовой телевизионной аппаратуры появились специализированные устройства, выполняющие отдельные функции: плеер – устройство, позволяющее считывать информацию с видеокассеты для воспроизведения на телевизоре; пишущий плеер – устройство, позволяющее записывать видеоизображение с телевизора (который выполняет функцию тюнера) на видеокассету и считывать информацию с видеокассеты для воспроизведения ее на телевизоре.

Помимо приема, записи и считывания видеоинформации видеомагнитофоны могут выполнять дополнительные функции, что расширяет возможности их использования и позволяет реализовать различные видеоэффекты.

К дополнительным функциям относятся:

1) Регулировка скорости и направления протяжки магнитной ленты:

– стандартная скорость – 2,34 см/сек.;

– половинная скорость (long play) – 1,17 см/сек. (позволяет при записи увеличить емкость кассеты в два раза (для кассеты Е-240 – до 8 часов), при воспроизведении реализовать эффект slow motion – замедленного движения);

– ускоренное воспроизведение (fast motion), которое может быть реализовано за счет записи на половинной скорости, а воспроизведения – на стандартной;

– стоп-кадр, который реализуется за счет остановки двигателя перемотки ленты: вращающиеся магнитные головки многократно считывают один и тот же кадр (этот режим называется также «суперпауза»);

– обратное воспроизведение (reverse play).

2) Цифровые эффекты: в видеомагнитофоне может использоваться микропроцессорное управление, производиться оцифровка видеосигнала, использоваться цифровая память для хранения в ней нескольких кадров. Это позволяет реализовать следующие эффекты:

– «картинка в картинке»: на экране телевизора кроме основного выводится один или несколько фоновых кадров. В фоновом кадре может находиться меню для управления видеомагнитофоном или телевизором, или сжатые примерно в 9 раз кадры из других телевизионных программ. Фоновый кадр, называемый также «кадром врезки», может быть выведен в любой части экрана. Есть возможность быстро поменять местами фоновый и основной кадры (эта функция характерна только для видеомагнитофона и не может быть реализована в плеерах);

– воспроизведение стоп-кадров из цифровой видеопамяти (функция удобна для изучения движения, например, в спорте). Экран при этом может быть разбит на несколько частей, в каждой из которых демонстрируется один из последовательных кадров;

– экстраэффекты: мозаика (изменение числа элементов изображения на экране, например, укрупнение пиксел); соляризация (ограничение числа градаций уровня серого);

– цифровое шумоподавление: сопоставляются кадры, записанные на разных страницах цифровой памяти – полезные видеосигналы последовательных кадров коррелируют между собой, тогда, как помехи – нет. Это позволяет очищать изображение от помех.

3) Наложение звука (audio dubbing) позволяет дублировать видеоинформацию, накладывая на нее дополнительное звуковое сопровождение.

4) Поиск по индексу (index search) позволяет наносить на ленту специальные метки и легко находить их в режиме поиска или перемотки.

5) Таймер позволяет программировать видеомагнитофон на запись телепередачи в определенный момент времени (программируется момент начала записи и ее продолжительность).

6) Редактирование вставкой (insert edit) позволяет сделать вставку в ранее записанный сюжет без образования шумов в местах стыков.

В настоящее время существуют практически важные мультимедиа-задачи, которые технически и технологически пока не разрешимы. Приходится вести серьезные научные исследования, разрабатывать новую аппаратуру, новые программные средства, искать новые математические методы и технологические решения. Примером такой задачи является создание хранилища фильмов для Голливуда.

2.5. Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) В качестве внешней памяти ПЭВМ используются накопители на магнитных дисках (НМД), накопители на магнитных лентах (НМЛ), или стримеры, и оптические ЗУ.

НМД бывают двух типов: НГМД – на гибком магнитном диске (с носителемдискетой) и НМД – на жестком магнитном диске (типа «Винчестер»).

НМД имеют значительно больший объем внешней памяти и высокое (почти на порядок) быстродействие, чем НГМД. Но НГМД имеет съемные магнитные носители – дискеты (компактные, на которых легче организовать архивное хранение данных и программ).

НМЛ обычно бывают кассетного типа и используют либо компакт-кассеты для бытовых магнитофонов (емкость 1 кассеты от 500 Кбайт до 1,5 Мбайт), либо видеокассеты (для стриммеров) с многодорожечной записью. Емкость их измеряется в гигабайтах.

