РОСОБРАЗОВАНИЕ

НИЖНЕВАРТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СОЦИАЛЬНО-ГУМАНИТАРНЫЙ КОЛЛЕДЖ

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИНФОРМАТИЗАЦИИ

учебное пособие

Нижневартовск 2007

Технические средства информатизации. Учебное пособие./ Составитель А.Н. Попов. – Нижневартовск: НГСГК, - 2007, с.

Данное учебное пособие предназначено для изучения дисциплины «Технические средства информатизации» в средних специальных учебных заведениях на специальности 2203- «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем».

Содержание.

Введение. 4

Раздел 1. Информация и технические средства её обработки. 7

Тема 1.1. Информация. 7

Тема 1.2. Общая характеристика и классификация технических средств информатизации. 14

Раздел 2. Технические характеристики современных компьютеров. 20

Тема 2.1. Общие сведения об электронных вычислительных машинах (ЭВМ). 20

Тема 2.2. Внутренняя структура вычислительной машины. 40

Раздел 3. Накопители информации. 67

Тема 3.1. Накопители на магнитных дисках. 70

Тема 3.2. Накопители на компакт-дисках. 82

Тема 3.3. Другие виды накопителей. 99

Раздел 4. Устройства обработки и отображения видеоинформации. Устройства обработки и воспроизведения аудиоинформации. 107

Тема 4.1 Мониторы. 107

Тема 4.2. Проекционные аппараты. 131

Тема 4.3. Видеоадаптеры. 144

Тема 4.4. Устройства обработки и воспроизведения аудиоинформации. 169

Раздел 5. Печатающие устройства. 187

Тема 5.1. Принтеры ударного типа. 188

Тема 5.2. Струйные принтеры. 194

Тема 5.3. Фотоэлектронные и термические принтеры. 201

Тема 5.4. Плоттеры. 209

Раздел 6 Устройства подготовки и ввода информации. 216

Тема 6.1. Клавиатура. 216

Тема 6.2. Оптико-механические манипуляторы.. 221

Тема 6.3. Сканеры.. 226

Тема 6.4. Цифровые камеры и дигитайзеры. 243

Раздел 7. Средства копирования и размножения. Офисное оборудование. 249

Тема 7.1. Копировальная техника. Цифровые технологии копироания. 249

Тема 7.2. Уничтожители документов — шредеры. 264

Раздел 8. Технические средства систем дистанционной передачи информации. 270

Тема 8.1. Структура и основные характеристики систем передачи. 270

Тема 8.2. Локальные вычислительные сети. 289

Тема 8.3. Системы пейджинговой, сотовой и спутниковой связи. 295

Список литературы.. 315

Введение.

Учебная дисциплина «Технические средства информатизации» является общепрофессиональной, формирующей базовый уровень знаний для освоения других общепрофессиональных и специальных дисциплин, таких, как «Компьютерное моделирование», «Компьютерные телекоммуникационные сети», «Инструментальные и программные средства вычислительных систем».

Дисциплина раскрывает вопросы, связанные с классификацией технических средств и их общей характеристикой, рассматривает средства копирования и размножения, средства настольной электронной типографии, офисное оборудование, методы и средства мультимедиа; телекоммуникации и средства связи.

Учебное пособие составлено в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта среднего профессионального образования к минимуму содержания и уровню подготовки выпускников по специальности 2203- «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем», утверждённой приказом Министерства образования и науки Российской Федерации, в соответствии с учебным планом и программой учебной дисциплины по специальности.

Окружающий нас мир существует в трёх основных формах: вещество, энергия, информация.

Всё многообразие материальных объектов состоит из вещества. Все материальные объекты взаимодействуют друг с другом и поэтому обладают энергией. Каждый объект несет информацию о себе, своих свойствах и качествах (форма, цвет, запах и др.). Кроме этого человек (а также другие живые организмы) могут собирать, обрабатывать, хранить и передавать информацию, использовать информацию для своего существования и развития.

В данный исторический период человечество включилось в глобальный процесс, называемый информатизацией. Информация становится главным ресурсом научно-технического и социально-экономического развития мирового сообщества и существенно влияет на ускоренное развитие науки, техники и различных отраслей хозяйства, играет значительную роль в процессах образования, общения между людьми, в других социальных областях.

Если до середины XX века жизнеобразующие процессы, протекающие вокруг человека претерпевали незначительные изменения, то в настоящее время человек окружен таким количеством информации, которая, в свою очередь, стремительно меняется и обновляется, что знания, полученные 3-5 лет назад становятся устаревшими и неактуальными. Человек чтобы быть востребованным, идти в ногу со временем должен постоянно совершенствовать свои способности, получать новые знания и обновлять имеющиеся.

Поэтому встаёт вопрос о том, чтобы студенты овладели методологией усвоения новых знаний, могли заниматься самообразованием с целью идти в ногу со временем.

При работе с информацией, в процессе её получения, переработки, сортировки, хранения и передачи ведущую роль играют технические средства информатизации (ТСИ). А значит, овладение приёмами работы с данными средствами имеет первостепенное значение.

Диапазон современных ТСИ крайне широк: от компьютера с привычными периферийными устройствами до средств связи, устройств копирования и уничтожения документов. Не менее разнообразны физические принципы, положенные в основу функционирования этих устройств. Специалисты в области автоматизированных систем обработки информации и управления, а также программного обеспечения вычислительной техники и автоматизированных систем, в какой бы области они ни работали, должны не только выступать в качестве пользователей, но и быть знакомы с принципом действия, конструкцией, технологией производства, правилами эксплуатации и основами выбора технических средств информатизации.

Характерной особенностью технических средств информатизации являются постоянное развитие, совершенствование, появление новых устройств, реализующих ранее невиданные возможности. Некоторые образцы техники морально устаревают, не успев попасть на рынок.

В Разделе 1 раскрывается понятие информации, её свойства, способы представления и измерения. Также изложены общие характеристики технических средств информатизации как устройств, обеспечивающих обмен информацией с компьютером.

Раздел 2 посвящен техническим характеристикам современных компьютеров, их составу и архитектуре.

Разделы 3 – 6 посвящены устройствам ввода/вывода, хранения и обработки текстовой, числовой, аудио- и видеоинформации на различных носителях.

Раздел 7 посвящен средствам копирования и уничтожения информации на твердых носителях.

В Разделе 8 рассмотрены современные системы дистанционной передачи информации.

Учебное пособие позволит студенту самостоятельно изучать материал курса, выполнять практические задания и проверить уровень усвоения материала с помощью контрольных заданий и тестов. Применение таких пособий развивает самостоятельную деятельность в овладении новыми знаниями, продвигает обучаемого на новую ступень осознанием своих способностей и своего места в новом информационном обществе.

Раздел 1. Информация и технические средства её обработки.

Тема 1.1. Информация.

План:

1. Определение информации. Количество информации. Единицы измерения количества информации.

2. Способы представления информации для ввода в ЭВМ.

1. Определение информации. Количество информации. Единицы измерения количества информации.

В настоящее время наука пытается найти общие свойства и закономерности, присущие многогранному понятию информация, но пока это понятие во многом остается интуитивным и получает различные смысловые наполнения в разных отраслях человеческой деятельности:

· в обиходе информацией называют любые данные или факты, которые кого-либо интересуют. Например, сообщение о каких-либо событиях, о чьей-либо деятельности и т. п. «Информировать» в этом смысле означает «сообщить нечто, неизвестное раньше»;

· в технике под информацией понимают сообщения, передаваемые в форме знаков или сигналов;

· в кибернетике под информацией понимают ту часть знаний, которая используется для ориентирования, активного действия, управления, т. е. в целях сохранения, совершенствования, развития системы.

Термин «информация» имеет корень «form» (форма), что разумно трактовать как «информирование — придание формы, вывод из состояния неопределенности, бесформенности», поэтому логично подходить к определению понятия «количество информации» , исходя из того, что информацию, содержащуюся в сообщении, можно трактовать в смысле ее новизны или, иначе, уменьшения неопределенности знаний «приемника информации» об объекте.

Американский инженер Р. Хартли в 1928 г. рассматривал процесс получения информации как выбор одного сообщения из конечного заданного множества N равновероятных сообщений, а количество информации I , содержащееся в выбранном сообщении, определял как двоичный логарифм N :

I = log ₂ N .

Допустим, нужно угадать одно число из набора чисел от единицы до ста. По формуле Хартли можно вычислить, какое количество информации для этого требуется:

I=log₂ 100≈6,644.

Таким образом, сообщение о верно угаданном числе содержит количество информации, приблизительно равное 6,644 единицы информации.

Другие примеры равновероятных сообщений: при бросании монеты - «выпала решка», «выпал орел»; на странице книги - «количество букв четное», «количество букв нечетное».

Существуют и другие подходы к определению количества информации. Важно помнить, что любые теоретические результаты применимы лишь к определенному кругу случаев, очерченному первоначальными допущениями.

Можно рассмотреть обратную задачу: «Какое количество различных двоичных чисел N можно записать с помощью I двоичных разрядов?»

В общем случае количество различных двоичных чисел (кодов) можно определить по формуле:

N =2 ^I

Данная формула является очень значимой, она связывает между собой количество возможных исходов N и количество информации I (является обратной формуле Хартли).

В качестве единицы информации Клод Шеннон предложил принять один бит (англ. bit — binary digit — двоичная цифра).

Бит в теории информации — количество информации, необходимое для различения двух равновероятных сообщений («орел—решка», «чет—нечет» и т. п.).

В вычислительной технике битом называют наименьшую «порцию» памяти компьютера, необходимую для хранения одного из двух знаков 0 и 1, используемых для машинного представления данных и команд.

За единицу информации можно было бы выбрать количество информации, необходимое для различения, например, десяти равновероятных сообщений. Это будет не двоичная (бит), а десятичная (дит) единица информации.

Поскольку бит — слишком мелкая единица измерения, на практике чаще применяется более крупная единица — байт , равная восьми битам. В частности, восемь бит требуется для того, чтобы закодировать любой из 256 символов основного компьютерного кода ASCII (256 = 2⁸ ).

Используются также более крупные производные единицы информации:

Килобайт (Кбайт) = 1024 байт = 2¹⁰ байт;

Мегабайт (Мбайт) = 1024 Кбайт = 2²⁰ байт;

Гигабайт (Гбайт) = 1024 Мбайт = 2³⁰ байт.

В последнее время в связи с увеличением объемов обрабатываемой информации входят в употребление такие производные единицы, как:

Терабайт (Тбайт) = 1024 Гбайт = 2⁴⁰ байт;

Петабайт (Пбайт) = 1024 Тбайт = 2⁵⁰ байт;

Экзобайт = 10¹⁸ Мбайт и пр.

Для описания скорости передачи данных можно использовать термин бод. Число бод равно количеству значащих изменений сигнала (потенциала, фазы, частоты), происходящих в секунду. Первоначально бод использовался в телеграфии. Для двоичных сигналов нередко принимают, что бод равен биту в секунду, например, 1200 бод = 1200 бит/с. Однако единого мнения о правильности использования этого термина нет, особенно при высоких скоростях, где число битов в секунду не совпадает с числом бод.

2. Способы представления информации для ввода в ЭВМ.

Современные технические средства информатизации выполняют функции обработки и хранения числовой, текстовой, графической, звуковой и видеоинформации с помощью компьютера. Для работы с информацией, столь разной по физической сущности, необходимо привести ее к единой форме. Все эти виды информации кодируются в последовательности электрических импульсов: есть импульс — 1, нет импульса — 0, т.е. в последовательности нулей и единиц. Такое кодирование информации в компьютере называется двоичным кодированием, а логические последовательности нулей и единиц — машинным языком.

Двоичное кодирование числовой информации заключается в том, что числа в компьютере представлены в виде последовательностей 0 и 1, или бит. В начале 1980-х гг. процессоры компьютеров были 8-разрядными, за один такт работы процессора компьютер мог обработать 8 бит, т.е. максимальное обрабатываемое целое десятичное число не могло превышать 11111111 в двоичной системе. При дальнейшем повышении разрядности процессоров до 64-разрядных возросла и величина максимального числа, обрабатываемого за один такт.

При двоичном кодирование текстовой информации используют для кодирования каждого символа 1 байт (8 двоичных разрядов), что позволяет закодировать N=28=256 различных символов, которых обычно бывает достаточно для представления текстовой информации: прописные и заглавные буквы русского и латинского алфавита, цифры, знаки, графические символы. Присвоение символу конкретного двоичного кода произведено в соответствии с принятым соглашением, зафиксированным в кодовой таблице.

В различных кодировках одному и тому же двоичному коду соответствуют различные символы. Каждая кодировка задается своей собственной кодовой таблицей.

В задачу пользователя не входит решение проблемы перекодировки текстовых документов. При работе в приложениях Windows предусмотрена возможность автоматической перекодировки документов, созданных в приложениях MS-DOS. При работе в Internet с использованием браузеров Internet Explorer и Netscape Communication происходит автоматическая перекодировка Web-страниц.

При двоичном кодировании текстовой информации каждому символу соответствуют своя уникальная последовательность из восьми нулей и единиц, свой уникальный двоичный код от 00000000 до 11111111 (десятичный код от 0 до 255).

Первые 33 кода (с 0 по 32) соответствуют не символам, а операциям (перевод строки, ввод пробела и т.д.). Коды с 33 по 127 являются интернациональными и соответствуют символам латинского алфавита, цифрам, знакам арифметических операций и знакам препинания. Коды с 128 по 255 являются национальными, т.е. в национальных кодировках одному и тому же коду соответствуют различные символы.

В настоящее время существуют пять различных кодовых таблиц для русских букв, поэтому тексты, созданные в одной кодировке, не будут аналогично отображаться в другой.

Одним из первых стандартов кодирования русских букв на компьютерах был код КОИ-8 (код обмена информацией 8-битный), который применяется на компьютерах с операционной системой UNIX.

Наиболее распространенной является стандартная кириллическая кодировка Microsoft Windows, обозначаемая СР1251 (СР — Code Page — кодовая страница), которую поддерживают все Windows-приложения, работающие с русским языком.

В среде операционной системы MS-DOS используется «альтернативная» кодировка, в терминологии фирмы Microsoft — кодировка СР866.

Для компьютеров Macintosh фирма Apple разработала свою собственную кодировку русских букв (Мас).

Международная организация по стандартизации (International Standards Organization, ISO) утвердила в качестве стандарта для русского языка кодировку, называемую ISO 8859-5.

Новый международный стандарт Unicode отводит на каждый символ не один байт, а два, и потому с его помощью можно закодировать не 256 символов, a N=216 = 65 536 различных символов. Эту кодировку поддерживает платформа Microsoft Windows @ Office 97.

Как определить числовой код символа.

Проще всего, конечно, воспользоваться кодовой таблицей, но если ее нет под рукой, а есть компьютер на платформе Windows, загрузите текстовый редактор Word . Выберете команду меню [Вставка-Символ…] . На экране появится диалоговое окно <Символ>

Центральную часть диалогового окна занимает таблица символов для определенного шрифта (например, Times New Roman Cyr). Символы располагаются последовательно слева направо и построчно, начиная с символа Пробел в левом верхнем углу и кончая буквой я в правом нижнем углу таблицы.

Для определения числового кода символа в кодировке Windows (СР1251) достаточно с помощью мыши или клавиш управления курсором выбрать нужный символ (например, заглавную букву А русского алфавита) и затем активизировать кнопку Клавиша.

Появится диалоговое окно <Настройка>, в котором в нижнем левом углу содержится десятичный числовой код данного символа, в данном случае 192.

Как определить символ по числовому коду.

Запустите любое приложение на платформе Windows&Office, например, Блокнот. С помощью дополнительной цифровой клавиатуры при нажатой клавише {Alt} введите число 0224, отпустите клавишу {Alt} , в документе появится символ а. Повторите процедуру для числовых кодов от 0225 до 0233, в документе появится последовательность из 10 символов (абвгдежзий) в кодировке Windows (CP1251).

С помощью дополнительной цифровой клавиатуры при нажатой клавише {Alt} введите число 224, отпустите клавишу {Alt} , в документе появится символ р. Повторите процедуру для числовых кодов от 225 до 233, в документе появится последовательность из 10 символов (рстуфхцчшщ) в кодировке MS-DOS (CP866).

Двоичное кодирование графической информации представляет собой достаточно сложный процесс, поскольку такая информация весьма разнообразна: от простых чертежей до видеофильмов. Однако любая графическая информация на экране монитора представляется в виде изображения, которое формируется из точек (пикселов). В случае обычного черно-белого изображения (без градаций серого цвета) каждая точка экрана может иметь лишь два состояния — «черная» или «белая», т.е. для хранения ее состояния необходим 1 бит.

Цветные изображения могут иметь различную глубину цвета, определяемую числом бит на точку: 4, 8, 16, 24. Каждый цвет можно рассматривать как возможное состояние точки, и тогда по формуле N=2 ^I может быть вычислено количество цветов, отображаемых на экране монитора.

Размер изображения определяется числом точек по горизонтали и по вертикали. В современных персональных компьютерах (ПК) обычно используются четыре основных размера изображения, или разрешающих способностей экрана: 640 х 480, 800 х 600, 1024 х 768 и 1280x1024 точки.

Графический режим вывода изображения на экран определяется разрешающей способностью экрана и глубиной цвета . Полная информация обо всех точках изображения, хранящаяся в видеопамяти, называется битовой картой изображения.

Для формирования на экране монитора графического изображения любого типа в видеопамяти компьютера должна храниться информация о каждой его точке, глубине ее цвета. Необходимый для этого объем видеопамяти рассчитывается следующим образом:

объем видеопамяти = число точек х глубина цвета.

Например, для графического режима 800x600 точек и глубине цвета 16 бит на точку требуемый объем видеопамяти будет равен 800 х 600 х 16 бит = 7 680 000 бит = 960 000 байт = 937,5 Кбайт.

При компьютерной обработке так называемого «живого видео», т.е. видеоизображения естественных объектов, представляющих собой отдельные кадры, сменяющие друг друга с частотой 25 Гц, производится двоичное кодирование и запоминание в видеопамяти графической информации каждого кадра.

С начала 90-х гг. персональные компьютеры получают широкие возможности для работы со звуковой информацией . Каждый компьютер, имеющий звуковую плату, может сохранять звук в виде файлов и воспроизводить его. С помощью специальных программных средств (редакторов аудиофайлов) открываются широкие возможности по созданию, редактированию и прослушиванию звуковых файлов. В дальнейшем создаются программы распознавания речи и появляется возможность голосового управления компьютером.

При двоичном кодировании аналогового звукового сигнала непрерывный сигнал дискретизируется (оцифровывается), т. е. заменяется серией отдельных выборок (см. рис. 2.1).

Качество двоичного кодирования зависит от двух параметров: количества распознаваемых дискретных уровней сигнала и количества выборок в секунду. Различные звуковые карты могут обеспечить как 8-, так и 16-битные выборки. При замене непрерывного звукового сигнала его дискретным представлением в виде ступенек 8-битные карты позволяют закодировать 256 различных уровней дискретизации звукового сигнала, соответственно 16-битные — 65 536 уровней.

Частота дискретизации аналогового звукового сигнала (количество выборок в секунду) также может принимать различные значения (5,5, 11, 22 и 44 кГц). Таким образом, качество звука в дискретной форме может быть очень плохим (качество радиотрансляции) при 8 битах и 5,5 кГц и весьма высоким (качество аудио СD) при 16 битах и 44 кГц.

Можно оценить объем моноаудиофайла с длительностью звучания 1с при среднем качестве звука (16 бит, 22 кГц). Для этого 16 бит на одну выборку необходимо умножить на 22 000 выборок в секунду, что дает в результате 43 Кбайта.

Тема 1.2. Общая характеристика и классификация технических средств информатизации.

План:

1. Технические средства информатизации – аппаратный базис информационных технологий.

2. Классификация ТСИ.

1. Технические средства информатизации – аппаратный базис информационных технологий.

В процессе своего развития человеческое общество прошло этапы проникновения в тайны материи, научилось управлять различными видами энергии и, наконец, вступило в эпоху информатизации. До середины XIX в., когда доминирующими были процессы сбора и накопления информации, средства информатизации представляли собой перо, чернильницу и бумагу. На смену примитивным средствам информационной техники в конце XIX в. пришли механические: пишущая машинка, телефон, телеграф, что послужило базой для принципиальных изменений в технологии обработки информации. Лишь спустя много лет информационные процессы запоминания и передачи информации были дополнены процессами ее обработки. Это стало возможным с появлением во второй половине XX в. такой информационной техники, как электронные вычислительные машины (ЭВМ), положившие начало информационным технологиям.

Информационные технологии базируются на следующих технических достижениях:

— новые средства накопления информации на машиночитаемых носителях (магнитные ленты, кинофильмы, магнитные и лазерные диски и т.п.);

— системы дистанционной передачи информации (локальные вычислительные сети, сети передачи данных, телефонная сеть, радиосвязь, спутниковая связь и др.);

— автоматизированная обработка информации с помощью компьютера по заданным алгоритмам.

Естественно, что информационные технологии строятся на сочетании аппаратных средств, программных средств и творческой мысли создателей как этих средств, так и компьютерных технологий.

Специалисты называют аппаратные средства компьютерной техники Hardware (скобяные товары или жесткая проволока), а программное обеспечение — Software (мягкая проволока). Сочетание «Hardware&Software», переводимое как «твердый и мягкий», — профессиональный термин. В России программы на профессиональном сленге иногда называют новым словом «софтвер», а компьютер и периферию — «железом». Приоритетность роли программных или аппаратных средств в информационных технологиях не подлежит обсуждению, поскольку без программного обеспечения любой самый совершенный компьютер представляет собой набор электронных плат.