ВЗУ связываются с МП через системную магистраль при помощи устройства управления (контроллер).

Контроллер необходим для двух целей:

• управления ВЗУ;

НМД и оптические ЗУ представляют собой устройства с циклическим доступом к информации. НМЛ представляют собой устройства с последовательным доступом.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Время доступа к информации в ВЗУ намного превосходит время обращения к ОП.

ВЗУ являются относительно медленными устройствами электро-механического типа.

2.5.1. Внешние запоминающие устройства (ЗУ) на гибких магнитных дисках Наибольшее распространение в последнее время получили дискеты диаметром 3,5”. Такая дискета представляет собой пластмассовый корпус с металлической задвижкой, предохраняющей поверхность дискеты от повреждения.

Во время установки дискеты в дисковод металлический кожух, закрывающий поверхность дискеты, сдвигается, а центр дискеты зажимается в шпинделе основного двигателя, с помощью которого дискета получает вращение. Магнитные головки соприкасаются с поверхностью дискеты. Шаговый двигатель перемещает головки от наружной кромки дискеты к центру, и обратно, устанавливая их на требуемую дорожку. Основной двигатель перемещает дорожку относительно головки, благодаря чему к головке подводятся разные части диска. Согласованная работа шагового и основного двигателей позволяет произвести запись/чтение любой наперед заданной зоны дискеты.

В зависимости от емкости дискеты, на пластмассовом корпусе имеется различное количество отверстий (рис. 15).

Рис. 15. Внешний вид дискеты диаметром 3” Окно защиты Отверстия 2 и 3 присутствуют только на дискетах повышенной емкости. Отверстие 1 является единственным на дискетах емкостью 720 Кб. На дискетах емкостью 1,44 Мб имеются отверстия 1 и 2. На дискетах емкостью 2,88 Мб (для них нужны специальные дисководы) имеется три отверстия (1, 2, 3). Отверстие 1 на всех дискетах служит для защиты записи: если оно открыто, запись на дискету невозможна.

НГМД могут использовать одну или две поверхности дискеты – это зависит от используемого количества головок.

Головки могут перемещаться вдоль поверхности дискеты с помощью шагового двигателя. Различают НГМД, у которых шаговые двигатели могут сделать 40 и 80 шагов. В связи с этим стандартные дискеты могут иметь 40 или 80 дорожек на одной стороне.

Для обозначения типа дискеты используются двухбуквенные метки:

• SS (single sided) – односторонние;

• DS (double sided) – двусторонние;

• SD (single density) – одинарная плотность;

• DD (double density) – двойная плотность;

• QD (quadro density) – учетверенная плотность;

• HD (high density) – высокая плотность • ED (Extra-High density) – сверхвысокая плотность.

Объем хранимой на дискете информации зависит как от конструкции дискеты, так и от способа размещения информации на ней. Количество дорожек, число секторов на одной дорожке, емкость одного сектора и количество рабочих поверхностей у дискеты определяют ее емкость.

B IBM PC стандартными являются следующие значения: две рабочие поверхности, 40 или 80 дорожек на одной поверхности; 8, 9, 15 или 18 секторов на одной дорожке, 128, 256, 512 или 1024 байт в одном секторе.

Одной из характеристик дискеты является допустимая плотность записи:

• продольная:

(SD) – нормальная: 24 ТРI (tape per inch – метки на дюйм);

(НD – high density) – учетверенная (Quadro density): 96 TPI;

• поперечная:

одинарная (20 дорожек);

двойная (40 дорожек);

учетверенная (80 дорожек): (QD-9 объемом 720 Кб), (QD-15 объемом 1,2 Мб Магнитный диск (гибкий или жесткий) перед первым использованием должен быть отформатирован. Во время форматирования диска на его поверхности с помощью магнитных головок делаются пометки: размечаются дорожки и сектора на них, создаются управляющие области дискеты, т.е. создается логическая структура диска.

Весь процесс форматирования делится на три части: физическая разметка, создание логической структуры и загрузка на диск операционной системы (т.е. физическое, логическое и системное форматирование).

Физическое форматирование состоит в разметке дорожек (trek) и секторов с нанесением обозначений секторов в выделенных на треках служебных областях. Секторы отделяются друг от друга интервалами. Началом отсчета для разметки диска является специальное отверстие (индекс).

Дорожки нумеруются от 0 до N-1 (где N – общее количество дорожек) от края диска к центру. На физическом уровне сектора нумеруются от 1 до m.

Структура развертки дорожки дискеты после разметки содержит такие составляющие, как идентификатор сектора, поле данных и рабочие интервалы между составляющими. Причем длина интервалов и наполняющие их символы несут диагностическую информацию о назначении данного интервала.

Логическое форматирование заключается в оформлении диска соответственно стандартам операционной системы. Цель логического форматирования – создание на диске управляющих таблиц для учета использования имеющихся ресурсов – так называемых «служебных секторов» (boot-сектор, fat-сектора, корневой каталог дискеты).

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Системное форматирование заключается в загрузке на диск резидентных файлов операционной системы (ibmbio.com и ibmdos.com – их названия различаются в разных версиях операционных систем). В результате форматирования образуется функциональная структура диска, изображенная на рис. 16.

Рис. 16. Функциональная структура диска ной загруз- размещения Служебные секторы создаются при форматировании дискеты всегда, файлы операционной системы записываются на дискету только при создании системной дискеты. Размер служебной области составляет 2% от общей емкости дискеты.

В IBM PC в разное время использовалось несколько типов дисководов (НГМД), которые позволяли работать только с определенными форматами. Виды стандартизованных форматов приведены в табл. 6.

Обозначение Коли- Количество Количество Объем Диаметр Размер Размер Назначение и структура служебных секторов:

Boot – содержит блок начальной загрузки и занимает 512d байт (200h). Программа начальной загрузки, содержащаяся в BOOT-секторе, предназначена для считывания с системной дискеты резидентных файлов операционной системы (в дальнейшем – OS) и командного процессора и размещения их в ОП.

• Таблица размещения файлов (File allocation table, FAT) отображает структуру области данных диска – текущее распределение области данных дискеты между файлами.

Операционная система делит всю область данных диска на элементарные логические единицы – кластеры. Если необходимо записать на диск какой-либо набор данных (файл), то независимо от его длины, память для этого будет выделяться кластерами. Размер кластера зависит от типа формата. Все кластеры диска имеют свои номера. FAT дискеты состоит из 12-битовых элементов (у жестких дисков большого объема – из 16битовых).

Место на диске, отводимое каждому файлу, состоит из последовательности (цепочки) кластеров. Номер первого кластера, в котором начинается файл, указывается в корневом директории. В FAT элемент, соответствующий этому кластеру, содержит номер следующего кластера, в котором находится продолжение файла, и так далее «по цепочке». Последний кластер файла обычно содержит FFF. Например, если файл разместился в 3, 17 и 25 кластерах диска, то в корневом каталоге для этого файла будет указано, что он размещается в кластере № 3. В элементе FAT, соответствующем третьему кластеру, будет записан номер следующего кластера (17), в элементе FAT, соответствующем кластеру № будет содержаться номер следующего кластера – 25, а в элементе FAT, соответствующем кластеру № 25, будет записан код последнего кластера – обычно FFF.

• Корневой каталог диска содержит информацию о файлах и подкаталогах, размещенных на диске.

Каждый файл в каталоге описан с помощью 32 байтов, образующих элемент (строку) каталога. Каждый сектор каталога содержит 512/32 = 16 строк. В одной из них (обычно в первой) может быть записано имя диска (метка тома).

2.5.2. Накопитель на жестком магнитном диске Накопитель на жестком магнитном диске (НМД) имеет тот же принцип действия, что и НГМД, но магнитный носитель информации в нем является несъемным и может состоять более, чем из одной пластины. При наличии нескольких закрепленных на общей оси пластин, образуется пакет магнитных носителей.

Каждую рабочую поверхность такой конструкции обслуживает своя головка. Если в НГМД головка во время работы соприкасается с поверхностью дискеты, то в НМД головки во время работы находятся на небольшом расстоянии от поверхности (десятые доли микрона).

При устранении контакта головки с поверхностью диска появилась возможность увеличить скорость вращения дисков, а следовательно, повысить быстродействие внешнего ЗУ.