Технические средства информатизации представляют собой совокупность компьютерной техники и ее периферийных устройств — Hardware, обеспечивающих сбор, хранение и переработку информации, и коммуникационной техники (телефон, телеграф, радио, телевидение, спутниковая связь, сети ЭВМ), осуществляющей дистанционную передачу информации.

Создание электронно-вычислительных машин в середине XXв. является одним из самых выдающихся достижений в истории человечества. Постоянное развитие индустрии компьютерной техники и других технических средств информатизации за короткий срок превратилось в один из определяющих факторов научно-технического прогресса. Многие крупные научно-технические проекты современности в области космических исследований, атомной энергетики, экологии не могли бы претворяться в жизнь без применения технических средств информатизации. На протяжении последних десятилетий информационные технологии, базирующиеся на современных технических средствах информатизации, все активней вторгаются в различные сферы человеческой деятельности. Несомненна тесная взаимосвязь совершенствования программного обеспечения, технических средств информатизации и наукоемких технологий, на базе которых они производятся. Разработка нового программного обеспечения требует создания все более совершенных технических средств, что, в свою очередь, стимулирует разработку новых высокопроизводительных и экономичных технологических процессов для производства технических средств информатизации.

2. Классификация ТСИ.

Современные технические средства информатизации в общем случае можно представить в виде информационно-вычислительного комплекса, содержащего собственно компьютер с его основными устройствами, а также дополнительные, или периферийные устройства. Классификация технических средств информатизации дана на рис. 1.1.

К числу основных устройств персонального компьютера , располагающихся в его системном блоке, относят материнскую плату, процессор, видеоадаптер (видеокарту), звуковую карту, средства обработки видеосигнала, оперативную память, TV-тюнер. В системном блоке располагаются также приводы и дисководы для накопителей информации различных типов: на гибких и жестких дисках, компакт-дисках типа CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD.

Все разнообразие функций, выполняемых периферийными устройствами при решении различных задач, можно разделить на несколько групп, как показано на рис. 1.1.

Устройства отображения информации служат для обработки видеоинформации и ее представления для визуального восприятия. Это прежде всего мониторы, изготовленные на базе широкого спектра современных технологий. Формирование объемных изображений осуществляется с помощью шлемов виртуальной реальности , 3D-очков и 3D-мониторов различного принципа действия. Для решения задач, связанных с демонстрацией информации на экране для большой аудитории, применяют оверхед-проекторы, жидкокристаллические панели и мультимедийные проекторы . Для обеспечения взаимосвязи между компьютером и устройством отображения информации служит видеоадаптер, выполняющий преобразование цифрового сигнала, циркулирующего внутри ПК, в аналоговые электрические сигналы, подаваемые на монитор. Для компьютерной обработки сигналов таких устройств, как телевизионный тюнер, видеомагнитофон, видеокамера, т. е. преобразования их из аналоговой в цифровую форму, применяют специальные средства обработки видеосигнала, например, видеобластер .

Звуковая и акустическая системы компьютера обеспечивают обработку и воспроизведение аудиоинформации.

Устройства ввода информации представляют собой совокупность устройств управления и ввода данных. Эти функции выполняют клавиатура, мышь, джойстик . Для ввода информации в ПК все более широко применяются световое перо, сканер, цифровая камера, дигитайзер . Особым разнообразием конструктивных решений отличаются сканеры. Они бывают планшетные, роликовые, барабанные, проекционные, ручные и многофункциональные.

Печатающие устройства (принтеры) служат для вывода на твердые, как правило, бумажные носители текстовой информации. По принципу действия принтеры весьма разнообразны: ударные, струйные, лазерные, светодиодные, термические. Для вывода графической информации в виде чертежей используют плоттеры. Функционирование пишущих блоков плоттеров основано на тех же принципах, что и принтеров, а по конструкции они подразделяются на планшетные и рулонные.

Средства телекоммуникаций предназначены для дистанционной передачи информации. К ним относятся пейджеры, радиотелефоны, персональные терминалы для спутниковой связи, обеспечивающие передачу звуковой и текстовой информации. Факсимильные аппараты, осуществляющие процесс дистанционной передачи изображения и текста, подразделяются на термографические, электрографические, струйные, лазерные, фотографические, электрохимические и электромеханические. Модемы в основном используются для обмена информацией между компьютерами через телефонную линию и конструктивно выполняются как внешними, функционирующими автономно, так и внутренними, встраиваемыми в аппаратуру.

Широко распространенными средствами работы с информацией на твердых носителях являются многочисленные устройства копировальной техники : электрографические, термографические, диазографические, фотографические, электронно-графические. Для уничтожения конфиденциальной информации на твердых носителях используются специальные устройства — шреддеры .

Контрольные вопросы:

1. Что принято за единицу измерения количества информации?

2. Какие единицы измерения информации вам известны, их соотношение?

3. Каким образом можно измерить количество информации? Привести формулы, связывающие между собой количество возможных исходов N и количество информации I

4. Как кодируются символы текста?

5. Какие существуют кодировки русских букв?

6. Чем различаются существующие кодировки русских букв?

7. В чем разница между традиционными 8-битными кодировками и новой кодировкой Unicode?

8. От каких параметров зависит качество двоичного кодирования звука?

9. Каким образом производится двоичное кодирование графической информации?

10. Что входит в состав технических средств информатизации?

11. Привести классификацию ТСИ.

Упражнения.

Упражнение 1.

1). Какое количество информации получит второй игрок в игре «Угадай число», если первый игрок загадал число: 32, 128?

2). Какое количество информации необходимо для кодирования одной точки изображения при палитре из 16 цветов?

Упражнение 2.

Используя Таблицу символов, запишите последовательность десятичных числовых кодов в кодировке Windows (CP1251) для слова компьютер.

Упражнение 3.

Используя Таблицу символов, а затем Калькулятор, запишите последовательность двоичных числовых кодов в кодировке Windows (СР1251) для слова бит.

Упражнение 4.

Используя Блокнот, определите, какие слова в кодировке Windows (СР1251) заданы последовательностями числовых кодов:

225, 224, 233, 242

11011101,11000010,11001100

Упражнение 5.

Используя Блокнот, определите, какие слова в кодировке MS-DOS (СР866) заданы последовательностями числовых кодов:

161, 160, 169, 226

10011101, 10000010, 10001100

Упражнение 6.

В последнее время начал использоваться графический режим с глубиной цвета 32 бит Определите:

1). Какое количество цветов отображается на экране при этой глубине цвета?

2). Какой объем видеопамяти необходим для реализации данной глубины цвета при различных разрешающих способностях экрана?

Упражнение 7.

1). Какое количество уровней звукового сигнала кодируется в устаревших 8-битных звуковых картах?

2). Рассчитайте объем моноаудиофайла длительностью 10 секунд при 16-битном кодировании и частоте дискретизации 44 Кгц.

Раздел 2. Технические характеристики современных компьютеров.

Тема 2.1. Общие сведения об электронных вычислительных машинах (ЭВМ).

План:

1. Важнейшие этапы истории вычислительной техники.

2. Устройство и принцип действия ЭВМ.

3. Классификация ЭВМ.

1. Важнейшие этапы истории вычислительной техники

Создание электронно-вычислительных машин в середине XXв. по праву относят к числу самых выдающихся достижений в истории человечества. Вычислительная техника расширила интеллектуальные возможности человека и превратилась в один из решающих факторов научно-технического прогресса. При этом ее развитие неразрывно связано с развитием техники и технологии в ряде промышленных отраслей.

История использования механических и полуавтоматических средств для арифметических операций насчитывает не одно тысячелетие. Первые вычислительные устройства были созданы еще в Древней Греции. В 1642 г. французский математик Блез Паскаль (1623— 1662) создал механический арифмометр , позволявший выполнять четыре арифметических действия. Немецкий философ и математик Готфрид Вильгельм фон Лейбниц (1646—1716) изобрел механическую счетную машину , выполняющую сложение и умножение. Англичанин Чарльз Бэббидж (1792—1871) разработал концепцию вычислительной машины с гибкой схемой программирования и запоминающим устройством. Программы вводились с помощью перфокарт — карточек из плотного материала, на которых информация представлялась в виде комбинации отверстий и хранилась в «складе» (памяти) в виде исходных данных и промежуточных результатов.

Наиболее стремительным и последовательным развитием и внедрением вычислительных устройств ознаменовалась первая половина XX в. Возможность создания универсальной вычислительной машины обосновал английский математик Алан Мати-сон Тьюринг (1912—1954).

В 1943 г. американец Говард Эйкен на основе уже созданных к этому времени электромеханических реле сконструировал и изготовил на одном из предприятий фирмы IBM вычислительную машину, названную «Марк-1».

Применение электронных ламп при создании первых вычислительных машин способствовало прогрессу в этой области. В 1946 г. в США группой специалистов под руководством Джона Мочли и Преспера Экерта была создана первая вычислительная машина на основе электронных ламп , названная ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer — электронный числовой интегратор и вычислитель) и предназначенная для баллистических расчетов. Для выполнения других вычислений требовалось практически заново перестраивать машину.

В 1949 г. был создан компьютер, в котором нашли воплощение принципы построения логической схемы вычислительной машины выдающегося математика Джона фон Неймана (1903—1957). Эта машина использовала гибкую запоминаемую программу, которую можно было изменять, не перестраивая всей машины.

Компьютеры на электронных лампах были громоздкими и стоили очень дорого, поэтому были доступны только крупным компаниям и учреждениям.

Изобретение в 1948 г. транзисторов , заменивших в компьютерах электронные лампы, развитие технологии их массового производства способствовали во второй половине 1950-х гг. существенному усовершенствованию, уменьшению размеров компьютеров и снижению их стоимости. Если компьютеры на электронных лампах занимали целые залы, то первый мини-компьютер, выпущенный фирмой Digital Equipment в 1965 г., был размером всего лишь с холодильник.

Следующий шаг по пути миниатюризации и совершенствования компьютеров был связан с изобретением интегральных схем . В 1959 г. Роберт Нойс , впоследствии основатель фирмы Intel, предложил создавать на одной пластине как сами транзисторы, так и все соединения между ними, так называемые интегральные схемы, или чипы . Первый компьютер на интегральных схемах выпустила в 1968 г. фирма Burroughs . В 1970 г. конструкторы фирмы Intel создали интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ. Первый микропроцессор был способен одновременно обрабатывать только 4 бита информации. Но уже в 1973 г. был выпущен 8-битовый микропроцессор Intel-8008 , а в 1974 г. — усовершенствованный вариант Intel-8080, который до конца 1970-х гг. стал стандартом для индустрии микрокомпьютеров. На базе Intel-8080 в 1975 г. был создан первый коммерчески распространяемый компьютер «Альтаир 8800» , еще не укомплектованный клавиатурой и монитором, с оперативной памятью 256 байт. Персональный компьютер «Альтаир» завоевал популярность благодаря тому, что Пол Аллен и Билл Гейтс (будущие основатели фирмы Microsoft) создали для него интерпретатор языка Basic , что позволило пользователям достаточно просто общаться с компьютером. Компьютеры стали продаваться уже в полной комплектации, с клавиатурой и монитором. Спрос на них год от года увеличивался.

В 1979 г. фирма IBM (International Business Machine Corporation) вышла на рынок персональных компьютеров . При этом было решено не создавать принципиально новый персональный компьютер, а использовать блоки, изготовленные другими фирмами. В качестве основного микропроцессора компьютера был выбран новейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intel-8088 с емкостью памяти 1 Мб, использовались комплектующие различных фирм, а программное обеспечение было поручено разработать небольшой тогда фирме Microsoft . В августе 1981 г. состоялась официальная презентация нового компьютера под названием IBM PC, который быстро занял ведущее место на рынке, став стандартом персонального компьютера. Сейчас компьютеры, совместимые с IBM PC, составляют более 90% всех производимых в мире персональных компьютеров.

Популярность компьютеров IBM PC обусловлена тем, что фирма IBM при разработке руководствовалась принципом открытой архитектуры , т.е. изначально сделала компьютер не единым неразъемным устройством, а обеспечила возможность изменять его конфигурации из отдельных компонентов в зависимости от круга решаемых задач.

Под архитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов построения ЭВМ, реализующих программное управление работой и взаимодействие основных ее функциональных узлов.

Общие принципы построения ЭВМ, которые относятся к архитектуре:

· структура памяти ЭВМ;

· способы доступа к памяти и внешним устройствам;

· возможность изменения конфигурации компьютера;

· система команд;

· форматы данных;

· организация интерфейса.

Архитектура регламентирует не все связи составных частей вычислительного средства, а наиболее важные, необходимые для более эффективного использования. Архитектуру вычислительного средства следует отличать от его структуры.

Структура вычислительного средства определяет его конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки, узлы и т.д.) и описывает связи внутри системы.

В соответствии с принципом открытой архитектуры на основной электронной плате компьютера IBM PC (системной, или материнской, плате) размещены только те блоки, которые осуществляют обработку информации (вычисления). Схемы, управляющие всеми остальными (периферийными) устройствами компьютера, — монитором, дисками, принтером и т.д., реализованы на отдельных платах (контроллерах), которые вставляются в стандартные разъемы на системной плате — слоты. К этим электронным схемам подводится электропитание из единого блока питания, а для удобства и надежности все это заключается в общий корпус — системный блок. Открытость архитектуры заключается в том, что для IBM PC-совместимых компьютеров все спецификации взаимодействия внешних устройств с контроллерами, контроллеров с системной платой (шиной) доступны. Основные этапы развития IBM PC-совместимых компьютеров и периферийных устройств даны в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Основные этапы развития IBM PC-совместимых компьютеров и периферийных устройств

2. Устройство и принцип действия ЭВМ

На разных этапах развития техники и технологии компьютеры назывались по-разному: арифметическо-логическое устройство (АЛУ), программируемое электронно-вычислительное устройство (ПЭВМ или ЭВМ), вычислительная машина, компьютер.

Основные принципы построения логической схемы и структура вычислительной машины, изложенные выдающимся математиком Джоном фон Нейманом , реализованы в первых двух поколениях ЭВМ. Классическая архитектура ЭВМ, построенная по принципу фон Неймана (фон-неймановская архитектура) и реализованная в вычислительных машинах первого и второго поколений , представлена на рис. 2.1 и содержит следующие основные блоки:

· арифметическо-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции;

· управляющее устройство (УУ), организующее процесс выполнения программ;

· внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), или память, для хранения программ и данных;

· оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);

· устройства ввода и вывода информации (УВВ).

Рис. 2.1. Архитектура ЭВМ, реализующая принципы фон Неймана:

Внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком. Например, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти; устройством ввода является клавиатура, а монитор и принтер — устройства вывода. Причем если монитор можно отнести к устройствам отображения информации, то принтер — типичное печатающее устройство.

Взаимодействие основных устройств компьютера реализуется в определенной последовательности. В память компьютера вводится программа с помощью какого-либо внешнего устройства. Память компьютера состоит из некоторого числа пронумерованных ячеек. В каждой ячейке могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством — счетчиком команд в УУ .

Управляющее устройство считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Как правило, после выполнения одной команды управляющее устройство начинает выполнять команду из ячейки памяти, которая находится непосредственно за ячейкой, где содержится только что выполненная команда.

Управляющее устройство выполняет инструкции программы автоматически и может обмениваться информацией с оперативным запоминающим устройством и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, управляющее устройство может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода-вывода с внешним устройством. Все результаты выполненной программы должны быть выведены на внешние устройства компьютера, после чего компьютер переходит в режим ожидания каких-либо сигналов от внешних устройств.

Схема устройства современных компьютеров несколько отличается от приведенной выше. Например, арифметическо-логическое и управляющее устройства объединены в единое устройство — центральный процессор — CPU (Central Processing Unit).

Появление ЭВМ третьего поколения было обусловлено переходом от транзисторов к интегральным микросхемам. В них не только были значительно уменьшены размеры базовых функциональных узлов, но и появилась возможность существенно повысить быстродействие процессора. При этом возникло противоречие между высокой скоростью обмена информацией внутри ЭВМ и медленной работой устройств ввода/вывода. Решение проблемы было найдено путем освобождения центрального процессора от функций обмена и передачей их специальным электронным схемам управления работой внешних устройств. Такие схемы имели различные названия: каналы обмена, процессоры ввода/вывода, периферийные процессоры. В последнее время все чаще используется термин «контроллер внешнего устройства» , или «контроллер».

Контроллер можно представить как специализированный процессор, управляющий работой какого-либо внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена. Например, контроллер дисковода (накопителя на магнитных дисках) обеспечивает позиционирование головки, чтение или запись информации. Результаты выполнения каждой операции заносятся во внутренние регистры памяти контроллера и могут быть в дальнейшем прочитаны центральным процессором. CPU, в свою очередь, выдает задание на выполнение контроллеру. Дальнейший обмен информацией может происходить под руководством контроллера, без участия CPU. Наличие таких интеллектуальных контроллеров — внешних устройств стало важной отличительной чертой ЭВМ третьего и четвертого поколений. Шинная архитектура ЭВМ, содержащей интеллектуальные контроллеры (К), представлена на рис. 2.2. Для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая магистраль — шина, состоящая из трех частей: шины данных, шины адреса и шины управления.

Следует отметить, что в некоторых моделях компьютеров шины данных и адреса объединены: на шину сначала выставляется адрес, а потом данные. Сигналы по шине управления определяют, для какой цели используется шина в каждый конкретный момент.

Такая открытость архитектуры ЭВМ позволяет пользователю свободно выбирать состав внешних устройств, т. е. конфигурировать компьютер. Рассмотрим функции основных устройств компьютера.

Рис. 2.2. Шинная архитектура ЭВМ

Процессор, или микропроцессор , является основным устройством ЭВМ и представляет собой функционально законченное устройство обработки информации. Он предназначен для выполнения вычислений по хранящейся в запоминающем устройстве программе и обеспечения общего управления ЭВМ. Быстродействие ЭВМ в значительной мере определяется скоростью работы процессора.

Память ЭВМ содержит обрабатываемые данные и выполняемые программы, поступающие через устройство ввода/вывода. Память представляет собой сложную структуру, построенную по иерархическому принципу, состоящую из запоминающих устройств различных типов. Функционально она делится на две части — внутреннюю и внешнюю.

Внутренняя память — это запоминающее устройство, напрямую связанное с процессором и предназначенное для хранения выполняемых программ и данных, непосредственно участвующих в вычислениях. Обращение к внутренней памяти ЭВМ осуществляется с высоким быстродействием, но она имеет ограниченный объем, определяемый системой адресации машины. Внутренняя память, в свою очередь, делится на оперативную и постоянную (ПЗУ) память.

Постоянная память обеспечивает хранение и выдачу информации. Содержимое постоянной памяти заполняется при изготовлении ЭВМ и не подлежит изменению в обычных условиях эксплуатации. В постоянной памяти хранятся часто используемые (универсальные) программы и данные, некоторые программы операционной системы, программы тестирования оборудования ЭВМ и др. При выключении питания содержимое постоянной памяти сохраняется. Такой вид памяти называется ROM (Read Only Memory — память только для чтения) , или постоянное запоминающее устройство. Значительная часть программ, хранящихся в ROM, связана с обслуживанием ввода/вывода, поэтому ее называют ROM BIOS (Basic Input-Output System — базовая система ввода/вывода) .

Оперативная память , по объему составляющая большую часть внутренней памяти, служит для приема, хранения и выдачи информации. При выключении питания содержимое оперативной памяти в большинстве случаев теряется. Эта память называется оперативной, поскольку работает так быстро, что процессору практически не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в нее. Оперативная память обозначается RAM (Random Access Memory — память с произвольным доступом). Объем установленной в компьютере оперативной памяти определяет, с каким программным обеспечением можно на нем работать. При недостаточном объеме оперативной памяти многие программы либо не будут работать совсем, либо будут работать крайне медленно.

Кэш-память — сверхбыстродействующая память, обеспечивающая ускорение доступа к оперативной памяти на быстродействующих компьютерах. Она располагается между микропроцессором и оперативной памятью и хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. При обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные уже содержатся в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается.

CMOS-RAM — участок памяти для хранения параметров конфигурации компьютера. Называется так в связи с тем, что эта память обычно выполняется по технологии CMOS, обладающей низким энергопотреблением. Содержимое CMOS-RAM не измеяется при выключении электропитания компьютера. Эта память располагается на контроллере периферии, для электропитания которого используются специальные аккумуляторы. Для изменения параметров конфигурации компьютера в BIOS содержится программа настройки конфигурации компьютера Setup.

Видеопамять в IBM PC-совместимых компьютерах — память, используемая для хранения изображения, выводимого на экран монитора. Эта память обычно входит в состав видеоконтроллера — электронной схемы, управляющей выводом изображения на экран монитора.

Внешняя память предназначена для размещения больших объемов информации и обмена ею с оперативной памятью. Для построения внешней памяти используют энергонезависимые носители информации (диски и ленты), которые являются переносными. Емкость внешней памяти практически не имеет ограничений, а для обращения к ней требуется больше времени, чем к внутренней. ВЗУ по принципам функционирования разделяются на устройства прямого доступа (накопители на магнитных и оптических дисках) и устройства последовательного доступа (накопители на магнитных лентах). Устройства прямого доступа обладают большим быстродействием, поэтому они являются основными внешними запоминающими устройствами, постоянно используемыми в процессе функционирования компьютера. Устройства последовательного доступа используются в основном для резервирования информации.

Устройства ввода/вывода служат для обеспечения общения пользователя с ЭВМ и относятся к периферийным, или внешним устройствам. На рис. 2.3 показаны связи между компьютером и различными периферийными устройствами.

Необходимыми устройствами ввода/вывода являются монитор, клавиатура, мышь .