Запись и чтение информации на жестком магнитном диске производится с помощью магнитных головок, которые во время чтения-записи неподвижны. Магнитное покрытие каждой поверхности диска во время чтения-записи перемещается относительно головки. Магнитный «след» на поверхности диска, образовавшийся при работе головки на запись, образует кольцевую траекторию – дорожку. Дорожки, расположенные друг под другом на всех рабочих поверхностях магнитного носителя, называются цилиндром.

В жестких МД различных фирм используются разные материалы для магнитного покрытия: диски ранних конструкций имели оксидное покрытие (окись железа), более Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы поздние диски – кобальтовое покрытие. Оксидное покрытие наносилось на поверхность диска в виде магнитного лака, который после высыхания образовывал довольно толстый магнитный слой. Обеспечить устойчивую запись в таком слое можно было за счет длительного воздействия электромагнитным полем. Поэтому магнитные «следы» на поверхности диска получались большого размера, что приводило к невысокой плотности записи и низкому быстродействию. Для увеличения емкости магнитного диска приходилось увеличивать его размеры.

Кобальтовое покрытие наносится на поверхность диска методом напыления. При этом образуется тонкая магнитная пленка, на которую легче воздействовать для образования магнитных следов. Размеры магнитных следов уменьшились, что позволило увеличить продольную и поперечную плотности записи. Увеличение продольной плотности записи позволило увеличить емкость дорожки, а увеличение поперечной плотности записи – количество дорожек на поверхности диска. Диски той же емкости уменьшились в размерах.

Стандарт на физическое размещение информации на жестком магнитном диске мягче, чем для НГМД, так как гибкие диски должны читаться одинаково на дисководах разных фирм, в то время как жесткий магнитный диск имеет встроенную в него систему управления. При работе с жестким магнитным диском встроенная система управления решает вопросы физического размещения информации и зачастую недоступна для внешнего вмешательства. Например, наружные и внутренние дорожки магнитного диска имеют разную длину. Если их сделать одинаковой емкости и писать информацию с одинаковой плотностью записи, то на наружных дорожках останется много свободного места. Некоторые фирмы при изготовлении жестких дисков делают дорожки различной емкости. Но для того чтобы стандартные операционные системы могли работать с такими дисками, встроенный в них контроллер осуществляет пересчет адресов; при этом физически на диске имеется меньшее количество дорожек, чем кажется операционной системе (так как операционная система настроена на работу с дорожками одинаковой емкости).

Количество дисков, каждый из которых имеет по две рабочих поверхности, в накопителе может быть от 1 до 10 и более. В некоторых накопителях две крайние поверхности пакета (верхняя и нижняя) не являются рабочими – при этом сокращается размер дисковода (и емкость тоже). Иногда эти поверхности используются для размещения служебной информации.

Жесткие диски делают герметичными – малое расстояние (зазор) между рабочей поверхностью и магнитной головкой должно быть защищено от пылинок, чтобы уберечь тонкий напыленный слой кобальта от стирания. Магнитная головка во время работы не должна касаться поверхности диска и в то же время находиться от нее на расстоянии в доли микрона. Наиболее распространенный способ удовлетворения обоих условий – применение «воздушной подушки»: в магнитной головке делаются отверстия, через которые в рабочий зазор в направлении магнитного диска нагнетается сжатый воздух – он и является демпфером (воздушной подушкой), не позволяющим магнитной головке «прижаться» к поверхности диска. Воздух перед нагнетанием в зазоры проходит тщательную очистку от пыли с помощью специальных фильтров.

Магнитные головки при работе НМД могут перемещаться, настраиваясь на требуемую дорожку.

Перед началом эксплуатации пакет магнитных дисков форматируется: на нем размечаются дорожки (ставится маркер начала дорожки и записывается ее номер), наносятся служебные зоны секторов на дорожках. Для записи-чтения информации контроллеру НМД передается адрес: номер цилиндра, номер рабочей поверхности цилиндра, номер сектора на выбранной дорожке. На основании этого магнитные головки перемещаются к нужному цилиндру, ожидают появления маркера начала дорожки, ожидают появления требуемого сектора, после чего записывают или читают информацию из него.

Несмотря на то, что все магнитные головки установлены на требуемый цилиндр, работает в каждый данный момент только одна головка.

Из-за малого расстояния между секторами и высокой скорости вращения пакета дисков схемы управления не всегда успевают переключиться на чтение-запись следующего сектора (если считываемые/записываемые сектора следуют один за одним). В этом случае после обработки одного сектора приходится ожидать, пока диск сделает целый оборот и к головкам подойдет требуемый сектор. Чтобы избежать этого, при форматировании используется чередование (interleaving) секторов: последовательность нумерации секторов на дорожке задается таким образом, что следующий по порядку номер сектора принадлежит не следующему по физическому размещению сектору, а через «k» секторов (где k – фактор чередования). Фактор чередования при форматировании задается таким образом, чтобы система управления НМД обеспечила обработку с последовательными номерами без длительного ожидания (слишком маленький k приводит к «проскакиванию» требуемого сектора и ожиданию нового витка, слишком большое значение k так же приводит к ожиданию, так как схема управления уже отработала, а требуемый сектор все еще не подошел к головке).

Поскольку физически НМД различных фирм могут быть устроены по-разному, возникает проблема совместимости НМД с микропроцессорным комплектом ЭВМ. Проблема эта решается с помощью стандартизации интерфейсов для накопителей на жестких магнитных дисках.

Основной характеристикой НМД является их емкость, которая главным образом зависит от плотности записи, в свою очередь в значительной степени зависящей от уровня технологии. Наиболее результативным для повышения плотности записи явилось применение магниторезистивных головок, которые известны и применяются уже давно, но по-настоящему массовой продукцией долгое время не были из-за большой капиталоемкости их производства. Кроме увеличения емкости диска повышение плотности записи приводит и к увеличению скорости считывания-записи данных при неизменных диаметре и скорости вращения носителя.

Для офисных и домашних компьютеров начального и среднего уровня фирма Samsung, например, разработала новые серии накопителей SpinPoint VL40 и SpinPoint PL40 со скоростью вращения шпинделя 5400 и 7200 об/мин, соответственно. Емкость пластины этих HDD составляла 40 Гб, они имеют 2-хгигабайтный буфер. Среднее время поиска составляет 8,9 мс. Устройства SpinPoint VL40 выпускаются в модификациях 20, 30 и 40 ГБ, а SpinPoint PL40 – 20 и 40 Гб.

Современные модельные ряды SpinPoint V80 и SpinPoint P80 имеют такие же скорости вращения шпинделя, однако плотность записи на одну пластину у них в два раза выше, а именно 80 Гб. Это позволяет создавать конечные продукты емкостью 20, 40, 60, 80, 120 и 160 Гб. Емкость буферной кэш-памяти у устройств серии V80 составляет 2 ГБ, а у P80 – 8 Мб. Среднее время поиска равно 8,9 мс.

2.5.3. Стриммер Стриммером называется внешнее устройство ПЭВМ для записи и воспроизведения цифровой информации на кассету с магнитной лентой. Основное их назначение – архивирование редко используемых больших массивов информации, резервное копирование.

Это устройство называется «floppy tape».

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы По конструктивному исполнению стриммеры выпускаются внутренними и внешними. Программная поддержка этих стриммеров позволяет сжимать информацию до раз (в среднем – в 2 раза).

Контроллеры стриммеров выполняются по технологии Plug&Play (95% необходимых параметров определяется программным путем автоматически).

Характеристики некоторых разновидностей стриммеров приведены в табл. 7.

Характеристики стриммеров (стоимость от 20$ до 5500$) Стриммер Seagate Hornet Travan STT28000A-RFT 4/8 Гбайт внутренний IDE 2.5.4. Оптические запоминающие устройства Один из первых оптических накопителей информации – видеопластинка Laservision фирмы Philips представляла собой плексигласовый диск диаметром 20 или 30 см с тонким алюминиевым слоем, покрытым защитной пленкой из лака. При нанесении информации в алюминиевом слое делаются углубления, располагаемые вдоль дорожек, как в обычных граммпластинках. Отличие заключается в том, что во-первых, дорожки начинаются в центре пластинки, и, во-вторых, они наносятся лазерным лучом – ширина дорожки при этом составляет 0,4 микрона, расстояние между дорожками – 1,6 микрона.