Монитор принимает изображение от системного блока. Его экран является рабочим полем. С помощью клавиатуры в компьютер вводятся любые тексты, символы, подаются команды и осуществляется управление работой компьютера. Мышь — средство управления курсором на экране монитора.

Сам по себе компьютер не обладает знаниями ни в одной области, все эти знания сосредоточены в программном обеспечении. Программное обеспечение можно разделить на следующие категории.

Рис. 2.3. Связи между компьютером и периферийными устройствами

Системные программы — выполняют функции обеспечения нормальной работы компьютера, его обслуживания и настройки. Среди системных программ особое место занимают операционные системы (ОС) для управления компьютером, запуска программ, обеспечения защиты данных, выполнения различных сервисных функций по запросам пользователя и программ. Каждая ОС состоит как минимум из трех обязательных частей. Ядро, или командный интерпретатор, обеспечивает «перевод» с программного языка на язык машинных кодов. Драйверы расширяют возможности ОС, позволяя ей работать с тем или иным внешним устройством. Драйверы для различных ОС часто поставляются вместе с новыми устройствами или контроллерами. Интерфейс — удобная графическая оболочка, с которой общается пользователь.

Утилиты — комплекты полезных программ, предназначенных для обслуживания и совершенствования работы компьютера.

Тесты — программы для тестирования как программного обеспечения, так и аппаратных ресурсов, которые иногда относят к утилитам.

Прикладные программы — непосредственно обеспечивают выполнение необходимых пользователям работ.

Наиболее популярными из прикладных программ являются офисные программы, посредством которых создаются и редактируются документы в виде текстов, электронных таблиц. В эту группу входят также системы машинного перевода; распознавания текста, графики со сканера; финансовые и бухгалтерские программы, программы для работы с Internet.

К мультимедийным прикладным программам относятся программы для обработки и создания изображений, работы со звуком, а также проигрыватели (плейеры) и программы просмотра (вьюверы). Последние не обеспечивают редактирование звукового или видеофайла, но позволяют проиграть музыкальную композицию или вывести изображение на экран.

К группе профессиональных прикладных программ относятся инструментальные системы программирования, обеспечивающие создание новых программ для компьютера; системы автоматизированного проектирования (CAD); редакторы трехмерной графики и анимации, а также специализированные инженерные и научные программы.

3. Классификация ЭВМ

Чтобы судить о возможностях ЭВМ, их принято разделять на группы по определенным признакам, т.е. классифицировать.

Классификацию вычислительных машин по таким показателям, как габариты и производительность, можно представить следующим образом:

· сверхпроизводительные ЭВМ и системы (суперЭВМ);

· большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения);

· малые, или мини-ЭВМ;

· микроЭВМ.

СуперЭВМ — это самые мощные вычислительные системы, существующие в соответствующий исторический период. В настоящее время к ним относятся мощные суперЭВМ «Gray» и «IBM SP2» (США). Например, модель «Gray-З» является 16-процессорной машиной с быстродействием более 10 млрд. операций в секунду, а в модели CS 6400 число процессоров доведено до 64. В 2000 г. самым мощным компьютером в мире считался ASCI White, включающий в себя 8192 процессора и поставляемый корпорацией IBM Министерству энергетики США. СуперЭВМ требуют особого температурного режима при эксплуатации, например охлаждения жидким азотом. Их производительность несопоставима с производительностью компьютеров других классов.

Большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения) исторически появились первыми. Их элементная база прошла путь от электронных ламп до схем со сверхвысокой степенью интеграции. Основное назначение больших ЭВМ — выполнение сложных научно-технических расчетов, решение задач математического моделирования, использование в качестве центральных машин в крупных автоматизированных системах управления. Примером больших ЭВМ являются выпускавшиеся до недавнего времени в США модели фирмы IBM семейства 370 и их отечественные аналоги ЕС ЭВМ. Большие машины составляли основу парка вычислительной техники до середины 1970-х гг. В настоящее время выпуск больших ЭВМ продолжается.

Мини-ЭВМ составляли самый многочисленный и быстро развивающийся класс ЭВМ и отличались малыми размерами, низкой стоимостью (по сравнению с большими и суперЭВМ) и универсальными возможностями. Они появились в 1960-е гг. и широко применялись для управления технологическими процессами, создания систем автоматизированного проектирования и гибких производственных систем. Среди них выделяются «супер-мини» , имеющие характеристики, сравнимые с характеристиками больших машин. К мини-ЭВМ 1980-х гг. относились машины семейства VAX-11 фирмы DEC и их отечественный аналог — СМ-1700.

МикроЭВМ обязаны своим появлением созданию микропроцессора, что не только изменило конструктивно центральную часть ЭВМ, но и привело к необходимости разработки малогабаритных устройств для ее периферийной части. МикроЭВМ получили широкое распространение во всех сферах экономики, промышленности и оборонного комплекса благодаря малым размерам, высокой производительности, повышенной надежности и небольшой стоимости.

Типы микроЭВМ:

· многопользовательские, оснащенные рядом терминалов;

· встроенные, предназначенные для управления технологическим оборудованием или подсистемой автомобиля, являясь по сути частью управляемого объекта;

· рабочие станции, включающие в себя широкий круг достаточно мощных и дорогостоящих микроЭВМ, которые предназначены как для выполнения графических работ в системах автоматизированного проектирования, так и для работы в издательских системах. Рабочей станцией иногда называют компьютер, выполняющий роль хост-машины в глобальной вычислительной сети.

Персональные ЭВМ предназначены для индивидуального обслуживания пользователя и ориентированы на решение различных задач неспециалистами в области вычислительной техники, т.е. для поддержки различных видов профессиональной деятельности (инженерной, административной, производственной, литературной, финансовой), а также в быту, например, для обучения и досуга. На основе персональных компьютеров создаются автоматизированные рабочие места (АРМ) для представителей разных профессий: конструкторов, дизайнеров, технологов, менеджеров.

Портативные компьютеры (Notebook — записная книжка) по объему значительно меньше персональных, удобны для транспортировки. Notebook выполнен как небольшой кейс (чемоданчик) и раскрывается, как книжка. В корпусе размещены жидкокристаллический монитор и системный блок. Обычно notebook содержит только необходимый минимум устройств, причем большая их часть (дополнительный жесткий диск, модем, дисководы) подключается при необходимости через специальные разъемы.

Электронные секретари представляют собой интеллектуальную электронную записную книжку и могут быть использованы для решения ограниченного круга задач: набора текста с помощью специального пера прямо на экране, составления несложной электронной таблицы, отправления электронной почты. Отдельные модели оснащены цветным дисплеем и миниатюрной клавиатурой.

С целью регулирования процесса развития и совершенствования аппаратных средств ПК, обеспечения совместимости с операционными системами Windows 98 и Windows NT 5.0 корпорации Microsoft, Intel, Compaq начиная с 1997 г. разработали спецификацию ПК. При создании ежегодно обновляемых спецификаций, получивших названия РС97, РС98, РС99, РС99А, РС2001, были поставлены следующие цели:

· повысить качество аппаратных и программных средств, упростить работу и удовлетворить разнообразные запросы пользователей;

· наладить производство аппаратных средств и драйверов для работы под управлением Windows 98 как высококачественных, так и дешевых, но обладающих достаточной производительностью;

· способствовать внедрению новых конструкторских и технологических решений при создании новых моделей.

Данные спецификации описывают архитектуру, набор устройств и требования к ним, функции BIOS, конструкцию и тип корпуса ПК и по сути являются руководством для разработчиков аппаратных средств. Согласно данным спецификациям на рынке компьютеров системы IBM PC классифицируются следующим образом.

Consumer PC — ПК для домашнего использования, предназначенный для развлечений и игр, а также ПК, используемый в малом или домашнем офисе — Small Office/Home Office (SOHO).

Office PC — ПК для корпоративного применения, отличающийся от Consumer PC меньшей стоимостью и возможностью работать в локальной сети.

Workstation — рабочая станция, используемая для работы с ресурсоемкими приложениями: системами автоматического проектирования, моделирования, банковскими программами, сложными издательскими системами.

Mobile PC — мобильный ПК.

Entertainment PC — мультимедийный ПК, ориентированный на игры с 2Б/ЗБ-графикой и звуковым сопровождением; работу Internet; обеспечение персональной связи (электронная почта, видеотелефонная связь); интерактивное телевидение с большим разрешением. Кроме того, мультимедийный ПК может быть использован в звуковой системе домашнего кинотеатра; для игр и просмотра DVD-фильмов; в качестве источника видеосигнала для оцифровки изображения видеомагнитофона для редактирования и последующего воспроизведения видеосюжета на ПК.

Каждая из категорий ПК должна соответствовать базовому набору характеристик персонального компьютера, установленному в соответствующей спецификации. В табл. 2.2 приведены различные системные требования к базовым ПК различных спецификаций, а в табл. 2.3 — основные характеристики различных категорий ПК согласно спецификации PC 99A.

Таблица 2.2

Основные характеристики спецификаций ПК

Примечание: + да; - нет; + - рекомендуется.

Таблица 2.3

Основные характеристики различных категорий ПК согласно спецификации PC 99A

Примечание: + да; - нет; + - рекомендуется.

Контрольные вопросы

1. Перечислить основные этапы развития ВТ. Характерные особенности каждого из этапов (поколения ЭВМ).

2. Раскрыть понятие архитектуры ЭВМ.

3. Что определяет структура вычислительного средства?

4. Описать устройство и принцип действия ЭВМ Неймановской архитектуры.

5. Как организуется работа ЭВМ на интеллектуальных контроллерах? Основное назначение контроллера.

6. Перечислить функции основных узлов компьютера: процессор, память, устройства ввода-вывода и др.

7. В чём заключается роль программного обеспечения ВС. Типы программного обеспечения.

8. Привести классификацию ЭВМ по размерам и функциональным возможностям. Характеристики каждого класса.

9. Привести основные характеристики спецификаций ПК.

Тема 2.2. Внутренняя структура вычислительной машины.

План:

1. Материнские платы.

2. Структура и стандарты шин ПК.

3. Основные характеристики процессоров.

4. Оперативная память.

1. Материнские платы

Материнская плата ( Motherboard ) — основной компонент каждого ПК. Называется главной ( Mainboard ), или системной, платой. Это самостоятельный элемент, который управляет внутренними связями и взаимодействует с внешними устройствами. Материнская плата является основным элементом внутри ПК, влияющим на производительность компьютера в целом.

Конструктивно материнская плата является главной платой ПК, на которой размещены все его основные элементы, линии соединения и разъемы для подключения внешних устройств.

Тип установленной материнской платы определяет общую производительность системы, а также возможности модернизации ПК и подключения дополнительных устройств.

Наиболее известными среди фирм — производителей материнских плат в настоящее время являются Intel , FICO , LackyStar , ASUStec .

На рис. 2.4 представлена структура типовой материнской платы:

Рис. 2.4. Структура типовой материнской платы

• процессор, установленный в специальный разъем и охлаждаемый радиатором с вентилятором;

• микросхемы кэш-памяти второго уровня (внешней). В современных процессорах эти микросхемы устанавливаются на плату картриджа центрального процессора;

• слоты для установки модулей оперативной памяти;

• слоты для установки карт расширения. Как правило, на материнских платах имеются разъемы для карт стандарта ISA и PCI. Современные модели материнских плат оборудованы дополнительно слотом AGP. Наличие слотов и возможность установки в них любых карт расширения (видеоадаптера, звуковой карты, модема, карты АЦП и других) определяет открытую архитектуру ПК;

• микросхема перепрограммируемой памяти, в которой хранятся программы BIOS, программы тестирования ПК, загрузки операционной системы, драйверы устройств, начальные установки;

• разъемы для подключения накопителей HDD, FDD.

Все компоненты материнской платы связаны между собой системой проводников (линий), по которым происходит обмен информацией. Эту совокупность линий называют информационной шиной, или просто шиной ( Bus ).

Взаимодействие между компонентами и устройствами ПК, подключенными к разным шинам, осуществляется с помощью так называемых мостов, реализованных на одной из микросхем Chipset. Например, на рис. 2.4 мост для соединения шины ISA и PCI реализован в микросхеме 82371АВ.

Размеры материнской платы, а также отверстия внутри платы, которые соединяют ее с дном корпуса, стандартизованы. Основные типоразмеры материнских плат различных стандартов даны в табл. 2.4.

Таблица 2.4

Основные типоразмеры материнских плат различных стандартов

При выборе материнской платы необходимо согласовать ее размеры с типом корпуса ПК, а при ее установке следует исключить контакт с дном и боковыми металлическими панелями корпуса во избежание короткого замыкания.

Формфактор материнской платы — общая стратегия расположения на ней основных микросхем, слотов, ее форма и размер.

Формат материнских плат типоразмера Baby - AT появился в 1982 г. Материнские платы данного формата могут быть установлены практически в любой корпус, за исключением корпусов уменьшенной высоты и Slimline. Именно поэтому они получили наибольшее распространение. В настоящее время корпорация Intel сняла с производства материнские платы Baby-AT и перешла на выпуск материнских плат спецификации АТХ.

В 1995 г. корпорация Intel предложила новую спецификацию АТХ для материнской платы и корпуса ПК. Спецификация АТХ для материнских плат предусматривает:

1) интеграцию на материнской плате стандартных периферийных устройств: контроллеров дисководов и винчестеров, параллельных и последовательных портов, а также (по мере необходимости) видео- и звуковых адаптеров, модемов и интерфейсов локальных сетей;

2) наличие встроенной двойной панели разъемов ввода/вывода размером 15,9Х4,4 см, находящейся на тыльной стороне материнской платы;

3) изменение местоположения CPU и модулей памяти на материнской плате. CPU и модули памяти располагаются около вентилятора блока питания: они не мешают картам расширения, их легко заменять;

4) перемещение разъемов контроллеров ввода/вывода, интегрированных в материнской плате, ближе к накопителям, что способствует уменьшению длины внутренних кабелей. Все преимущества материнской платы АТХ проявляются в том случае, если она устанавливается в соответствующий корпус. Разработаны следующие модификации материнских плат АТХ: Mini-ATX, Micro АТХ, Flex ATX.

В 1997 г. корпорацией Intel был предложен новый стандарт NLX, который стал дальнейшим развитием стандарта АТХ. Согласно стандарту NLX, в ПК устанавливается так называемая риз ер-карта, имеющая стандартные слоты PCI и ISA, в которые устанавливаются все необходимые карты расширения. Основное отличие ризер-карты состоит в том, что материнская плата устанавливается в специальный слот, называемый NLX Riser Connector . Этот разъем содержит не только информационную шину, но и шину питания. Таким образом, после установки материнская плата автоматически оказывается подключенной к шине питания. На ризер-карте располагаются различные разъемы, которые раньше располагались на материнской плате, — IDE, FDD, USB, блока питания и др. Преимущества стандарта NLX:

· гарантированная возможность замены материнской платы;

· удобный доступ к кабелям, картам расширения, модулям памяти;

· существенное сокращение длины кабелей;

· возможность замены CPU;

· возможность применения двухпроцессорных систем.

2. Структура и стандарты шин ПК

Шиной ( Bus ) называется вся совокупность линий (проводников на материнской плате), по которым обмениваются информацией компоненты и устройства ПК. Шина предназначена для обмена информацией между двумя и более устройствами. Шина, связывающая только два устройства, называется портом. На рис. 2.5 дана схема шины.

Рис. 2.5. Структура шины

Шина имеет места для подключения внешних устройств — слоты, которые в результате становятся частью шины и могут

обмениваться информацией со всеми другими подключенными к ней устройствами.

Шины в ПК различаются по своему функциональному назначению:

• системная шина (или шина CPU) используется микросхема ми Cipset для пересылки информации к CPU и обратно (см. также рис. 2.4);

• шина кэш-памяти предназначена для обмена информацией между CPU и кэш-памятью (см. также рис. 2.4);

• шина памяти используется для обмена информацией между оперативной памятью RAM и CPU;

• шины ввода/вывода информации подразделяются на стандартные и локальные.

Локальная шина ввода/вывода — это скоростная шина, предназначенная для обмена информацией между быстродействующими периферийными устройствами (видеоадаптерами, сетевыми картами, картами сканера и др.) и системной шиной под управлением CPU. В настоящее время в качестве локальной шины используется шина PCI. Для ускорения ввода/вывода видеоданных и повышения производительности ПК при обработке трехмерных изображений корпорацией Intel была разработана шина AGP (Accelerated Graphics Port ).

Стандартная шина ввода/вывода используется для подключения к перечисленным выше шинам более медленных устройств (например, мыши, клавиатуры, модемов, старых звуковых карт). До недавнего времени в качестве этой шины использовалась шина стандарта ISA. В настоящее время — шина USB.

Шина имеет собственную архитектуру, позволяющую реализовать важнейшие ее свойства — возможность параллельного подключения практически неограниченного числа внешних устройств и обеспечение обмена информацией между ними. Архитектура любой шины имеет следующие компоненты:

• линии для обмена данными (шина данных);

• линии для адресации данных (шина адреса);

• линии управления данными (шина управления);

• контроллер шины.

Контроллер шины осуществляет управление процессом обмена данными и служебными сигналами и обычно выполняется в виде отдельной микросхемы либо в виде совместимого набора микросхем — Chipset.

Шина данных обеспечивает обмен данными между CPU, картами расширения, установленными в слоты, и памятью RAM. Чем выше разрядность шины, тем больше данных может быть передано за один такт и тем выше производительность ПК. Компьютеры с процессором 80286 имеют 16-разрядную шину данных, с CPU 80386 и 80486 — 32-разрядную, а компьютеры с CPU семейства Pentium — 64-разрядную шину данных.

Шина адреса служит для указания адреса к какому-либо устройству ПК, с которым CPU производит обмен данными. Каждый компонент ПК, каждый регистр ввода/вывода и ячейка RAM имеют свой адрес и входят в общее адресное пространство PC. По шине адреса передается идентификационный код (адрес) отправителя и (или) получателя данных.

Для ускорения обмена данными используется устройство промежуточного хранения данных — оперативная память — RAM. При этом решающую роль играет объем данных, которые могут временно храниться в ней. Объем зависит от разрядности адресной шины (числа линий) и тем самым от максимально возможного числа адресов, генерируемых процессором на адресной шине, т.е. от количества ячеек RAM, которым может быть присвоен адрес. Количество ячеек RAM не должно превышать 2ⁿ , где п — разрядность адресной шины. В противном случае часть ячеек не будет использоваться, поскольку процессор не сможет адресоваться к ним.

В двоичной системе счисления максимально адресуемый объем памяти равен 2ⁿ , где п — число линий шины адреса.

Процессор 8088, например, имел 20 адресных линий и мог, таким образом, адресовать память объемом 1 Мбайт (2²⁰ =1 048 576 байт= 1024 Кбайт). В ПК с процессором 80286 разрядность адресной шины была увеличена до 24 бит, а процессоры 80486, Pentium, Pentium MMX и Pentium II имеют уже 32-разрядную шину адреса, с помощью которой можно адресовать 4 Гбайт памяти.

Шина управления передает ряд служебных сигналов: записи/считывания, готовности к приему/передаче данных, подтверждения приема данных, аппаратного прерывания, управления и других, чтобы обеспечить передачу данных.

2.1. Основные характеристики шины

Разрядность шины определяется числом параллельных проводников, входящих в нее. Первая шина ISA для IBM PC была восьмиразрядной, т. е. по ней можно было одновременно передавать 8 бит. Системные шины современных ПК, например, Pentium IV — 64-разрядные.

Пропускная способность шины определяется количеством байт информации, передаваемых по шине за секунду. Для определения пропускной способности шины необходимо умножить тактовую частоту шины на ее разрядность. Например, для 16-разрядной шины ISA пропускная способность определяется так:

(16 бит • 8,33 МГц): 8 = 16,66 Мбайт/с.

При расчете пропускной способности, например шины AGP, следует учитывать режим ее работы: благодаря увеличению в два раза тактовой частоты видеопроцессора и изменению протокола передачи данных удалось повысить пропускную способность шины в два (режим 2х) или в четыре (режим 4х) раза, что эквивалентно увеличению тактовой частоты шины в соответствующее число раз (до 133 и 266 МГц соответственно).

Внешние устройства к шинам подключаются посредством интерфейса ( Interface — сопряжение) , представляющего собой совокупность различных характеристик какого-либо периферийного устройства ПК, определяющих организацию обмена информацией между ним и центральным процессором.

К числу таких характеристик относятся электрические и временные параметры, набор управляющих сигналов, протокол обмена данными и конструктивные особенности подключения. Обмен данными между компонентами ПК возможен только если интерфейсы этих компонентов совместимы.

2.2. Стандарты шин ПК

Принцип IBM-совместимости подразумевает стандартизацию интерфейсов отдельных компонентов ПК, что, в свою очередь, определяет гибкость системы в целом, т.е. возможность по мере необходимости изменять конфигурацию системы и подключать различные периферийные устройства. В случае несовместимости интерфейсов используются контроллеры. Кроме того, гибкость и унификация системы достигаются за счет введения промежуточных стандартных интерфейсов, таких как интерфейсы последовательной и параллельной передачи данных. Эти итерфейсы необходимы для работы наиболее важных периферийных устройств ввода и вывода.

Системная шина предназначена для обмена информацией между CPU, памятью и другими устройствами, входящими в систему. К системным шинам относятся:

GTL, имеющая разрядность 64 бит, тактовую частоту 66, 100 и 133 МГц;

EV6, спецификация которой позволяет повысить ее тактовую частоту до 377 МГц.

Шины ввода/вывода совершенствуются в соответствии с развитием периферийных устройств ПК. В табл. 2.5 представлены характеристики некоторых шин ввода/вывода.