При таких размерах на одном миллиметре радиуса располагается 600 дорожек. При считывании информации лазерный луч по-разному отражается от основной ровной поверхности (0) и от углублений (1).

Классификация оптических накопителей информации приведена на рис. 17.

Для считывания информации применяются два различных способа:

CAV (Constant Angular Velocity) – считывание при постоянной угловой скорости; и CLV (Constant Linear Velocity) – считывание при постоянной линейной скорости.

При CAV пластинка имеет постоянную угловую скорость 1500 об/мин. Дорожки расположены кольцеобразно, каждая дорожка отводится для отдельного видеоизображения, независимо от длины дорожки. На одной стороне пластинки при этом умещается 54000 изображений для воспроизведения в течение 36 мин.

При CLV угловая скорость меняется: при чтении внутренних дорожек она равна 1500 об/мин, при чтении внешних – 500. На пластинке имеется всего одна спиралеобразная дорожка (от центра наружу). Продолжительность времени воспроизведения увеличивается до 60 мин, но теряется возможность прямого доступа к отдельным изображениям.

Видеокомпакт-диски (CDV – Compact Disk Video) предназначены для воспроизведения на специальном видеопроигрывателе. При диаметре диска 12 см на него наносится двадцатиминутная цифровая запись звука и шестиминутный аналоговый видеосигнал;

при диаметре диска 20 см на нем содержится двадцатиминутная запись аналогового видеосигнала и цифрового звукового сопровождения; при диаметре диска 30 см емкость диска такая же, как у видеопластинки Laservision.

Рис. 17. Классификация оптических накопителей информации Компакт-диск CD-ROM (Compact Disk – Read Only Memory). Диск имеет прозрачную поликарбонатную основу, толщиной 1,2 мм и диаметром 8 или 12 см. На одном дюйме по радиусу умещается 16000 дорожек (тогда как на одном дюйме флоппи-диска – всего 96). Емкость компакт-диска составляет 650-700 Мб.

Первые экземпляры содержали информацию только в цифровом виде. Конструкция была аналогична пластинке Laservision. Работал такой компакт-диск по принципу CLV, угловая скорость изменялась от 200 до 500 об/мин.

Впоследствии дисководы для CD-ROM стали выпускаться на двойную (2), четырехкратную (4), тридцатидвухкратную (32) и т.д. скорость чтения. Кратность определялась относительно продолжительности воспроизведения звукозаписи с аналогичного аналогового диска.

Компакт-диск CD-ROM/XA (eXtended Architecture) отличается от CD-ROM тем, что информация перед нанесением на диск подвергается сжатию. Диск может содержать двоичные коды, графику, видео, текст, аудиоданные.

Интерактивные компакт-диски CD-I (Compact-Disk Interactive) предназначены для потребительского рынка, используются без ЭВМ. Их производство основано на технологии CD-ROM, но имеет более простое управление.

Диски Photo-CD (совместная разработка Philips и Kodak) предназначены для хранения в цифровом формате кино- и фотокадров. На диске размещается до 100 кадров, запись полного диска производится за один час.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Bridge-Disk выполнен по стандарту, который позволяет воспроизводить его на проигрывателе для Photo-CD, дисководе для CD-ROM/XA или проигрывателе для CD-I.

Компакт-диски CD-WO (в современном представлении – CD-R и CD-RW) позволяют дозаписывать информацию за несколько сеансов. После каждой дозаписи создается оглавление диска. Устаревшие модели дисководов CD позволяют читать только первую зону CD-WO. Компакт-диски CD-WO (CD-R, CD-RW) могут изготовляться по различным технологиям: диск может быть покрыт чувствительным фотолаком, в котором лазер прожигает отверстия, испаряя лак; на подложку диска могут быть нанесены два слоя – один из искусственных полимеров (имеющих малую теплоту плавления), другой – металлический (при нагревании металла лазерным лучом находящийся под ним слой полимера испаряется, что приводит к образованию пузырька в металлическом слое и как следствие – к нетиповому отражению считывающего луча в этом месте); поверхность диска может быть покрыта слоем галий-сурьмы или индий-сурьмы, которые при воздействии на них лазерного луча расплавляются и переходят из кристаллического в аморфное состояние, что сопровождается изменением условий отражения и может быть зафиксировано считывающим лазерным лучом.