Шина ISA в течение многих лет считалась стандартом ПК, однако и до сих пор сохраняется в некоторых ПК наряду с современной шиной PCI. Корпорация Intel совместно с Microsoft разработала стратегию постепенного отказа от шины ISA. Вначале планируется исключить ISA-разъемы на материнской плате, а впоследствии

Таблица 2.5

Характеристики шин ввода/вывода

исключить слоты ISA и подключать дисководы, мыши, клавиатуры, сканеры к шине USB, а винчестеры, приводы CD-ROM, DVD-ROM — к шине IEEE 1394. Однако наличие огромного парка ПК с шиной ISA и соответствующих комплектующих позволяет предполагать, что 16-разрядная шина ISA будет востребована еще на протяжении некоторого времени.

Шина EISA стала дальнейшим развитием шины ISA в направлении повышения производительности системы и совместимости ее компонентов. Шина не получила широкого распространения в связи с ее высокой стоимостью и пропускной способностью, уступающей пропускной способности появившейся на рынке шины VESA.

Шина VESA , или VLB , предназначена для связи CPU с быстрыми периферийными устройствами и представляет собой расширение шины ISA для обмена видеоданными. Во времена преобладания на компьютерном рынке процессора CPU 80486 шина VLB была достаточно популярна, однако в настоящее время ее вытеснила более производительная шина PCI.

Шина PCI была разработана фирмой Intel для процессора Pentium и представляет собой совершенно новую шину. Основополагающим принципом, положенным в основу шины PCI, является применение так называемых мостов ( Bridges ), которые осуществляют связь между шиной PCI и другими типами шин. В шине PCI реализован принцип Bus Mastering, который подразумевает способность внешнего устройства при пересылке данных управлять шиной (без участия CPU). Во время передачи информации устройство, поддерживающее Bus Mastering, захватывает шину и становится главным. В этом случае центральный процессор освобождается для решения других задач, пока происходит передача данных. В современных материнских платах тактовая частота шины PCI задается как половина тактовой частоты системной шины, т.е. при тактовой частоте системной шины 66 МГц шина PCI будет работать на частоте 33 МГц. В настоящее время шина PCI стала фактическим стандартом среди шин ввода/вывода. На рис. 2.6 дана архитектура шины PCI.

Рис. 2.6. Архитектура шины PCI

Шина AGP — высокоскоростная локальная шина ввода/вывода, предназначенная исключительно для нужд видеосистемы.

Она связывает видеоадаптер (ЗБ-акселератор) с системной памятью ПК. Шина AGP была разработана на основе архитектуры шины РС1, поэтому она также является 32-разрядной. Однако при этом у нее есть дополнительные возможности увеличения пропускной способности, в частности, за счет использования более высоких тактовых частот. Если в стандартном варианте 32-разрядная шина PCI имеет тактовую частоту 33 МГц, что обеспечивает теоретическую пропускную способность PCI 33 х 32= 1056 Мбит/с= 132 Мбайт/с, то шина AGP тактуется сигналом с частотой 66 МГц, поэтому ее пропускная способность в режиме 1х составляет 66 х 32 = 264 Мбайт/с; в режиме 2х эквивалентная тактовая частота составляет

Рис. 2.7. Архитектура шины USB

132 МГц, а пропускная способность — 528 Мбайт/с; в режиме 4х пропускная способность около 1 Гбайт/с.

Шина USB была разработана лидерами компьютерной и телекоммуникационной промышленности Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft для подключения периферийных устройств вне корпуса PC. Скорость обмена информацией по шине USB составляет 12 Мбит/с или 15 Мбайт/с. К компьютерам, оборудованным шиной USB, можно подключать такие периферийные устройства, как клавиатура, мышь, джойстик, принтер, не выключая питания. Шина USB поддерживает технологию Plug & Play. При подсоединении периферийного устройства его конфигурирование осуществляется автоматически. Все периферийные устройства должны быть оборудованы разъемами USB и подключаться к ПК через отдельный выносной блок, называемый USB-хабом, или концентратором, с помощью которого к ПК можно подключить до 127 периферийных устройств. Архитектура шины USB представлена на рис. 2.7.

Шина SCSI ( Small Computer System Interface ) обеспечивает скорость передачи данных до 320 Мбайт/с и предусматривает подключение к одному адаптеру до восьми устройств: винчестеры, приводы CD-ROM, сканеры, фото- и видеокамеры. Отличительной особенностью шины SCSI является то, что она представляет собой кабельный шлейф. С шинами PC (ISA или PCI) шина SCSI связана через хост-адаптер ( Host Adapter ). Каждое устройство, подключенное к шине, имеет свой идентификационный номер (ID). Любое устройство, подключенное к шине SCSI, может инициировать обмен с другим устройством.

На рис. 2.8 показано подключение периферийных устройств к ПК с помощью шины SCSI. Существует широкий диапазон версий SCSI, начиная от первой версии SCSI I, обеспечивающей максимальную пропускную способность 5 Мбайт/с, и до версии Ultra 320 с максимальной пропускной способностью 320 Мбайт/с. С шиной SCSI может конкурировать шина IEEE 1394.

Шина IEEE 1394 — это стандарт высокоскоростной локальной последовательной шины, разработанный фирмами Apple и Texas Instruments. Шина IEEE 1394 предназначена для обмена цифровой информацией между ПК и другими электронными устройствами, особенно для подключения жестких дисков и устройств обработки аудио- и видеоинформации, а также работы мультимедийных приложений. Она способна передавать данные со скоростью до 1600 Мбит/с, работать одновременно с несколькими устройствами, передающими данные с разными скоростями, как и SCSI. Как и USB, шина IEEE 1394 полностью поддерживает технологию Plug & Play, включая возможность установки компонентов без отключения питания ПК.

Рис. 2.8. Шина SCSI с подключенными устройствами

Подключать к компьютеру через интерфейс IEEE 1394 можно практически любые устройства, способные работать с SCSI. К ним относятся все виды накопителей на дисках, включая жесткие, оптические, CD-ROM, DVD, цифровые видеокамеры, устройства записи на магнитную ленту и многие другие периферийные устройства. Благодаря таким широким возможностям, эта шина стала наиболее перспективной для объединения компьютера с бытовой электроникой. В настоящее время уже выпускаются адаптеры IEEE 1394 для шины PCI.

2.3. Последовательный и параллельный порты

Такие устройства ввода и вывода, как клавиатура, мышь, монитор и принтер, входят в стандартную комплектацию ПК. Все периферийные устройства ввода должны коммутироваться с ПК таким образом, чтобы данные, вводимые пользователем, могли не только корректно поступать в компьютер, но и в дальнейшем эффективно обрабатываться. Для обмена данными и связи между периферией (устройствами ввода/вывода) и модулем обработки данных (материнской платой) может быть организована параллельная или последовательная передача данных.

Параллельная связь означает, что все 8 бит (или 1 байт) пересылаются и передаются не один за другим, а одновременно (параллельно) или, точнее, каждый по своему проводу. Принцип параллельной передачи данных становится очевидным, если рассмотреть кабель, подсоединенный к разъему параллельного интерфейса, например кабель принтера. Он значительно толще, чем последовательный кабель мыши, поскольку кабель для параллельной передачи данных должен как минимум содержать восемь проводов, каждый из которых предназначен для передачи одного бита.

Параллельные интерфейсы разрабатывает фирма Centronics , поэтому параллельный интерфейс часто называют интерфейсом Centronics.

Параллельный интерфейс для принтера обычно обозначают LPT ( Line Printer ). Первый подключенный принтер обозначается как от LPT1, а второй — как от LPT2.

Существуют несколько типов параллельных портов: стандартный, ЕРР и ЕСР.

Стандартный параллельный порт предназначен только для односторонней передачи информации от ПК к принтеру, что заложено в электрической схеме порта. Он обеспечивает максимальную скорость передачи данных от 120 до 200 Кбайт/с.

Порт EPP является двунаправленным, т.е. обеспечивает параллельную передачу 8 бит данных в обоих направлениях и полностью совместим со стандартным портом. Порт ЕРР передает и принимает данные почти в шесть раз быстрее стандартного параллельного порта, чему способствует то, что порт ЕРР имеет буфер, сохраняющий передаваемые и принимаемые символы до момента, когда принтер будет готов их принять. Специальный режим позволяет порту ЕРР передавать блоки данных непосредственно из RAM PC в принтер и обратно, минуя процессор. При использовании надлежащего программного обеспечения порт ЕРР может передавать и принимать данные со скоростью до 2 Мбит/с.

Порт ЕСР, обладая всеми возможностями порта ЕРР, обеспечивает повышенную скорость передачи данных за счет функции сжатия данных. Для сжатия данных используется метод RLE ( Run Length Encoding ), согласно которому длинная последовательность одинаковых символов передается всего лишь двумя байтами: один байт определяет повторяющийся символ, а второй — число повторений. При этом стандарт ЕСР допускает сжатие и распаковку данных как программно (путем применения драйвера), так и аппаратно (схемой порта). Данная функция не является обязательной, поэтому порты, периферийные устройства и программы могут ее и не поддерживать. Она может быть реализована, когда режим сжатия данных поддерживается как портом ЕСР, так и принтером. Увеличение скорости передачи данных с помощью порта ЕСР существенно уменьшает время распечатки данных на принтере.

Использование преимуществ функциональных возможностей портов ЕСР и ЕРР возможно при наличии компьютера, оборудованного одним из этих стандартов.

Последовательная связь осуществляется побитно: отдельные биты пересылаются (или принимаются) последовательно один за другим по одному проводу, при этом возможен обмен данными в двух направлениях, прием и передача данных осуществляются с одинаковой тактовой частотой. Для последовательных интерфейсов выбор подключаемых устройств значительно шире, поэтому большинство ПК обычно оборудовано двумя интерфейсными разъемами для последовательной передачи данных. В качестве стандартного обозначения для последовательного интерфейса чаще всего используют RS-232, RS-422, RS-465. Разъемы последовательного интерфейса на ПК представляют собой 9-контактный (вилка) Sub-D или 25-контактный (вилка) Sub-D.

Для установления связи между двумя последовательными интерфейсами предварительно необходимо сконфигурировать их соответствующим образом, т.е. указать, как будет осуществляться обмен данными: скорость обмена, формат данных, контроль четности и т. п. Аппаратное конфигурирование интерфейса путем соответствующей установки джамперов или переключателей неудобно, поскольку приходится вскрывать корпус ПК. Обычно конфигурирование последовательного интерфейса осуществляется программным способом, тем более что среда Windows предоставляет такую возможность.

3. Основные характеристики процессоров

Процессор, или центральный процессор, представляет собой «сердце» материнской платы, поскольку находится в постоянном взаимодействии с другими элементами материнской платы до тех пор, пока ПК включен.

Признанный лидер в производстве процессоров для IBM PC-совместимых компьютеров — компания Intel , основанная в июне 1968 г. Основным конкурентом Intel является корпорация AMD ( Advanced Micro Devices ), которая в последнее время заметно потеснила Intel на рынке CPU, предназначенных для недорогих ПК. Выпускают CPU и другие фирмы: Cyrix , Centaur , IDT , Rise .

Процессоры подразделяются по типам. Обозначение CPU для ПК начинается с 80, затем следуют две или три цифры, которые при необходимости дополняются буквами или цифрами, указывающими тактовую частоту процессора. Перед обозначением типа процессора чаще всего имеется сокращение, идентифицирующее изготовителя. Например, маркировка i80486DX-50 обозначает процессор типа 80486, изготовленный фирмой Intel, работающий на тактовой частоте 50 МГц. Микросхемы фирмы AMD маркируются префиксом AMD , а процессоры Cyrix — СХ. При запуске ПК эти буквы появляются на экране монитора перед номером типа процессора.

На любом процессорном кристалле находятся:

1. процессор, главное вычислительное устройство, осуществляющее арифметические и логические операции над данными, состоит из миллионов логических элементов — транзисторов;

2. сопроцессор — специальный блок для операций с «плавающей точкой» (или запятой). Применяется для особо точных и сложных расчетов, а также для работы с рядом графических программ;

3. кэш-память первого уровня — сверхбыстрая память, предназначенная для хранения промежуточных результатов вычислений;

4. кэш-память второго уровня.

5. Все эти устройства размещаются на кристалле площадью не более 6 см² . Только под микроскопом можно разглядеть элементы, из которых состоит микропроцессор.

Производительность CPU характеризуется следующими основными параметрами:

• степень интеграции;

• разрядность обрабатываемых данных;

• тактовая частота;

• память, к которой может адресоваться CPU;

• объем установленной кэш-памяти.

Кроме того, CPU различаются по технологии производства, напряжению питания, формфактору и др.

Исходя из технических характеристик и тенденций развития и совершенствования, выделяют семь поколений процессоров.

Степень интеграции микросхемы CPU (чипа) показывает, какое число транзисторов в ней умещается. Если в чипе процессоров первого поколения (8086/8088) помещалось 0,029 млн транзисторов, то в современных процессорах — свыше 28 млн. Специалисты предсказывают, что к 2011 г. в каждом процессоре будет располагаться до 1 млрд транзисторов.

Разрядность обрабатываемых данных определяется количеством бит информации, которое процессор может обрабатывать одновременно: 16, 32 или 64.

Тактовая частота ПК определяется частотой работы тактового генератора (System Clock), который синхронизирует работу различных компонентов. Частота работы тактового генератора измеряется в мегагерцах. Если первые ПК имели один тактовый генератор, который с частотой 8 МГц синхронизировал работу процессора, памяти, шины ввода/вывода, то в современных ПК имеется несколько тактовых генераторов, работающих синхронно на разных частотах. Частота системы ПК определяется частотой системной шины, причем тактовые частоты всех остальных компонентов ПК являются кратными частоте системной шины. Например, тактовые частоты различных компонентов системы ПК с CPU Pentium II, работающего с тактовой частотой 266 МГц, составляют (в МГц) 66 — для системной шины; 133 — для кэш-памяти второго уровня; 33 — для шины PCI и 8,3 — для шины ISA. Таким образом, производительность всей системы в целом зависит от тактовой частоты системной шины.

Объем памяти, к которой может адресоваться CPU, определяется объемом оперативной памяти ПК, поскольку данные, которые обрабатывает CPU, должны располагаться в RAM. Если процессоры ПК первого поколения имели максимальный объем адресуемой памяти 1 Мбайт, то у процессоров шестого и седьмого поколений эта величина составляет 64 Гбайт.

3.1. Особенности процессоров различных поколений

Процессоры первого и второго поколений представлены CPU 8086/ 8088 и 80286. Процессор 8086/8088 имел тактовую частоту 4,77 МГц и оперативную память 256 Кбайт. Процессор второго поколения имел защищенный режим работы, позволявший обращаться к 16 Мбайт физической и 1 Гбайт виртуальной памяти. Лучшие из процессоров 80286 достигли тактовой частоты в 20 МГц.

Процессоры третьего поколения 80386 отличались от своих предшественников возможностью работы в виртуальном режиме, наличием внешней кэш-памяти CPU, расположенной на материнской плате, и 32-разрядным ядром CPU. 32-разрядный процессор 386 DX имел тактовую частоту уже 33 МГц, обеспечивал адресацию физической памяти до 4 Гбайт и виртуальной — до 64 Гбайт.

Процессоры четвертого поколения 80486 отличаются от процессоров третьего поколения тем, что в само ядро CPU интегрированы кэш-память и сопроцессор, а также реализована конвейеризация вычислений.

Сопроцессор, или математический процессор ( Numeric Processing Unit — NPU ), предназначен для выполнения арифметических действий с плавающей точкой. Он не управляет системой, а ждет команду от CPU на выполнение арифметических действий и формирование результатов. Фирма Intel полагает, что сопроцессор может на 80 % сократить время выполнения таких операций, как умножение и возведение в степень.

Типичными представителями CPU четвертого поколения являются 80486DX и 80486SX с соответствующими диапазонами тактовых частот 33 — 50 МГц и 2 —33 МГц. В 80486SX отсутствует интегрированный сопроцессор. В обозначениях процессоров 80486DX/2 и 80486DX/4 символы «/2» и «/4» означают, что процессор работает с тактовой частотой соответственно в два и четыре раза выше, чем частота системной шины. CPU 80486DX/4 позволяет увеличить тактовую частоту в четыре раза и содержит 16 Кбайт внутренней кэш-памяти.

Процессоры пятого поколения типа Pentium поддерживают 64-разрядную системную шину с тактовой частотой 66 МГц, имеют технологию предсказания переходов и параллельной конвейерной обработки данных с помощью двух пятиступенчатых конвейеров. Предсказание переходов реализуется благодаря хранению данных о последних 256 переходах в специальном буфере адреса перехода. Кэш-память объемом 16 Кбайт разделена на память данных и память команд по 8 Кбайт, что исключает пересечение команд и данных.

Процессоры Pentium принято подразделять по поколениям в соответствии с хронологией выхода на компьютерный рынок и техническими характеристиками. CPU Pentium первого поколения представляет собой 32-разрядный процессор, работающий на тактовой частоте 60 и 66 МГц. В начале тактовая частота CPU Pentium второго поколения составляла 90 и 100 МГц, но в настоящее время она достигает 200 МГц. Основное отличие Pentium второго и третьего поколений в том, что ядро процессоров третьего поколения производится по технологии, обеспечивающей размер элемента ядра процессора 0,25 мкм, в то время как у Pentium первого и второго поколений эта величина составляла 0,8 и 0,35 мкм соответственно. Конкуренцию CPU Pentium производства компании Intel на компьютерном рынке составляют процессоры AMD K5 производства компании Advanced Micro Devices и Cyrix 6x86 (Cyrix Corporation), которые по ряду характеристик превосходят CPU Pentium.

Процессоры Pentium MMX ориентированы на решение задач мультимедиа и содержат схемотехнические и архитектурные решения, существенно повышающие производительность: вдвое увеличен размер кэш-памяти (16 Кбайт для данных и 16 Кбайт для команд); увеличена до шести шагов длина конвейера. Скорость выполнения программ увеличена на 10— 15 %, причем особые преимущества получают любители компьютерных игр, видеофильмов на CD-ROM и профессионалы-дизайнеры.

Процессоры шестого поколения поддерживают 64-разрядную системную шину и работу многопроцессорных систем. Первый CPU шестого поколения фирмы Intel носит имя Pentium Pro. По сравнению с Pentium процессоры Pentium Pro имеют не два, а четыре конвейера с увеличением ступеней при конвейерной обработке данных с пяти до 14, усовершенствованную технологию предсказания переходов. Особенностью CPU Pentium Pro является интегрированная кэш-память второго уровня, которая за счет перемещения с материнской платы в CPU может работать на максимальной частоте CPU. CPU Pentium Pro предназначен для пользователей, работающих с мощными вычислительными средствами.

Процессор Pentium II сочетает архитектуру Pentium Pro с технологией ММХ. Тактовая частота CPU Pentium II находится в диапазоне от 233 до 450 МГц, а системной шины его материнской платы — от 66 до 100 МГц.

Pentium III , пришедший на смену Pentium II, расширяет возможности обработки изображений, потоков аудио- и видеоданных, распознавания речи, имеет тактовую частоту процессора свыше 600 МГц и системной шины до 1,33 ГГц.

CPU семейства Celeron представляют собой версию Pentium II, предназначенную ускорить процесс перехода пользователей на новое поколение процессоров.

Процессоры семейства AMD K 6-2 фирмы AMD имеют в ядре CPU модуль с конвейерной структурой для ускоренной обработки инструкций трехмерной графики, аудио- и видеоданных, что увеличивает производительность процессора, который работает на тактовой частоте от 266 до 450 МГц при частоте системной шины 66, 95 и 100 МГц. В ядро процессора AMD K6-3 интегрировано 256 Кбайт кэш-памяти второго уровня, работающей на частоте процессора, а на материнской плате располагается кэш-память третьего уровня объемом от 512 до 2048 Кбайт.

Процессоры седьмого поколения имеют собственную частоту свыше 1 ГГц и поддерживают новую системную шину с тактовой частотой до 400 МГц. CPU K -7 корпорации AMD получили название Athlon . CPU Athlon первого поколения основаны на технологии 0,22 мкм и имели тактовую частоту до 700 МГц, а второго поколения при переходе на технологию 0,18 мкм достигают частоты 1000 МГц.

CPU Pentium IV (Willamate), по сути модернизация Pentium Pro, имеет тактовую частоту 1500 ГГц и использует системную шину Quard Pumped с тактовой частотой 100 МГц. Объем кэш-памяти первого уровня составляет 256 Кбайт, а второго — от 512 до 1024 Кбайт.

Дальнейшее совершенствование процессоров связано с переходом на новую технологию производства процессоров. Так, компания Intel в 2000 г. перешла на технологию, обеспечивающую размер элемента ядра процессора 0,13 мкм, а к 2005 г. планирует освоить технологию, обеспечивающую 0,035 мкм.

Выбор типа процессора определяется прежде всего теми задачами, для решения которых будет использован ПК. Если задачи ограничиваются работой в Microsoft Office или играми невысокой сложности, то выбирать ПК с CPU седьмого поколения довольно расточительно. Выбирая конфигурацию ПК и ориентируясь на определенный тип CPU, полезно помнить закон, открытый в 1965 г. Гордоном Муром, одним из основателей фирмы Intel: «Мощность CPU удваивается каждые полтора года при сохранении его стоимости».

4. Оперативная память

Оперативная память, или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), предназначено для приема, хранения и выдачи информации и представляет собой самую быстродействующую запоминающую систему компьютера. Оперативная память обозначается RAM ( Random Access Memory — память с произвольным доступом). Процессор имеет возможность выполнять программы только после того, как они загружены в оперативную рабочую память, т.е. в память, доступную для программ пользователя. CPU имеет непосредственный доступ к данным, находящимся в оперативной памяти, а к внешней памяти (на гибких или жестких дисках) — через буфер, являющийся также разновидностью оперативной памяти. Работа программ, загруженных с внешнего носителя, возможна только после того, как она будет скопирована в RAM.

Однако оперативная память имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что она временная, т.е. при отключении питания оперативная память полностью очищается. При этом данные, не записанные на внешний носитель, будут утеряны. Основная задача RAM — предоставлять необходимую информацию в виде двоичных кодов по запросам CPU, т. е. данные в любой момент должны быть доступны для обработки. Оперативная память относится к категории динамической памяти: ее содержимое остается неизменным в течение короткого промежутка времени, что требует периодического обновления памяти.

Конструктивно оперативная память выполняется в виде модулей микросхем, что позволяет дополнять объем оперативной памяти, которая используется не только в ПК, но и в самых разных периферийных устройствах — от видеокарт до лазерных принтеров. Микросхемы оперативной памяти в этом случае могут принадлежать к разным модификациям, но все они относятся к типу динамической оперативной памяти (DRAM).

4.1. Характеристики микросхем памяти

Основными характеристиками микросхем памяти различных типов являются:

• объем;

• разрядность;

• быстродействие;

• временная диаграмма (циклограмма).

Разрядность шины ввода/вывода микросхемы определяется числом ее линий ввода/вывода.

Общий объем микросхемы памяти определяется произведением глубины адресного пространства на количество линий ввода/вывода (разрядов). Глубиной адресного пространства микросхемы памяти называется количество бит информации, которое хранится в ячейках памяти. В частности, емкость микросхемы памяти, имеющей глубину адресного пространства 1 Мбайт и четыре линии ввода/вывода (четырехразрядную шину ввода/вывода), составляет 1 Мбит><4 = 4 Мбит. Такая микросхема обозначается 1x4, 1Мх4, хх4400либо хх4401.

Быстродействие микросхемы динамической памяти определяется суммой времени последовательного выполнения элементарных действий между двумя операциями чтения либо записи данных — рабочим циклом (или циклом обращения). Он включает четыре последовательных операции считывания данных: выбор строки (RAS); выбор столбца (CAS), чтение или запись. Время, необходимое для чтения или записи данных, хранящихся по случайному адресу, называется временем доступа ( Access time ). Для современных микросхем оно составляет 40 — 60 не, что соответствует частоте появления данных 16,7 — 25 МГц на входе/выходе микросхемы.

При установке на материнскую плату не следует использовать элементы памяти различных фирм. Но, если не удается избежать смешения неоднородных элементов, необходимо следить, чтобы время доступа не различалось более чем на 10 не, поскольку могут возникнуть серьезные проблемы.

Временная диаграмма характеризует число тактов, которые необходимы CPU для выполнения четырех последовательных операций считывания данных. Между CPU и элементами памяти недопустимо временное рассогласование, обусловленное различным быстродействием этих компонентов. Однако даже самые современные микросхемы не могут работать с частотой более 50 МГц, поэтому CPU периодически простаивает.

Для того чтобы 4-разрядная микросхема памяти работала с 32-разрядной системной шиной CPU 80486 или 64-разрядной шиной CPU Pentium, их взаимодействие организуется через контроллер памяти, причем не с одной, а с несколькими микросхемами памяти, сформированными в банки памяти. Количество микросхем памяти в одном банке определяется соотношением разрядности системной шины и разрядности микросхемы памяти.

Как правило, на материнскую плату устанавливаются не отдельные микросхемы памяти, а модули памяти: SI ММ-модули и DIMM -модули. Модули представляют собой микросхемы, объединенные на специальных печатных платах вместе с некоторыми дополнительными элементами. Разрядность модулей памяти определяется разрядностью микросхем памяти, установленных на плате: 30-контактные SIMM-модули — 8-разрядные; 72-контактные SIMM-модули — 32-разрядные, а DIMM-модули — 64-разрядные.

72-контактные SIMM-модули необходимо устанавливать только парами, поскольку каждый представляет собой половину стандартного банка памяти. 168-контактные DIMM-модули можно устанавливать по одному, причем каждый из них может вмещать до 512 Мбайт оперативной памяти. 64 Мбайт — минимальный объем оперативной памяти для ПК, работающих под Windows 98. При этом практика показывает, что через каждые два года требования к объему оперативной памяти удваиваются.

RIMM -модулъ — высокоскоростной модуль оперативной памяти, разработанный компанией Rambus совместно с Intel . Отличается от DIMM-модуля тем, что имеет 184 контакта и металлический экран, обеспечивающий защиту от наводок и взаимного влияния высокочастотных модулей.

4.2. Распространенные типы памяти

FRM DRAM — широкораспространенная память, появившаяся в моделях ПК с CPU 80486 и позволившая обеспечить время доступа 60 не. Однако микросхемы этого типа не могли работать с CPU, частота которого превышала 28 МГц.

EDO DRAM — основной тип памяти процессоров Pentium. Память этого типа работает на частоте системной шины не более 66 МГц со временем доступа от 50 до 70 не. Модули EDO используются в основном для модернизации встроенной памяти на некоторых моделях внешних устройств (например, лазерных принтеров).

SDRAM -модули устанавливаются в ПК с процессором Pentium III, обеспечивают высокое быстродействие за счет снижения времени доступа до 7 —9 нс. Пропускная способность SDRAM-модулей составляет от 246 до 1000 Мбайт/с. Современные микросхемы SDRAM могут работать на тактовых частотах от 66 до 150 МГц.

Большинство модулей оперативной памяти, выпущенных в 1999 — 2000 гг., содержат две дополнительные микросхемы: SPD иЕСС.

SPD — микросхема, установленная на модуле памяти DIMM, содержит подробную информацию о типе установленной памяти и некоторые другие параметры. Материнские платы, выпускаемые фирмой Intel, не работают с модулями памяти без SPD.

ЕСС — тип модулей памяти с возможностью коррекции ошибок, что обеспечивает повышение надежности.

RDRAM , или Rambus DRAM, разработана компанией Rambus Inc как память XXI в., обеспечивающая время доступа 4 не, скорость передачи данных до 6 Гбайт/с и поддерживающая рабочую частоту шины до 800 МГц. Однако значительная часть устройств, подключенных к компьютеру, оснащенному RDRAM, не выдерживает столь резкого повышения частоты системной шины: даже при частоте 133 МГц у некоторых моделей жестких дисков, звуковых карт и видеокарт возникают проблемы.

DDR SDRAM — усовершенствованный вариант SDRAM-моду-лей, разработанный корпорацией Samsung и обеспечивающий пропускную способность 2,5 Гбайт/с при времени доступа 5 — 6 не и рабочей частоте шины 600 — 700 МГц. Особенности архитектуры позволяют DDR SDRAM обрабатывать за такт вдвое больше данных, чем обычная SDRAM. В связи с этим даже на стандартных частотах 100 и 133 МГц ее производительность вдвое выше.

SLDRAM — стандарт модулей памяти, вышедший на компьютерный рынок в 1999 г. и поддерживаемый фирмами Apple, Hewlett-Packard и IBM. Пропускная способность SLDRAM составляет 3,2 Гбайт/с. Дальнейшее увеличение пропускной способности разработчики планируют за счет повышения тактовой частоты системной шины до 800 МГц.

Лидерами по продажам высококачественных модулей памяти на российском рынке являются Kingstone, Micron, Samsung.

Контрольные вопросы

1. Что входит в состав основных компонентов материнской платы ПК?

2. Каково назначение шин ПК?

3. Перечислите основные характеристики шин ПК.

4. Охарактеризовать стандарты шин ПК.

5. В чем отличие шины и порта ПК?

6. Как осуществляется функционирование последовательной и параллельной связи?

7. Какие параметры характеризуют производительность процессора?

8. Опишите особенности процессоров различных поколений.

9. Перечислите основные характеристики микросхем памяти.

10. Охарактеризовать распространённые типы микросхем памяти.

Раздел 3. Накопители информации.

История развития вычислительной техники неразрывно связана с совершенствованием устройств хранения информации (накопителей информации), так как характеристики именно этих устройств в значительной мере определяют характеристики компьютеров.

Накопитель информации — устройство записи, воспроизведения и хранения информации, а носитель информации — это предмет, на который производится запись информации (диск, лента, твердотельный носитель).

Накопители информации могут быть классифицированы по следующим признакам:

• способу хранения информации: магнитоэлектрические, оптические, магнитооптические;

• виду носителя информации: накопители на гибких и жестких магнитных дисках, оптических и магнитооптических дисках, магнитной ленте, твердотельные элементы памяти;

• способу организации доступа к информации — накопители
прямого, последовательного и блочного доступа;

• типу устройства хранения информации — встраиваемые (внутренние), внешние, автономные, мобильные (носимые) и др.

Значительная часть накопителей информации, используемых в настоящее время, создана на базе магнитных носителей.

Физические основы процессов записи и воспроизведения информации на магнитных носителях заложены в работах физиков М.Фарадея (1791-1867) и Д. К. Максвелла (1831-1879). В магнитных носителях информации цифровая запись производится на магниточувствительный материал. К таким материалам относятся некоторые разновидности оксидов железа, никель, кобальт и его соединения, сплавы, а также магнитопласты и магнитоэласты со связкой из пластмасс и резины, микропорошковые магнитные материалы.

Магнитное покрытие имеет толщину в несколько микрометров. Покрытие наносится на немагнитную основу, в качестве которой для магнитных лент и гибких дисков используются различные пластмассы, а для жестких дисков — алюминиевые сплавы и композиционные материалы подложки. Магнитное покрытие диска имеет доменную структуру, т. е. состоит из множества намагниченных мельчайших частиц. Магнитный домен (от лат. dominium — владение) — это микроскопическая, однородно намагниченная область в ферромагнитных образцах, отделенная от соседних областей тонкими переходными слоями (доменными границами). Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с направлением магнитных силовых линий. После прекращения воздействия внешнего поля на поверхности домена образуются зоны остаточной намагниченности. Благодаря этому свойству на магнитном носителе сохраняется информация о действовавшем магнитном поле. При записи информации внешнее магнитное поле создается с помощью магнитной головки. В процессе считывания информации зоны остаточной намагниченности, оказавшись напротив магнитной головки, наводят в ней при считывании электродвижущую силу (ЭДС). Схема записи и чтения с магнитного диска дана на рис. 3.1. Изменение направления ЭДС в течение некоторого промежутка времени отождествляется с двоичной единицей, а отсутствие этого изменения — с нулем. Указанный промежуток времени называется битовым элементом.

Рис. 3.1 . Запись и чтение данных с магнитного диска

Поверхность магнитного носителя рассматривается как последовательность точечных позиций, каждая из которых ассоциируется с битом информации. Поскольку расположение этих позиций определяется неточно, для записи требуются заранее нанесенные метки, которые помогают находить необходимые позиции записи. Для нанесения таких синхронизирующих меток должно быть произведено разбиение диска на дорожки и секторы — форматирование.

Организация быстрого доступа к информации на диске является важным этапом хранения данных. Оперативный доступ к любой части поверхности диска обеспечивается, во-первых, за счет придания ему быстрого вращения и, во-вторых, путем перемещения магнитной головки чтения/записи по радиусу диска. Гибкий диск вращается со скоростью 300—360 об/мин, а жесткий диск — 3600— 7200 об/мин.

Тема 3.1. Накопители на магнитных дисках.

План:

5. Накопители на гибких магнитных дисках.

6. Накопители на жёстких магнитных дисках

6.1 Конструкция и принцип действия.

6.2 Интерфейсы жёстких дисков.

6.3 Основные характеристики.

1. Накопители на гибких магнитных дисках.

Накопители на гибких дисках относятся к устройствам долговременного хранения информации. Первый гибкий магнитный диск (ГМД) был создан в 1971 г. в лаборатории фирмы IBM, возглавляемой А. Шугартом, и имел диаметр 8". С 1975 г. начался серийный выпуск дисководов формата 5,25", а в 1981 г. стали стандартом диски диаметром 3,5". В 1986 г. фирма IBM начала выпуск гибких магнитных дисков (ГМД или дискет) 3,5" емкостью 720 Кбайт, а в 1987 г. многие фирмы-производители начали выпуск ГМД 3,5"емкостью 1,44 Мбайт. Фирма Toshiba в 1989 г. разработала новые диски емкостью 2,88 Мбайт. В настоящее время наибольшее распространение получили диски диаметром 3,5".

Для записи и считывания информации с ГМД используются периферийные устройства ПК — дисководы ( Floppy Dick Drive — FDD ).

Конструктивно дисковод состоит из механических и электронных узлов: рабочего двигателя, рабочей головки, шагового двигателя и управляющей электроники.

Рабочий двигатель включается тогда, когда в дисковод вставлена дискета. Двигатель обеспечивает постоянную скорость вращения дискеты: для дисковода 3,5"— 300 об/мин. Время запуска двигателя — около 400 мс.

Рабочие головки служат для чтения и записи информации и располагаются над рабочей поверхностью дискеты. Поскольку обычно дискеты являются двухсторонними, т. е. имеют две рабочие поверхности, одна головка предназначена для верхней, а другая — для нижней поверхности дискеты.

Шаговые двигатели обеспечивают позиционирование и движение рабочих головок. Именно они издают характерный звук уже при включении ПК, перемещая головки для проверки работоспособности привода.

Управляющие электронные элементы дисковода чаще всего размещаются с его нижней стороны. Они выполняют функции передачи сигналов к контроллеру, т.е. отвечают за преобразование информации, которую считывают или записывают головки.

Для дискет размером 3,5"и емкостью 2,88 Мбайт, называемых ED дискетами ( Extra High Density ), разработан специальный стандарт дисководов, поскольку обычные дисководы не могут работать с такими дискетами. Кроме того, для установки в малогабаритные корпуса выпускаются специальные дисководы (Slimline дисководы 3,5"), которые имеют уменьшенную высоту (19,5 мм) по сравнению с обычными 3,5" FDD (25,4 мм).

В качестве посредника между дисководом и ПК служит контроллер. В современных ПК на материнских платах контроллер уже установлен. Он интегрирован в одну из микросхем Chipset, а на материнской плате имеется специальный разъем для подключения кабелей. Современные котроллеры поддерживают два FDD, обеспечивают скорость обмена данными до 62 Кбайт/с для стандартных накопителей на дисках 3,5".

Дискеты ( Floppe Disk Driver , сокращенно Floppy ) формата 3,5" являются современными носителями информации для приводов FDD.

На рис. 3.2 показано устройство дискеты 3,5". Рис. 3.2. Конструкция дискеты размером 3,5"

Внутри футляра (корпуса) находится пластмассовый диск с нанесенным на него магнитным слоем — магнитный диск. На всех футлярах имеется вырез, защищенный легко перемещаемой шторкой для защиты диска от механических повреждений. После установки дискеты в дисковод шторка автоматически сдвигается и предоставляет доступ к диску для головок чтения/записи. Поскольку сам диск постоянно вращается внутри футляра, головки «просматривают» всю область дискеты, находясь при этом в постоянном контакте с ее поверхностью. Дискета снабжена отверстием со скользящей пластиковой задвижкой. Если задвижка не закрывает отверстие, то дискета защищена от записи. В основном в компьютерах применяются накопители на дискетах 3,5" емкостью 1,44 Мбайт — стандарт HD ( High Density ), в то время как в старых ПК применяются диски емкостью 720 Кбайт — стандарт DD ( Double Density ). Емкость самых новых дисков 3,5" достигает 2,88 Мбайт — стандарт ED со сверхвысокой плотностью записи.

Магнитные диски называются носителями информации с прямым доступом, так как вследствие вращения диска с высокой скоростью имеется возможность перемещать под головки чтения/ записи любую его часть. Таким образом, можно непосредственно обратиться к любой части записанных данных. Этому способствует специальная организация дисковой памяти, в соответствии с которой информационное пространство диска форматируется, т. е. разбивается на определенные участки: дорожки и секторы.

Дорожкой записи (Track) называется каждое из концентрических колец диска, на котором записаны данные. Поверхность диска разбивается на дорожки начиная с внешнего края, число дорожек зависит от типа диска.

В гибких магнитных дисках 3,5" емкостью 1,44 Мбайт число дорожек равно 80. Дорожки независимо от количества идентифицируются номером (внешняя дорожка имеет нулевой номер). Число дорожек на стандартном диске определяется плотностью записи, т.е. объемом информации, который можно надежно разместить на единице площади поверхности носителя. Для магнитных дисков определены две разновидности плотности записи — радиальная (поперечная) и линейная (продольная). Поперечная плотность записи измеряется числом дорожек, размещенных на кольце диска шириной 1", а линейная плотность — числом бит данных, которые можно записать на дорожке единичной длины.

Каждое кольцо дорожки разбивается на участки, называемые секторами . Например, гибкий диск 3,5" может иметь на дорожке 18 секторов (емкость диска 1,44 Мбайт) или 36 секторов (емкость диска 2,88 Мбайт).

Рис. 3.3. Разбиение магнитного диска на дорожки и секторы. при форматировании

Размер секторов различных дисков может составлять от 128 до 1024 байт, но в качестве стандарта принят размер сектора 512 байт. На рис. 3.3 показано разбиение магнитных дисков на дорожки и секторы. Секторам на дорожке присваиваются номера начиная с нуля. Сектор с нулевым номером на каждой дорожке резервируется для идентификации записываемой информации, но не для хранения данных.

Емкость дискеты вычисляется по следующей формуле:

емкость дискеты = число сторон х число дорожек на стороне х число секторов на дорожке х число байт в секторе.

2. Накопители на жестких магнитных дисках

Первый накопитель на жестких дисках (Hard Disk Drive — HDD ) был создан в 1973 г. по технологии фирмы IBM и имел кодовое обозначение «30/30» (двухсторонний диск емкостью 30 +30 Мбайт), которое совпало с названием известного охотничьего ружья «винчестер», использовавшегося при завоевании Дикого Запада. По этой причине накопители на жестких дисках получили название «винчестер». В 1979 г. Ф. Коннер и А. Шугарт организовали производство первых жестких пятидюймовых дисков емкостью 6 Мбайт.

По сравнению с дискетами HDD обладают такими преимуществами: значительно большая емкость (чтобы сохранить данные объемом 420 Мбайт, требуется один HDD или около 290 дискет 3,5" HD) и время доступа для NDD. Оно на порядок меньше, чем для приводов дискет.

2.1. Конструкция и принцип действия

Несмотря на большое разнообразие моделей винчестеров принцип их действия и основные конструктивные элементы одинаковы. На рис. 3.4 показаны основные элементы конструкции накопителя на жестком диске:

• магнитные диски;

• головки чтения/записи;

• механизм привода головок;

• двигатель привода дисков;

• печатная плата с электронной схемой управления.

Типовой накопитель состоит из герметичного корпуса (гермоблока) и платы электронного блока. В гермоблоке размещены все механические части, на плате — вся управляющая электроника. Внутри гермоблока установлен шпиндель с одним или несколькими магнитными дисками. Под ними расположен двигатель. Ближе к разъемам, с левой или правой стороны от шпинделя находится поворотный позиционер магнитных головок. Позиционер соединен с печатной платой гибким ленточным кабелем (иногда одножильными проводами).

Гермоблок заполняется воздухом под давлением в одну атмосферу. В крышках гермоблоков некоторых винчестеров имеется специальное отверстие, заклеенное фильтрующей пленкой, которое служит для выравнивания давления внутри блока и снаружи, а также для поглощения пыли.

Рис. 3.4. Основные элементы конструкции накопителя на жестких дисках

Габаритные размеры винчестеров стандартизованы по параметру, называемому формфактор (Form - Factor ). Например, все HDD с формфактором 3,5" имеют стандартные размеры корпуса 41,6x101x146 мм.

Подложки магнитных дисков первых винчестеров изготовлялись из алюминиевого сплава с добавлением магния. В современных моделях в качестве основного материала для дисковых пластин используется композиционный материал из стекла и керамики с малым температурным коэффициентом расширения, что делает их менее восприимчивыми к изменениям температуры, более прочными. Магнитные диски выпускаются следующих размеров: 3,5"; 5,25"; 2,5"; 1,8".

Диски покрываются магнитным веществом — рабочим слоем. Он может быть либо оксидный, либо на основе тонких пленок.

Оксидный рабочий слой представляет собой полимерное покрытие с наполнителем из окиси железа. Диски с таким рабочим слоем отличаются простым и недорогим процессом изготовления. Однако требуемое качество рабочей поверхности для накопителей большой емкости в рамках такой технологии оказалось получить невозможно. На смену пришла тонкопленочная технология.

Рабочий слой на основе тонких пленок имеет меньшую толщину и более прочен; качество его поверхности гораздо выше. Тонкопленочная технология легла в основу производства накопителей нового поколения, в которых удалось уменьшить зазор между головками и поверхностями дисков до 0,05—0,08 мкм и, следовательно, повысить плотность записи данных.

Головки чтения/записи предусмотрены для каждой стороны диска. Когда накопитель выключен, головки касаются диска. При раскручивании дисков возрастает аэродинамическое давление воздуха на головки, что приводит к их отрыву от рабочих поверхностей дисков. Чем ближе располагается головка к поверхности диска, тем выше амплитуда воспроизводимого сигнала.

До середины 1980-х гг. в накопителях на жестких дисках использовались ферритовые головки . На смену им пришли MIG -головки ( MIG — Metall in Gap ) — головки с металлом в зазоре, что позволило использовать носители с рабочим слоем на основе тонких пленок. Все возрастающие требования к емкости жестких дисков привели к появлению тонкопленочных головок ( TF — Thin Film ). Формируемые с помощью этих головок на рабочей поверхности диска участки остаточной намагниченности имеют четкие границы, что приводит к высокой плотности записи данных. В результате дальнейшего совершенствования конструкции и характеристик тонкопленочных головок появились магниторезистивные (Magneto - Resistive — MR ) головки, которые в настоящее время используются в большинстве накопителей на жестких дисках 3,5", емкость которых может достигать 75 Гбайт.

Механизм привода головок обеспечивает перемещение головок от центра дисков к краям и фактически определяет надежность накопителя, его температурную стабильность и вибрационную устойчивость. Все существующие механизмы привода головок делятся на два основных типа: с шаговым двигателем и подвижной катушкой.

У накопителей с приводом на шаговом двигателе среднее время доступа к данным значительно больше, чем у накопителей с приводом на подвижной катушке. По этой причине привод с шаговым двигателем нашел основное применение в дисководах для гибких магнитных дисков и в накопителях на жестких дисках малой (до 100 Мбайт) емкости. В отличие от систем с шаговыми двигателями, в приводе с подвижной катушкой используется электронная обратная связь для точного определения местоположения головок и коррекции его относительно дорожек. В результате механизм оказывается быстродействующим и не столь шумным, как привод с шаговым двигателем.

Современные диски имеют функцию автоматической парковки. То есть при включении и выключении ПК головки устанавливаются по мере необходимости на определенный, чаще всего последний цилиндр. При парковке головки автоматически блокируются, и их дальнейшая работа невозможна.

Двигатель привода дисков приводит пакет дисков во вращение, скорость которого в зависимости от модели находится в пределах 3600 — 7200 об/мин (т.е. головки движутся с относительной скоростью 60 — 80 км/ч). Скорость вращения дисков некоторых винчестеров достигает 15 000 об/мин. Жесткий диск вращается непрерывно даже тогда, когда не происходит обращения к нему, поэтому винчестер должен быть установлен только вертикально или горизонтально.

Печатная плата с электронной схемой управления и прочие узлы накопителя (лицевая панель, элементы конфигурации и монтажные детали) являются съемными. На печатной плате монтируются электронные схемы управления двигателем и приводом головок, схема для обмена данными с контроллером. Иногда контроллер устанавливается непосредственно на этой плате.

2.2. Интерфейсы жестких дисков

Интерфейс — коммуникационное устройство (или протокол обмена), позволяющее одному устройству взаимодействовать с другим и устанавливать соответствие между выходами одного устройства и входами другого. Основная функция интерфейса HDD — передача данных из вычислителя ПК в накопитель и обратно. Разработано несколько основных типов интерфейсов: ESDI, IDE, SCSI. Распространенный в конце 1980-х гг. интерфейс ESDI не отвечает требованиям современных систем по быстродействию, кроме того, его различные исполнения часто бывают несовместимы. В связи с этим ему на смену пришли интерфейсы: IDE (1989 г.), обладающий повышенным быстродействием, и SCSI (1986 г.), имеющий большие возможности для расширения системы за счет подключения разнообразных устройств, а также E - IDE — расширенный IDE.

IDE и SCSI — интерфейсы, в которых контроллер выполнен в виде микросхемы, установленной на плате накопителя. В интерфейсе SCSI между контроллером и системной шиной введен еще один уровень организации данных и управления, а интерфейс IDE взаимодействует с системной шиной непосредственно.

2.3. Основные характеристики

Основными характеристиками накопителей на жестких дисках, которые следует принимать во внимание при выборе устройства, являются емкость, быстродействие и время безотказной работы.

Емкость винчестера определяется максимальным объемом данных, которые можно записать на носитель. Реальная величина емкости винчестера достигает сотни гигабайт. Прогресс в области создания и производства накопителей на жестких дисках приводит к тому, что ежегодно плотность записи (и соответственно емкость) увеличивается примерно на 60%.

Среднее время доступа к различным объектам на HDD определяет фактическую производительность накопителя. Время, необходимое винчестеру для поиска любой информации на диске, измеряется миллисекундами. Среднее время доступа винчестеров составляет 7 — 9 мс.

Размер кэш-памяти (быстрой буферной памяти) винчестеров колеблется в диапазоне от 512 Кбайт до 2 Мбайт.

Скорость передачи данных ( Maximum Data Transfer Rate — MDTR ) зависит от таких характеристик винчестера, как число байт в секторе, число секторов на дорожке, скорость вращения дисков, и может быть рассчитана по формуле

MDTR= SRT • 512 • RPM/60 (байт/с),

где SRT — число секторов на дорожке; RPM — скорость вращения дисков, об/мин; 512 — число байт в секторе.

Средняя скорость передачи данных у накопителей 10—15 Мбайт/с.

Время безотказной работы для накопителей определяется расчетным среднестатистическим временем между отказами (Mean Time Between Failures — MTBF ), характеризующим надежность устройства, указывается в документации и обычно составляет 20 000 — 500 000 ч. Практика показывает, что если накопитель на жестком диске безотказно работает на протяжении первого месяца гарантийного срока, он будет так же безотказно работать до окончания срока своего морального старения.

Подобно дискетам, жесткий диск делится на дорожки и секторы, как показано на рис. 3.5. Каждая дорожка однозначно определяется номером головки и порядковым номером, отсчитываемым на диске относительно внешнего края. Накопитель содержит несколько дисков, расположенных один над другим; их разбиения идентичны. Поэтому принято рассматривать пакет жестких дисков в виде цилиндров, каждый из которых состоит из аналогичных дорожек на поверхностях каждого диска. Секторы идентифицируются своим порядковым номером относительно начала дорожки. Нумерация секторов на дорожке начинается с единицы, а головок и цилиндров — с нуля.

Рис. 3.5. Разбиение жесткого диска на дорожки и секторы

Число секторов может быть от 17 до 150 в зависимости от типа накопителя. Каждый сектор содержит данные и служебную информацию. Обычно объем сектора составляет 571 байт. В начале каждого сектора записывается заголовок (Prefix Portion ), по которому определяется начало сектора и его номер, а в конце сектора ( Suffix Portion — заключение сектора) содержится контрольная сумма, необходимая для проверки целостности данных. Между заголовком и заключением сектора располагается область данных объемом 512 байт (для DOS). Таким образом, запись информации на дорожках осуществляется блоками по 512 байт.

Число дисков, головок и дорожек винчестера изменить невозможно, поскольку они определяются изготовителем в соответствии с заданными свойствами и качеством дисков. Число секторов на диске зависит от метода записи, а плотность — от носителя: чем выше качество материала диска, тем плотнее могут быть записаны на нем данные. Винчестеры содержат до 150 секторов на дорожке.

Общий объем памяти HDD рассчитывается по формуле

V = C * H * S *512 (байт),

где С — число цилиндров; Н — число головок; S — число секторов.

Рис. 3.6. Пример маркировки винчестеров фирмы Western Digital

Форматирование винчестера подобно форматированию дискеты. При этом нужно принимать во внимание, что в процессе форматирования все данные на винчестере теряются, поэтому при переформатировании винчестера следует сохранить необходимые данные на другом носителе.

На корпусе винчестера имеется этикетка с номером модели. В номере закодирована основная информация о характеристиках винчестера. На рис. 3.6 представлен пример маркировки винчестеров компании Western Digital.

Контрольные вопросы.

1. Какие виды накопителей информации применяются в составе технических средств информатизации? В чём разница между накопителем информации и носителем?

2. Какие физические процессы положены в основу записи и воспроизведения информации на магнитных носителях?

3. Из каких основных конструктивных элементов состоит дисковод для гибких магнитных дисков и как он функционирует?

4. Опишите принцип записи информации на гибкий магнитный диск.

5. Назовите основные конструктивные элементы накопителя на жестких магнитных дисках. Объясните их функциональное назначение.

6. Какие интерфейсы используются при подключении жёстких дисков?

7. Какие основные характеристики необходимо принимать во внимание при выборе накопителя на жестком магнитном диске?

Тема 3.2. Накопители на компакт-дисках

План:

7. Приводы CD ROM.

8. Накопители с однократной записью CD-WORM / CD-R и многократной записью информации CD-RW.

9. Накопители DVD.

10. Накопители на магнитооптических дисках.

Для решения широкого круга задач информатизации используются следующие оптические накопители информации:

• CD-ROM ( Compact Disk Read - Only Memory ) — запоминающие устройства только для считывания с них информации;

• CD-WORM ( Write Once Read Many ) — запоминающие устройства для считывания и однократной записи информации;

• CD-R ( CD - Recordable ) — запоминающие устройства для считывания и многократной записи информации;

• МО — магнитооптические накопители, на которые возможна многократная запись.

Принцип действия всех оптических накопителей информации основан на лазерной технологии. Луч лазера используется как для записи на носитель информации, так и для считывания ранее записанных данных, и является, по сути, дела своеобразным носителем информации.

1. Приводы CD - ROM

CD-ROM — компакт-диск (CD), предназначенный для хранения в цифровом виде предварительно записанной на него информации и считывания ее с помощью специального устройства, называемого CD-ROM-driver, — дисковода для чтения компакт-дисков.

К числу задач, для решения которых предназначается устройство CD-ROM, можно отнести: установку и обновление программного обеспечения; поиск информации в базах данных; запуск и работу с игровыми и образовательными программами; просмотр видеофильмов; прослушивание музыкальных CD.

История создания CD-ROM начинается с 1980 г., когда фирмы Sony и Philips объединили свои усилия по созданию технологии записи и производства компакт-дисков с использованием лазеров. Начиная с 1994 г., дисководы CD-ROM становятся неотъемлемой частью стандартной конфигурации ПК. Носителем информации на CD-диске является рельефная подложка, на которую нанесен тонкий слой отражающего свет материала, как правило, алюминия. Запись информации на компакт-диск представляет собой процесс формирования рельефа на подложке путем «прожигания» миниатюрных штрихов-питов лазерным лучом. Считывание информации производится за счет регистрации луча лазера, отраженного от рельефа подложки. Отражающий участок поверхности диска дает сигнал «нуль», а сигнал от штриха — «единицу».

Хранение данных на CD-дисках, как и на магнитных дисках, организуется в двоичной форме.

По сравнению с винчестерами CD значительно надежнее в транспортировке. Объем данных, располагаемых на CD, достигает 700 — 800 Мбайт, причем при соблюдении правил эксплуатации CD практически не изнашивается.

Рис. 3.7 . Геометрические характеристики компакт-диска (а) и его поперечное сечение (б)

Процесс изготовления CD-дисков включает несколько этапов. На первом этапе создается информационный файл для последующей записи на носитель. На втором этапе с помощью лазерного луча производится запись информации на носитель, в качестве которого используется стеклопластиковый диск с покрытием из фоторезистивного материала. Информация записывается в виде последовательности расположенных по спирали углублений (штрихов), как показано на рис. 3.7. Глубина каждого штриха-пита ( pit ) равна 0,12 мкм, ширина (в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка) — 0,8 — 3,0 мкм. Они расположены вдоль спиральной дорожки, расстояние между соседними витками которой составляет 1,6 мкм, что соответствует плотности 16000 витков/дюйм (625 витков/мм). Длина штрихов вдоль дорожки записи колеблется от 0,83 до 3,1 мкм.

На следующем этапе производятся проявление фоторезистивного слоя и металлизация диска. Изготовленный по такой технологии диск называется мастер-диском. Для тиражирования компакт-дисков с мастер-диска методом гальванопластики снимается несколько рабочих копий. Рабочие копии покрываются более прочным металлическим слоем (например, никелем), чем мастер-диск, и могут использоваться в качестве матриц для тиражирования CD-дисков до 10 тыс. шт. с каждой матрицы. Тиражирование осуществляется методом горячей штамповки, после которой информационную сторону основы диска, выполненную из поликарбоната, подвергают вакуумной металлизации слоем алюминия и диск покрывают слоем лака. Диски, выполненные методом горячей штамповки, в соответствии с паспортными данными обеспечивают до 10 000 циклов безошибочного считывания данных. Толщина CD-диска 1,2 мм, диаметр — 120 мм.

Привод CD-ROM содержит следующие основные функциональные узлы:

• загрузочное устройство;

• оптико-механический блок;

• системы управления приводом и автоматического регулирования;

• универсальный декодер и интерфейсный блок.

На рис. 3.8 дана конструкция оптико-механического блока привода CD-ROM, который работает следующим образом. Электромеханический привод приводит во вращение диск, помещенный в загрузочное устройство. Оптико-механический блок обеспечивает перемещение оптико-механической головки считывания по радиусу диска и считывание информации. Рис. 3.8. Конструкция оптико-механического блока привода CD-ROM

Полупроводниковый лазер генерирует маломощный инфракрасный луч (типовая длина волны 780 нм, мощность излучения 0,2 — 5,0 мВт), который попадает на разделительную призму, отражается от зеркала и фокусируется линзой на поверхности диска. Серводвигатель по командам, поступающим от встроенного микропроцессора, перемещает подвижную каретку с отражающим зеркалом к нужной дорожке на компакт-диске. Отраженный от диска луч фокусируется линзой, расположенной под диском, отражается от зеркала и попадает на разделительную призму, которая направляет луч на вторую фокусирующую линзу. Далее луч попадает на фотодатчик, преобразующий световую энергию в электрические импульсы. Сигналы с фотодатчика поступают на универсальный декодер.

Системы автоматического слежения за поверхностью диска и дорожки записи данных обеспечивают высокую точность считывания информации. Сигнал с фотодатчика в виде последовательности импульсов поступает в усилитель системы автоматического регулирования, где выделяются сигналы ошибок слежения. Эти сигналы поступают в системы автоматического регулирования: фокуса, радиальной подачи, мощности излучения лазера, линейной скорости вращения диска.

Универсальный декодер представляет собой процессор для обработки сигналов, считанных с CD. В его состав входят два декодера, оперативное запоминающее устройство и контроллер управления декодером. Применение двойного декодирования дает возможность восстановить потерянную информацию объемом до 500 байт. Оперативное запоминающее устройство выполняет функцию буферной памяти, а контроллер управляет режимами исправления ошибок.

Интерфейсный блок состоит из преобразователя цифровых данных в аналоговые сигналы, фильтра нижних частот и интерфейса для связи с компьютером. При воспроизведении аудиоинформации ЦАП преобразует закодированную информацию в аналоговый сигнал, который поступает на усилитель с активным фильтром низких частот и далее на звуковую карту, которая связана с наушниками или акустическими колонками.

Ниже приводятся эксплуатационные характеристики, которые необходимо учитывать при выборе CD-ROM применительно к конкретным задачам.

Скорость передачи данных ( Data Transfer Rate — DTR ) — максимальная скорость, с которой данные пересылаются от носителя информации в оперативную память компьютера. Это наиболее важная характеристика привода CD-ROM, которая практически всегда упоминается вместе с названием модели. Непосредственно со скоростью передачи данных связана скорость вращения диска. Первые приводы CD-ROM передавали данные со скоростью 150 Кбайт/с, как и проигрыватели аудиокомпакт-дисков. Скорость передачи данных следующих поколений устройств, как правило, кратна этому числу (150 Кбайт/с). Такие приводы получили название накопителей с двух-, трех-, четырехкратной скоростью и т.д. Например, 60-скоростной привод CD-ROM обеспечивает считывание информации со скоростью 9000 Кбайт/с.

Высокая скорость передачи данных привода CD-ROM необходима прежде всего для синхронизации изображения и звука. При недостаточной скорости передачи возможны пропуск кадров видеоизображения и искажение звука.

Однако дальнейшее, свыше 72-кратности, повышение скорости считывания приводов CD-ROM нецелесообразно, поскольку при дальнейшем повышении скорости вращения CD не обеспечивается требуемый уровень качества считывания. И, кроме того, появилась более перспективная технология — DVD.

Качество считывания характеризуется коэффициентом ошибок ( Eror Rate ) и представляет собой вероятность получения искаженного информационного бита при его считывании. Данный параметр отражает способность устройства CD-ROM корректировать ошибки чтения/записи. Паспортные значения этого коэффициента — 10 ^-10 —10 ^-12 . Когда считываются данные с загрязненного или поцарапанного участка диска, регистрируются группы ошибочных битов. Если ошибку не удается устранить с помощью помехоустойчивого кода (применяемого при чтении/записи), скорость считывания данных понижается и происходит многократный повтор чтения.

Среднее время доступа ( Access Time — AT ) — это время (в миллисекундах), которое требуется приводу, чтобы найти на носителе нужные данные. Очевидно, что при работе на внутренних участках диска время доступа будет меньше, чем при считывании информации с внешних участков. Поэтому в паспорте накопителя приводится среднее время доступа, определяемое как среднее значение при выполнении нескольких считываний данных с различных участков диска. По мере совершенствования приводов CD-ROM среднее время доступа уменьшается, но тем не менее этот параметр значительно отличается от аналогичного для накопителей на жестких дисках (100 — 200 мс для CD-ROM и 7 — 9 мс для жестких дисков). Это объясняется принципиальными различиями конструкций: в накопителях на жестких дисках используется несколько магнитных головок и диапазон их механического перемещения меньше, чем диапазон перемещения оптической головки привода CD-ROM.

Объем буферной памяти — это объем оперативного запоминающего устройства привода CD-ROM, используемого для увеличения скорости доступа к данным, записанным на носителе. Буферная память (кэш-память) представляет собой устанавливаемые на плате накопителя микросхемы памяти для хранения считанных данных. Благодаря буферной памяти, данные, размещенные в различных областях диска, могут передаваться в компьютер с постоянной скоростью. Объем буферной памяти отдельных моделей привода CD-ROM — 512 Кбайт.

Средняя наработка на отказ — среднее время в часах, характеризующее безотказность работы привода CD-ROM. Средняя наработка на отказ различных моделей приводов CD-ROM 50—125 тыс. ч, или 6 — 14,5 лет круглосуточной работы, что значительно превышает срок морального старения накопителя.

В процессе развития накопителей на оптических дисках разработан целый ряд основных форматов записи информации на CD .

Формат CD - DA ( Digital Audio ) — цифровой аудио-компакт диск со временем звучания 74 мин.

Формат ISO 9660 — наиболее распространенный стандарт логической организации данных.

Формат High Sierra ( HSG ) предложен в 1995 г. и обеспечивает чтение данных, записанных на диск в формате ISO 9660, с помощью приводов всех типов, что привело к широкому тиражированию программ на CD и способствовало созданию компакт-дисков, ориентированных на различные операционные системы.

Формат Photo - CD разработан в 1990—1992 гг. и предназначен для записи на CD, хранения и воспроизведения статической видеоинформации в виде высококачественных фотоизображений. Диск формата Photo-CD вмещает от 100 до 800 фотоизображений соответствующих разрешений — 2048x3072 и 256x384, а также сохраняет звуковую информацию.

Любой диск CD-ROM, содержащий текст и графические данные, аудио- или видеоинформацию, относится к категории мультимедиа. Мультимедиа CD существуют в различных форматах для различных операционных систем: DOS, Windows, OS/2, UNIX, Macintosh.

Формат CD - I ( Intractive ) разработан для широкого круга пользователей как стандарт мультимедийного диска, содержащего различную текстовую, графическую, аудио- и видеоинформацию. Диск формата CD-I позволяет хранить видеоизображение со звуковым сопровождением (стерео) и длительностью воспроизведения до 20 мин.

Формат CD - DV ( Digital Video ) обеспечивает запись и хранение высококачественного видеоизображения со стереозвуком в течение 74 мин. При хранении обеспечивается сжатие по методу MPEG-1 ( Motion Picture Expert Group ).

Чтение диска возможно с использованием аппаратного или программного декодера стандарта MPEG.

Формат 3D О разработан для игровых приставок.

Приводы CD-ROM могут работать как со стандартным интерфейсом для подключения к разъему IDE (E-IDE), так и с высокоскоростным интерфейсом SCSI.

Самые популярные дисководы CD-ROM в России — изделия с торговыми марками Panasonic, Craetive, Samsung, Pioneer, Hitachi, Teac, LG.

2. Накопители с однократной записью CD - WORM / CD - R и многократной записью информации CD - RW

Накопители CD - WORM (Write Once Read Many ) или CD-R ( CD - Recordable ) обеспечивают однократную запись информации на диск и последующее многократное считывание этой информации, в то время как накопители CD-RW ( CD - Re Writable — перезаписывающий) позволяют осуществлять многократную запись на оптические диски.

Рис. 3.9. Строение дисков CD-ROM и CD-R/CD-WR

Для однократной записи используются диски, представляющие собой обычный компакт-диск, отражающий слой которого выполнен, как правило, из золотой или серебряной пленки. Между ним и поликарбонатной основой расположен регистрирующий слой (рис. 3.9), выполненный из органического материала, темнеющего при нагревании. В процессе записи лазерный луч, длина волны которого, как и при чтении, составляет 780 нм, а интенсивность более чем в 10 раз выше, нагревает отдельные участки регистрирующего слоя, которые темнеют и рассеивают свет, образуя участки, подобные питам. Однако отражающая способность зеркального слоя и четкость питов у дисков CD-R ниже, чем у CD-ROM, изготовленных промышленным способом.

В перезаписываемых дисках CD-RW регистрирующий слой выполнен из органических соединений, известных под названиями цианин (Cyanine) и фталоцианин (Phtalocyanin), которые имеют свойство изменять свое фазовое состояние с аморфного на кристаллическое и обратно под воздействием лазерного луча. Такое изменение фазового состояния сопровождается изменением прозрачности слоя. При нагревании лазерным лучом выше некоторой критической температуры материал регистрирующего слоя переходит в аморфное состояние и остается в нем после остывания, а при нагревании до температуры значительно ниже критической восстанавливает свое первоначальное (кристаллическое) состояние. В перезаписываемых дисках регистрирующий слой обычно выполняется из золота, серебра, иногда из алюминия и его сплавов.

Существующие перезаписываемые CD-RW-диски выдерживают от нескольких тысяч до десятков тысяч циклов перезаписи. Однако их отражающая способность значительно ниже штампованных CD-ROM и CD-R. В связи с этим для чтения CD-RW, как правило, применяется специальный привод с автоматической регулировкой усиления фотоприемника. Однако имеются модели приводов CD-ROM, маркируемые как Multiread, которые обеспечивают считывание дисков CD-RW.

Преимущество CD-R/RW дисков — они тускнеют и выходят из строя медленнее обычных, поскольку отражающий слой из золота и серебра менее подвержен окислению, чем алюминий в большинстве штампованных CD-ROM дисков. Недостатки CD-R/RW дисков — материал регистрирующего слоя CD-R/RW дисков более чувствителен к свету и, так же подвержен окислению и разложению. Кроме того, регистрирующая пленка находится в полужидком состоянии и потому весьма чувствительна к ударам и деформациям диска.

Информация на CD-R может быть записана несколькими способами. Наиболее распространен способ записи диска за один проход ( disk - at - once ) , когда файл с жесткого диска записывается непосредственно за один сеанс и добавление информации на диск невозможно. В отличие от этого способ многосеансовой записи ( track - at - once ) позволяет производить запись отдельных участков (треков) и постепенно наращивать объем информации на диске.

Как любые накопители, CD-R и CD-RW выпускаются в двух вариантах: со стандартным интерфейсом для подключения к разъему IDE ( E - IDE ) и с высокоскоростным интерфейсом SCSI . Внешние дисководы CD-RW выпускаются с интерфейсами SCSI и USB.

Объем встроенной кэш-памяти важен для записывающих устройств, так как именно в ней накапливаются поступающие с жесткого диска данные. Средняя величина кэш-памяти 2 — 4 Мбайт.

Самыми популярными на российском рынке считаются накопители с торговыми марками Panasonic , Sony , Ricoh , Teac , Yamaha . Самые высококачественные и дорогие модели выпускаются фирмами Plextor и Hewlett - Packard . Среди недорогих IDE-дисководов популярны модели Mitsumi .

Благодаря дальнейшему развитию CD-технологий появились:

· модифицированные CD-R диски емкостью до 870 Мбайт — 1 Гбайт, выпущенные фирмами Traxdata, Philips и Sony;

· стандарт Double Density CD, предложенный Sony для дисков всех модификаций (CD, CD-R, CD-RW), позволяющий увеличить скорость традиционных CD до 1,3 Гбайт, или 150 минут аудиоинформации;

· диск FMD-ROM, содержащий до 100 рабочих слоев, суммарная емкость которых не менее 140 Гбайт. Каждый слой такого диска содержит люминесцентное вещество, испускающее свет под действием считывающего луча. Каждый слой светится по-разному, но в то же время прекрасно проницаем для лазерных лучей, что позволяет производить считывание информации одновременно с нескольких слоев.

3. Накопители DVD

Решение проблемы увеличения емкости оптических носителей информации на базе совершенствования технологии производства CD и приводов, а также имеющихся научно-технических решений в области высококачественного цифрового видео привело к созданию CD-дисков повышенной емкости. В 1995 г. фирмы — производители CD предложили свои стандарты компакт-дисков с увеличенной емкостью. Одним из этих стандартов стал формат SD (Super Density ). Во избежание многообразия и несовместимости стандартов в сентябре 1995 г. фирма Sony в союзе с восемью другими фирмами предложила новый универсальный формат записи данных на CD-DVD (Digital Versatile Disk ). Этот формат, удовлетворяющий требованиям к воспроизведению видеоизображений и к хранению данных, получил активную поддержку среди ведущих производителей CD.

Качество изображения, хранимого в формате DVD, соизмеримо с качеством профессиональных студийных видеозаписей, причем качество звука также не уступает студийному. Считывание звуковой информации в формате DVD производится со скоростью 384 Кбайт/с, что позволяет организовать многоканальное звуковое сопровождение.

Такие возможности дисков формата DVD обусловлены улучшенными параметрами рабочей поверхности дисков. На рис. 3.10 приведены параметры элементов рабочей поверхности дисков, записанных в форматах CD и DVD. Так же как и CD, диск формата DVD имеет диаметр 120 мм. В приводе DVD используется полупроводниковый лазер с длиной волны излучения в видимой области 0,63 — 0,65 мкм. Такое снижение длины волны (по сравнению с 0,78 мкм у обычного CD-привода) обеспечило возможность уменьшения размеров штрихов записи (пит) практически в два раза, а расстояние между дорожками записи — с 1,6 до 0,74 мкм. Питы располагаются по спирали, как на виниловых долгоиграющих пластинках.

Рис. 3.10 . Элементы рабочей поверхности дисков форматов CD и DVD

DVD-диски конструктивно выполняются односторонними и двухсторонними, однослойными и многослойными, как это показано на рис. 3.11. Односторонний однослойный DVD-диск обладает емкостью 4,7 Гбайта, а двухслойный — 8,5 Гбайта. Двухсторонний DVD-диск состоит из двух дисков толщиной по 0,6 мм, плотно соединенных друг с другом. На DVD-диске можно разместить полнометражный видеофильм (длительностью до 135 мин) с тремя каналами качественного звукового сопровождения и четырьмя каналами субтитров, применяя сжатие MPEG-2.

Рис. 3.11. Варианты исполнения DVD-дисков

В накопителях стандарта DVD применяется более узкий луч лазера, чем в приводах CD-ROM, что позволило уменьшить толщину защитного слоя диска в два раза: с 1,2 мм до 0,6 мм. Поскольку общая толщина диска должна была остаться неизменной (1,2 мм), под предохранительный слой был помещен укрепляющий слой.

На укрепляющем слое также стали записывать информацию, что привело к появлению двухслойных дисков DVD. Последовательное считывание информации с каждого слоя обеспечивается за счет изменения положения фокуса. Когда сфокусированным лазерным лучом считывается информация, записанная на первом слое, расположенном в глубине диска, луч беспрепятственно проходит через полупрозрачную пленку, образующую второй слой. По окончании считывания информации с первого слоя фокусировка луча лазера меняется по команде контроллера. Луч фокусируется в плоскости второго (наружного) полупрозрачного слоя, и считывание данных продолжается. Конструкция двухслойного одностороннего диска обеспечивает емкость 8,5 Гбайт.

Следующим шагом в развитии технологии DVD стало создание двухсторонних дисков, как однослойных, так и двухслойных, при этом емкость дисков составила 9,4 и 17 Гбайт при длительности воспроизведения записанной на них информации соответственно 4,5 и 8 ч.

Во избежание необходимости переворачивать вручную двухсторонний диск для доступа к данным на второй стороне наибольшую популярность получили приводы DVD, оснащенные двумя независимыми считывающими системами.

Приводы DVD-ROM поставляются как с аппаратным декодером MPEG-2 в виде карты расширения для шины PCI, так и с программным декодером. Записывающие DVD-R и перезаписывающие дисководы DVD-RW способны работать с однослойными односторонними дисками емкостью до 4,7 — 5,2 Гбайт при скорости записи информации около 1 Мбайт/с.

4. Накопители на магнитооптических дисках

Магнитооптический (МО) привод представляет собой накопитель информации, в основу которого положен магнитный носитель с оптическим (лазерным) управлением.

Магнитооптическая технология была разработана фирмой IBM в начале 1970-х гг. Первые опытные образцы магнитооптических накопителей представила в начале 1980-х гг. фирма Sony. Первые магнитооптические накопители вначале не пользовались спросом вследствие дороговизны и сложности, однако по мере развития технологии и снижения цен они стали занимать свое место на рынке технических средств информатизации. На рис. 3.12 представлено устройство типичного магнитооптического диска, имеющего одну рабочую поверхность. Выпускаются магнитооптические диски и с двумя рабочими поверхностями двух основных размеров — 3,5" и 5,25". Односторонний магнитооптический диск представляет собой последовательность слоев: защитного, диэлектрического, магнитооптического, диэлектрического, отражающего и подложки.

Технология изготовления магнитооптического диска состоит в следующем. На стеклопластиковую подложку наносится алюминиевое (либо золотое) покрытие, обеспечивающее отражение лазерного луча. Диэлектрические слои, окружающие с двух сторон магнитооптический слой, изготовлены из прозрачного полимера и защищают диск от перегрева, повышают чувствительность при записи и отражающую способность при считывании информации. Магнитооптический слой создается на основе порошка из сплава кобальта, железа и тербия. Свойства такого покрытия меняются как при температурном воздействии, так и при действии магнитного поля. Если нагреть диск свыше определенной температуры, возможно изменение магнитной поляризации посредством небольшого магнитного поля. Верхний защитный слой из прозрачного полимера, выполненный методом ультрафиолетового отверждения, предохраняет рабочую поверхность от механических повреждений. Благодаря такой технологии и помещению в специальный пластиковый конверт — картридж, магнитооптические диски обладают повышенной надежностью и не боятся воздействия неблагоприятных условий окружающей среды.

Рис. 3.12. Строение магнитооптического диска

Запись данных на МО-диск производится с использованием лазерной технологии. Луч лазера, сфокусированный на поверхности магнитооптического слоя в пятно с диаметром около 1 мкм, направляется в магнитооптический слой и нагревает его в точке фокусировки до температуры точки Кюри (около 200 °С) (рис. 3.13, а). При этой температуре резко падает магнитная проницаемость, и изменение магнитного состояния частиц выполняется относительно небольшим по величине магнитным полем магнитной головки. После охлаждения материала магнитная ориентация доменов в данной точке сохраняется. В зависимости от магнитной ориентации участка магнитного материала он интерпретируется как логический нуль или логическая единица. Данные записываются блоками по 512 байт.

Для изменения части информации в блоке необходимо перезаписывать его полностью, поэтому при первом проходе инициализируется (разогревается) весь блок, а при подходе сектора под магнитную головку происходит запись новых данных.

Считывание данных с диска происходит поляризованным лазерным лучом пониженной мощности, которой недостаточно для разогрева рабочего слоя: мощность лазера при считывании составляет 25 % мощности лазера при записи. Попадание луча на упорядочение ориентированные при записи данных магнитные частицы диска приводит к тому, что их магнитное поле незначительно изменяет поляризацию луча, т.е. наблюдается эффект Керра. На рис. 3.13, б дуговыми стрелками условно показана разная поляризация отраженного света.

Рис. 3.13. Схемы записи и чтения информации в магнитооптическом накопителе

Отражённый свет попадает на фоточувствительный приёмник, с помощью которого определяется изменение состояния его поляризации. В зависимости от этого светочувствительный элемент посылает двоичную единицу или двоичный ноль к контроллеру магнитооптического дисковода.

В отличие от компакт-диска данные на МО-диск теоретически можно записывать бесконечно, поскольку никаких необратимых процессов в материале носителя не происходит. Если нужно удалить старые данные, достаточно нагреть лазерным лучом соответствующие дорожки (секторы) и размагнитить их внешним магнитным полем.

Стандартные емкости МО-дисков: односторонних дисков 3,5" — 128, 230 и 640 Мбайт, двухсторонних — 600 и 650 Мбайт. Диски размером 5,25" выпускаются емкостью от 1,7 до 4,6 Гбайт.

Фирма Maxell выпускает 12"-диски однократной записи емкостью 3,5 Гбайт (односторонние) и 7 Гбайт (двухсторонние). Накопители для этих гигантских дисков, применяемых в системах архивирования, производит фирма Hitachi.

Быстродействие МО-накопителей ниже, чем накопителей со сменными магнитными носителями, хотя быстродействие новых моделей неуклонно возрастает. Одна из причин сравнительно низкого быстродействия МО-накопителей заключается в том, что скорость вращения диска всего 2000 об/мин. Кроме того, в МО-накопителях используется довольно массивная головка чтения/ записи, совмещающая в одном устройстве оптический и магнитный узлы.

Среднее время доступа к данным в МО-накопителях около 30 мс, а гарантийный срок работы (средняя наработка на отказ) — 75 000 ч.

Технология магнитооптической записи непрерывно совершенствуется. Несколько фирм выпускают МО-накопители с частотой вращения МО-диска 3600 об/мин, но их стоимость довольно высока. Лидерами рынка накопителей на МО-дисках являются компании Sony , Fujitsu и Hewlett - Packard .

Магнитооптические диски и накопители большинства фирм-изготовителей соответствуют требованиям международных стандартов, выпускаются как в виде встраиваемых устройств, так и во внешнем автономном исполнении с интерфейсами IDE и SCSI.

Помимо обычных дисководов широкое распространение получили так называемые оптические библиотеки с автоматической сменой дисков, емкость которых достигает сотен гигабайт и даже нескольких терабайт. Время автоматической смены диска — несколько секунд, а время доступа и скорость обмена данными — такие же, как у обычных дисководов.

Контрольные вопросы.

1. Перечислите основные этапы процесса изготовления CD-дисков.

2. Из каких конструктивных частей состоит привод CD ROM? Их назначение.

3. Как производится организация данных на CD-ROM? Основные форматы CD – дисков

4. Привести основные характеристики перезаписываемых дисков.

5. Как производится запись информации на дисках CD-WORM, CD-R и CD-RW?

6. В чем основное преимущество накопителей DVD? Как производится считывание информации с двухслойного DVD-диска?

7. Как производятся запись и считывание информации с магнитооптических дисков? Их характеристики.

Тема 3.3. Другие виды накопителей.

План:

1. Накопители на магнитной ленте.

2. Внешние устройства хранения информации.

3. Flash – накопитель.

1. Накопители на магнитной ленте

Накопители на магнитной ленте применяются в системах резервного копирования. Резервное копирование данных необходимо, если емкость используемого накопителя на жестких дисках невелика и при этом на нем хранится много программ; результаты работы представлены большими массивами данных; отсутствует свободное место на жестком диске.

В качестве устройств записи данных на магнитную ленту (стримеров) сначала использовались катушечные накопители, аналогичные бытовым катушечным магнитофонам. В 1972 г. фирма ЗМ разработала первую кассету размером 15x10x1,6 см, предназначенную для хранения данных. Внутри кассеты находились две катушки, на которые лентопротяжным механизмом наматывалась лента в процессе чтения/записи. В 1983 г. был выпущен первый стандартный QIC (Quarter - Inch - Catridge — накопитель на магнитной ленте), емкость которого составляла 60 Мбайт. Запись данных производилась на девяти дорожках, а магнитная лента имела длину около 90 м. В дальнейшем был разработан стандарт на мини-кассеты (формат МС). Габариты мини-кассеты, согласно этому стандарту, 8,25 х 6,35 х 1,5 см. Основу магнитного слоя лент QIC составляет оксид железа.

Наибольшее распространение получили накопители на магнитной ленте QIC-40 и QIC-80 формата МС, емкость которых составляет соответственно 40 и 80 Мбайт. Запись информации на кассету QIC-40 производится на 20 дорожек, плотность записи данных — 10 000 бит/дюйм.

Преимущества этих накопителей: удельная стоимость хранения данных на ленте (в пересчете на 1 Мбайт) значительно ниже, чем при использовании накопителей на гибких магнитных дисках, и, кроме того, ленточные накопители просты в использовании и надежны.

К недостаткам накопителей на кассетах QIC-40 и QIC-80 относится их низкое быстродействие, так как они подключаются к интерфейсу, предназначенному для накопителей на гибких дисках. Запись данных при этом производится со скоростью 250 — 500 Кбит/с, форматирование кассеты перед записью данных также требует много времени (например, для форматирования кассеты емкостью 60 Мбайт стандарта QIC-40 необходимо около полутора часов).

Дальнейшее развитие накопителей на магнитной ленте пошло по пути увеличения емкости кассет и повышения плотности записи данных. Были разработаны стандарты систем резервного копирования с емкостью кассет от 86 Мбайт до 13 Гбайт. В таких устройствах плотность записи данных на ленту составляет свыше 60 000 бит/дюйм. Запись производится на 144 дорожки. Совместимость кассет различных типов является чрезвычайно важным фактором, который необходимо учитывать при выборе устройства резервирования информации на магнитной ленте, так как ленты не всегда совместимы по своим магнитным свойствам.

Наряду с распространенными в настоящее время устройства и резервного копирования форматов QIC становятся популярны и другие устройства копирования на магнитной ленте, в частности, в компьютерных сетях, манипулирующих большими объемами данных.

Существуют следующие стандарты записи данных на магнитные ленты.

Фирмой Sony освоен выпуск устройств, в которых используются магнитные ленты шириной 4 мм для цифровой звукозаписи DAT ( Digital Audio Tape ) и ленты шириной 8 мм для видеозаписи. Кроме того, разработан стандарт для хранения данных в цифровом виде DDS ( Digital Data Storage ). При записи данных на магнитную ленту применяется наклонно-строчная технология, в результате которой используется практически вся поверхность ленты (в отличие от других методов, в которых дорожки оказываются разделенными промежутками).

В середине 1990-х гг. появилась новая технология, позволяющая обеспечить более высокую емкость, скорость передачи данных и надежность резервного копирования — технология DLT ( Digital Linear Tape ), которая считается одной из самых популярных. Накопители DLT могут хранить 20 — 40 Гбайт данных и обеспечивают скорость передачи данных 1,5 — 3,0 Мбайт/с. В накопителях стандарта DLT во время чтения/записи магнитная лента, разделенная на параллельные горизонтальные дорожки, проходит через неподвижную магниторезистивную головку со скоростью 2,5 — 3,7 м/с, за счет чего повышается надежность работы головки и обеспечивается малый износ магнитного слоя ленты. Расчетный срок службы ленты — 500000 перемоток. Накопители DLT рассчитаны на использование в сетевых серверах в качестве автоматизированных систем резервирования данных на магнитных лентах.

Стандарт кассет TRAVAN разработала фирма ЗМ. Накопители TRAVAN размещаются в отсеке для дисковода 3,5". Они могут работать как с оригинальными мини-кассетами стандарта TRAVAN, так и с кассетами стандарта QIC. Кассета (или картридж) TRAVAN содержит 225-метровую магнитную ленту шириной 8 мм. Сегодня имеются четыре типа кассет и накопителей TRAVAN (TR-1, -2, -3, -4). Емкости мини-кассет TRAVAN (в соответствии с типом 1, 2, 3 или 4) составляют 400, 800, 1000 и 4000 Мбайт соответственно. Все накопители TRAVAN обеспечивают аппаратное сжатие данных с коэффициентом 2:1, что увеличивает емкость кассет вдвое, т.е. накопитель TR-4 способен хранить до 8 Гбайт информации. Накопители TR-1, -2, -3 обычно подключаются к системе через контроллер накопителя на гибких дисках или параллельный порт, a TR-4 использует интерфейс SCSI-2.

Для современного уровня развития компьютерных технологий характерен неуклонный рост объема данных, хранящихся на серверах. Технологии резервного копирования выходят на передний план, так как затраты на восстановление утерянных данных слишком велики.

Много новых возможностей ожидается от развития технических средств. Наиболее перспективными считаются формат DAT DDS-3 — для небольших организаций с суммарным объемом данных до 10 Гбайт и стандарт DLT — для накопителей на магнитных лентах больших объемов. Стандарт DLT развивается в настоящее время по двум направлениям: создание DLT 4000 (интерфейс SCSI -2 Fast ) — для объема данных 20 Гбайт и DLT 7000 (интерфейс SCSI-2 Fast / Wide ) — для объема данных 35 Гбайт. Скорость передачи данных для DLT 7000 5—10 Мбайт/с. Американская компания ADIC заявила о выпуске в ближайшем будущем накопителей для резервного копирования данных на магнитных лентах объемом от 11 до 55 Тбайт. Гарантийный срок хранения информации 30 лет.

Для обеспечения гарантированного хранения особо важных данных в оригинальных накопителях применяется новая магнитная головка и технология записи MLR-RWR (Multi - channel Linear Recording - Read While Write ), заключающаяся в том, что одновременно с записью информации по нескольким каналам производится ее считывание и сравнение с исходной, а в случае необходимости — коррекция.

2. Внешние устройства хранения информации

При современных объемах программного обеспечения и размерах файлов носитель информации на гибких дисках емкостью всего 1,44 Мбайт не в состоянии обеспечить обмен данными между PC и тем более не может использоваться для хранения резервных копий и архивов.

Решение этой проблемы связано с созданием таких накопителей, как LS -120, SyQuest , Zip , Jaz , МО, ORB и др. Важнейшим параметром оценки этих устройств является совместимость с FDD, т. е. способность устройства читать и записывать данные на гибкий диск 3,5" емкостью 1,44 Мбайт. Все перечисленные устройства несовместимы с FDD, поскольку работают только со своими дисками. Исключение составляет дисковод LS-120, который в состоянии читать кроме своих дискет емкостью 120 Мбайт стандартные дискеты емкостью 1,44 Мбайт.

Дисководы LS-120 выпускаются фирмами как внешние устройства с интерфейсом LPT или внутренние с интерфейсом IDE. Несомненным преимуществом дисковода LS-120 является высокая емкость дискеты (120 Мбайт) при достаточно низкой цене накопителя с интерфейсом IDE. При этом скорость чтения/записи в несколько раз выше, чем у FDD (80—100 Кбайт/с в DOS и 200 — 300 Кбайт/с в Windows по сравнению с 60 Кбайт/с у FDD). Дисководы LS-120 являются магнитными накопителями информации и имеют такие же недостатки, как и все магнитные носители информации: чувствительность к магнитным полям, пыли и механическим деформациям.

Сменные жесткие диски используются при необходимости размещения больших объемов данных на малогабаритных носителях. У сменного винчестера переносным является не только носитель информации, но и весь дисковод, который вынимается из своих направляющих в корпусе ПК. Чаще всего это IDE диски, которые устанавливаются в корпус компьютера. Для извлечения дисковода на передней панели имеется специальная ручка. С обратной его стороны находится адаптер, который обычно обеспечивает силовое питание и связь для приема/передачи данных. Использование сменного жесткого диска такого рода для частого обмена информацией между удаленными ПК не дает желаемых результатов в связи с недостаточной защищенностью от внешних воздействий, возникающих при их транспортировке. Рекомендуется использовать сменные жесткие диски главным образом для целей архивирования данных.

Рассмотрим отдельные модели накопителей на сменных жестких дисках.

SyQuest — это накопитель на сменных дисках емкостью более 2 Гбайт. Такие накопители производятся только с интерфейсом SCSI. В устройстве используется технология магнитного носителя со встроенными головками, т.е. считывающие головки находятся в картридже. Пиковая скорость передачи — более 10,6 Мбайт/с, а время доступа около 12 мс. Накопители SyQuest предназначены для использования в корпоративных сетях и в профессиональных видеостудиях.

Накопитель SyJet содержит картриджи с жесткими дисками емкостью 1,5 Гбайт. Картридж имеет два диска, четыре поверхности, а считывающие головки находятся снаружи, т.е. в приводе. Использование таких картриджей позволило достичь высокой производительности накопителя: пиковая скорость обмена данными — более 10 Мбайт/с, средняя скорость передачи — 7 Мбайт/с, а время доступа к данным — 11 мс.

SparQ — накопитель 3,5"со сменными картриджами емкостью 1 Гбайт. Выпускается с интерфейсами LPT, EIDE и USB. Обеспечивает время доступа 12 мс. Средняя скорость передачи данных 3,7 — 6,9 Мбайт/с.

EZFlaer — накопитель 3,5" с картриджем емкостью 30 Мбайт. Основан на технологии жестких дисков. Выпускается с интерфейсами SCSI (как внутренний, так и внешний), LPT и EIDE. При скорости вращения диска 3600 об/мин и среднем времени доступа 13,5 мс обеспечивает скорость передачи данных до 16,6 Мбайт/с.

Приводы Jaz и Zip разработки компании iOmega благодаря хорошему соотношению цена/производительность превосходят по своим характеристикам существующие на рынке накопители со сменными носителями. В этих устройствах применяется традиционная технология магнитных носителей, но с более совершенной системой позиционирования головок чтения/записи и надежной механикой привода. В приводе Jaz в качестве носителя используется жесткая дисковая пластина, а в Zip —гибкий диск, аналогичный обычным пластинам флоппи-дисков. Емкость картриджа модели Zip 250 — 250 Мбайт, картриджей Jaz — 540 и 1070 Мбайт, а картриджа модели Jaz 2 — 2 Гбайт.

Накопители Jaz и накопители Zi p бывают двух видов — внутренние и внешние. Внутренний привод устанавливается в один из отсеков для установки дисководов. В комплект такого устройства входит адаптер SCSI. Внешний привод Zip подключается непосредственно к параллельному порту ПК. Привод Jaz является SCSI-устройством, в комплект которого входит адаптер SCSI.

Привод Zip может быть эффективно использован как накопитель на гибких дисках эпохи мультимедиа: его можно использовать для переноса файлов достаточно большого объема, поскольку масса накопителя Zip всего 450 г, а габаритные размеры — 3,7х 13,6х 18,0 см. Можно использовать также для хранения резервных копий файлов, записанных на винчестер. Zip эффективно можно использовать при работе с закрытой информацией, так как в самом устройстве предусмотрена функция введения пароля.

ORB — это накопитель на сменных дисках, разработанный на основе передовой технологии MR (Magneto Resistive ) фирмы Intel. В качестве носителя данных используется сменный жесткий диск размером 3,5", заключенный в картридж. Посредством использования технологии MR (магниторезистивных головок и особого магнитного материала), а также цифрового сигнального процессора удалось создать накопитель на сменных дисках емкостью 2,2 Гбайт (больше, чем диск Jaz 2), со скоростью вращения 5400 об/мин и максимальной скоростью передачи данных 12,2 Мбайт/с. Благодаря оптимальному соотношению показателя качество/цена, накопитель ORB успешно конкурирует с устройствами аналогичного назначения.

3. Флэш-накопитель.

Флэш-накопитель — портативный носитель информации с интерфейсом USB. Одним из первых на отечественном рынке появился накопитель MAXIMUS Flash USB Drive (корейской фирмы Jung MyungTelecom). Строго говоря, слово Drive в названии корейского флэш-накопителя — это маркетинговое преувеличение — никакого привода там нет, как нет и движущихся частей. По сути, разработчики просто отразили в названии процедуру работы с MAXIMUS Flash USB Drive, как с любым внешним дисководом (CD-RW, Zip, жестким диском). На самом же деле «псевдодиск» состоит из микросхемы флэш-ПЗУ, спецконтроллера и интерфейса USB.

У этого типа памяти есть много преимуществ:

· быстрое время доступа;

· высокая надежность (в силу отсутствия движущихся частей);

· компактность;

· долговечность.

Устройства поддерживаются операционными системами Windows 2000 и ХР без необходимости установки каких-либо специальных драйверов.

При включении устройства в разъем оно автоматически распознается системой и регистрируется. При завершении работы необходимо выполнить отключение устройства, после чего оно будет удалено из системы и может быть снято.

Рассмотрим далее характеристики некоторых представителей данного типа устройств.

Рис 6.11. Флеш-накопитель USB Drive.

До недавнего времени карты Flash-памяти использовались в основном только в карманных компьютерах и цифровых камерах. И вот перед нами соединение двух прогрессивных технологий: шины USB и Flash-памяти — USB Drive компании J.M.Tek (рис. 6.11). Устройство небольшого размера (с зажигалку), USB-разъем закрывается защитной заглушкой с защелкой для закрепления в кармане. С торца имеется микропереключатель для защиты диска от случайной записи и контрольный индикатор режима работы. В режиме записи он светится желтым светом, в режиме чтения — зеленым.

Характеристики устройства : емкость диска — 32 Мбайт; интерфейс — USB 1.1; скорость чтения — 800 Кбайт/с; скорость записи — 500 Кбайт/с; рабочая температура -0...+45 ⁰ С; влажность — 5—95 %; срок службы — 10 лет; размеры — 54 х 20 х 10 мм; вес — 15 г.

Контрольные вопросы

1. Перечислите области применения, преимущества и недостатки накопителей на магнитной ленте.

2. Какие существуют внешние устройства хранения информации? Их характеристики.

3. Какими конструктивными особенностями и характеристиками обладает флеш – накопитель?

Раздел 4. Устройства обработки и отображения видеоинформации. Устройства обработки и воспроизведения аудиоинформации.

Тема 4.1 Мониторы.

План

1. Мониторы на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ).

1.1 Типы ЭЛТ-мониторов.

1.2 Принципы работы мониторов.

1.3 Основные характеристики ЭЛТ-мониторов.

2. Плоскопанельные мониторы.

2.1 Принцип действия ЖК – монитора.

2.2 Характеристики жидкокристаллических мониторов.

2.3 Альтернативные технологии изготовления плоскопанельных мониторов.

3. Выбор монитора.

Важнейшим устройством отображения компьютерной информации является монитор. Так же как имеется большое число видеостандартов, так и типы мониторов, существующих в настоящее время, отличаются большим разнообразием.

С точки зрения принципа действия все мониторы для PC можно разделить на две большие группы:

· Мониторы на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), называемой также кинескопом.

· Плоскопанельные мониторы, выполненные, как правило, на основе жидких кристаллов.

1. Мониторы на основе ЭЛТ

Наиболее распространенными устройствами отображения информации являются мониторы на основе ЭЛТ. Принцип действия таких мониторов мало отличается от принципа действия обычного телевизора и заключается в том, что испускаемый электронной пушкой пучок электронов, попадая на экран, покрытый люминофором, вызывает его свечение. На пути пучка электронов обычно находятся дополнительные электроды: модулятор, регулирующий интенсивность пучка электронов и связанную с ней яркость изображения, фокусирующий электрод, определяющий размер светового пятна, а также размещенные на горловине ЭЛТ катушки отклоняющей системы, позволяющие изменять направление пучка.

Заметим, что любое текстовое или графическое изображение на экране монитора компьютера (так же, как и телевизора) состоит из множества дискретных точек люминофора, представляющих собой минимальный элемент изображения (растра), называемых пикселами. Такие мониторы называются растровыми. Электронный луч в этом случае периодически сканирует весь экран, образуя на нем близко расположенные строки развертки. По мере движения луча по строкам видеосигнал, подаваемый на модулятор, изменяет яркость светового пятна и образует видимое на экране изображение. Разрешающая способность монитора определяется числом элементов изображения, которые он способен воспроизводить по горизонтали и вертикали, например, 640x480 или 1024x768 пикселов.

Если в телевизоре видеосигнал, управляющий яркостью (интенсивностью электронного пучка), является аналоговым, т. е. непрерывным по времени и уровню, то в мониторах PC может использоваться как аналоговый, так и цифровой видеосигнал. В зависимости от этого мониторы для PC принято разделять на аналоговые и цифровые.

1.1. Типы ЭЛТ-мониторов.

Исторически первыми устройствами отображения информации мониторами для PC были именно цифровые мониторы (TTL).Управление цифровыми мониторами осуществляется двоичными сигналами, которые имеют только два значения: логической 1 и логического 0 ("да" и "нет"). Уровню логической единицы соответствует напряжение около 5 В, уровню логического нуля — не более 0,5 В. Поскольку такие же уровни "1" и "0" используются в широко распространенной стандартной серии микросхем на основе транзисторно-транзисторной логики, или TTL ( Transistor Transistor Logic — Транзисторно-транзисторная логика), цифровые мониторы часто называют TTL-мониторами. Первые TTL-мониторы были монохромными, более поздние модели — цветными.

К монохромным цифровым мониторам относятся мониторы, сигналы управления которыми формируются графическими картами стандартов MDA или Hercules, изредка — EGA. Уже из самого понятия монохромный ясно, что точка на экране может быть только светлой или темной. В лучшем случае точки могут различаться еще и своей яркостью.

ЭЛТ монохромного монитора имеет только одну электронную пушку, она меньше цветных ЭЛТ, благодаря чему мониторы компактнее и легче других мониторов. Кроме того, монохромный монитор работает с более низким анодным напряжением, чем цветной (15 кВ против 21—25 кВ), поэтому потребляемая им мощность значительно ниже (30 Вт вместо 80—90 Вт у цветных). Эти значения приводятся на обратной стороне корпуса монитора.

Кинескоп цветного цифрового монитора имеет не одну, а три электронные пушки для красного ( Red ), зеленого ( Green ) и синего ( Blue ) цветов с раздельным управлением, его также называют RGB -монитором. Заметим, что современные аналоговые мониторы также являются RGB-мониторами, поскольку термин "RGB-монитор" обозначает только тот факт, что сигналы основных цветов подаются на монитор независимо, по трем отдельным проводам, при этом характер сигнала (цифровой или аналоговый) значения не имеет. Данный термин был введен для того, чтобы отличать такие мониторы от более ранних моделей цветных мониторов, управление которыми, подобно телевизору, осуществлялось композитным видеосигналом, несущим информацию о яркости и цветности и передававшимся по одному проводу.

Цифровые RGB-мониторы предназначены для подключения к видеокартам стандарта CGA и EGA. Размер палитры каждого из мониторов определяется количеством двоичных сигналов, используемых для управления электронными пушками.

Помимо цветного, цифровые RGB-мониторы поддерживают и монохромный режим работы с отображением до 16 градаций серого (в этом случае сигналы трех цветов имеют одинаковую интенсивность).

Аналоговые мониторы , так же как и цифровые бывают цветными и монохромными, при этом цветной монитор может работать в монохромном режиме.

Главная причина перехода к аналоговому видеосигналу состоит в ограниченности палитры цифрового монитора. При использовании двоичных видеосигналов расширение палитры возможно только за счет увеличения количества цветов, однако это тупиковый путь: если количество проводов в кабеле еще можно увеличить, то количество управляющих электродов (модуляторов) электронной пушки увеличить нельзя. Если, к примеру, задаться целью получить режим True Color (24 бита на пиксел) на цифровом мониторе,, то придется сконструировать ЭЛТ с тремя электронными пушками, каждая из которых должна иметь 8 (!) модуляторов. Совершенно очевидно, что это нереально.

В результате разработчики стали использовать не цифровой (двоичный), а аналоговый видеосигнал, который может принимать любое значение в диапазоне от 0 до 0,7 В. Поскольку этих значений бесконечно много, то палитра аналогового монитора неограничена. Другое дело, что видеоадаптер может обеспечить только конечное количество градаций уровня видеосигнала, что в итоге ограничивает палитру всей видеосистемы в целом.

Видеосигнал на аналоговый монитор подается через 15-контактный трехрядный D-образный разъем (стандартный разъем VGA). Поскольку полоса частот видеосигнала аналогового монитора значительно шире, чем у цифрового, для передачи RGB-сигналов используются витые пары (1—6, 2—7, 3—8). Наличие специальных битов идентификации позволяет видеоадаптеру автоматически определить, какой монитор подключен: цветной или монохромный. В последнем случае для передачи видеосигнала задействуется только одна пара контактов 2—7.

1.2. Принцип работы мониторов

Для формирования растра (рис. 4.1) в мониторе используются специальные сигналы. В цикле сканирования луч движется по зигзагообразной траектории от левого верхнего угла до правого нижнего. Прямой ход луча по горизонтали осуществляется сигналом строчной (горизонтальной — Н. Sync ) развертки, а по вертикали — кадровой (вертикальной - - V . Sync ) развертки. Перевод луча из крайней правой точки строки в крайнюю левую точку следующей строки (обратный ход луча по горизонтали) и из крайней правой позиции последней строки экрана в крайнюю левую позицию первой строки (обратный ход луча по вертикали) происходит с помощью специальных сигналов обратного хода.

Рис 14.1. Формирование растра на экране монитора.

Таким образом, наиболее важными для монитора являются следующие параметры: частота вертикальной (кадровой) развертки, частота горизонтальной (строчной) развертки, а при работе с высокими разрешениями важна также ширина полосы пропускания видеотракта.

Описанный выше способ формирования изображения применяется и в телевизорах. Здесь частота обновления изображения (частота кадров) составляет 25 Гц. С первого взгляда кажется, что это очень низкая частота. Однако в телевидении для сокращения полосы частот спектра телевизионного сигнала применяется чересстрочная развертка, т. е. полный растр получается за два приема. Сначала за время, равное 1/50 с, передаются (воспроизводятся) только нечетные строки: 1, 3, 5 и т. д. Эта часть растра называется полем нечетных строк или нечетным полукадром. Затем развертывающий электронный луч быстро переводится от нижнего края экрана вверх и попадает в начало 2-ой (четной) строки. Далее луч прорисовывает все четные строки: 2, 4, 6 и т. д. Так формируется поле четных строк или четный полукадр. Если наложить оба полукадра друг на друга, то получится полный растр изображения.

Данный способ формирования изображения как в мониторах, так и в телевизорах оказался возможным благодаря двум свойствам, а точнее недостаткам, нашего зрения:

Инерционность восприятия световых раздражений , т. е. возникновение и прекращение фотохимических реакций в сетчатке глаза после начала и окончания воздействия импульса света происходит не мгновенно, а с задержкой, характеризующей эту инерционность. Для обычно встречающихся условий наблюдения время возникновения зрительного ощущения составляет около 0,1 с. Время сохранения светового возбуждения составляет 0,4—1,0 с после окончания действия светового раздражителя. Благодаря такому свойству зрения оказалось, возможным производить поэлементную развертку изображения от строки к строке и от одного полукадра к другому (при чересстрочном способе формирования изображения), т. е. изображение представляется в виде быстро сменяющейся последовательности строк и кадров.

Ограниченная разрешающая способность по перемещениям . Это свойство учитывается при отображении движущихся предметов на экране монитора или телевизора. Для того чтобы движения казались плавными, каждое изменение положения предметов должно быть передано небольшими "порциями", т. е. различия в картинках должны быть достаточно малыми (как в мультипликации). Движение передается путем покадрового воспроизведения отдельных мало отличающихся друг от друга фаз движения.

Принцип формирования растра у цветного монитора такой же, как и у монохромного. Однако в основу способа формирования цветного изображения положены другие важнейшие свойства цветового зрения:

Трехкомпонентность цветового восприятия. Это означает, что все цвета могут быть получены путем сложения (смешения) трех световых потоков, например красного, синего и зеленого, что позволило в цветных телевизорах и мониторах использовать метод аддитивного смешения цветов. Данный метод можно проиллюстрировать путем одновременной непрерывной проекции на экран изображений трех основных цветов при условии перекрывания ими одной и той же поверхности экрана (рис. 4.2).

Рис 4.2. Модель аддитивного смешения цветов.

В соответствии с теорией трехкомпонентного цветовосприятия, используя смешение трех основных цветов, оказалось возможным получить требуемую гамму цветовых оттенков. При смешении в определенной пропорции основных цветов — красного, синего и зеленого — получаются цвета, приведенные на рис. 14.2.

Пространственное усреднение цвета . Если на цветном изображении имеются близко расположенные цветные детали, то с большого расстояния мы не различаем цвета отдельных деталей. Вся группа будет окрашена в один цвет в соответствии с законами смешения цветов. Это свойство зрения позволяет в электронно-лучевой трубке монитора формировать цвет одного элемента изображения из трех цветов расположенных рядом люминофорных зерен.

В соответствии с особенностями человеческого зрения, в ЭЛТ цветного монитора имеются три электронные пушки с отдельными схемами управления, а на внутреннюю поверхность экрана нанесен люминофор трех основных цветов: красный, синий и зеленый (рис. 4.3, 4.4). Чтобы каждая пушка "стреляла" только по своим пятнам люминофора, в каждом цветном кинескопе имеется специальная цветоделительная маска.

Рис 4.3. Схема размещения пикселов на экране монитора

Рис. 4.4. Полная модель образования цветов на экране монитора.

В зависимости от расположения электронных пушек и конструкции цветоделительной маски различают ЭЛТ четырех типов, используемых в современных мониторах:

· ЭЛТ с теневой маской ( Shadow mask ) и дельтаобразным расположением электронных пушек — наиболее распространенные ЭЛТ (рис. 14.5, а).

· ЭЛТ с улучшенной теневой маской ( EDP — Enhanced Dot Pitch ) и планарным расположением электронных пушек, обеспечивающие повышенное разрешение (такими ЭЛТ оснащены мониторы фирмы Hitachi) (рис. 14.5, б).

· ЭЛТ со щелевой маской ( Slot mask ) — этот тип ЭЛТ, широко используемый в телевизорах, применяется в мониторах фирмы NEC и носит название Cromaclear (рис. 14.5, в).

· ЭЛТ с апертурной решеткой ( Aperture grill , AG ), к которым относятся ЭЛТ типа Trinitron фирмы Sony, DiamondTron фирмы Mitsubishi и SonicTron фирмы ViewSonic (рис. 14.5, г).

Рис. 4.5. Типы цветоделительной маски.

Теневая маска представляет собой металлическую пластину из специального материала — инвара с системой отверстий, соответствующих точкам люминофора, нанесенным на внутреннюю поверхность кинескопа (рис. 14.6). Очень низкий коэффициент линейного расширения инвара обеспечивает стабильность формы теневой маски при ее разогреве за счет электронной бомбардировки.

Апертурная решетка образована системой щелей, выполняющих ту же функцию, что и отверстия в теневой маске

Рис. 4.6. Конструкция электронно-лучевой трубки с теневой маской.

1.3. Характеристики ЭЛТ-мониторов.

ЭЛТ-мониторы имеют следующие основные характеристики.

Диагональ экрана монитора — расстояние между левым нижним и правым верхним углом экрана, измеряемое в дюймах. Размер видимой пользователю области экрана обычно несколько меньше, в среднем на 1", чем размер трубки. Производители могут указывать в сопровождающей документации два размера диагонали, при этом видимый размер обычно обозначается в скобках или с пометкой «Viewable size», но иногда указывается только один размер — размер диагонали трубки. В качестве стандарта для ПК выделились мониторы с диагональю 15", что примерно соответствует 36—39 см диагонали видимой области. Для работы в Windows желательно иметь монитор размером, по крайней мере, 17". Для профессиональной работы с настольными издательскими системами (НИС) и системами автоматизированного проектирования (САПР) лучше использовать монитор размером 20" или 21".

Размер зерна экрана определяет расстояние между ближайшими отверстиями в цветоделительной маске используемого типа. Расстояние между отверстиями маски измеряется в миллиметрах. Чем меньше расстояние между отверстиями в теневой маске и чем больше этих отверстий, тем выше качество изображения. Все мониторы с зерном более 0,28 мм относятся к категории грубых и стоят дешевле. Лучшие мониторы имеют зерно 0,24 мм, достигая 0,2 мм у самых дорогостоящих моделей.

Разрешающая способность монитора определяется количеством элементов изображения, которые он способен воспроизводить по горизонтали и вертикали. Мониторы с диагональю экрана 19" поддерживают разрешение до 1920 х 14400 и выше.

Тип электронно-лучевой трубки следует принимать во внимание при выборе монитора. Наиболее предпочтительны такие типы кинескопов, как Black Trinitron, Black Matrix или Black Planar. Мониторы этих типов имеют особое люминофорное покрытие.

Потребляемая мощность монитора указывается в его технических характеристиках. У мониторов 14" потребляемая мощность не должна превышать 60 Вт.

Покрытия экрана необходимы для придания ему антибликовых и антистатических свойств. Антибликовое покрытие позволяет наблюдать на экране монитора только изображение, формируемое компьютером, и не утомлять глаза наблюдением отраженных объектов. Существует несколько способов получения антибликовой (не отражающей) поверхности. Самый дешевый из них — протравливание. Оно придает поверхности шероховатость. Однако графика на таком экране выглядит нерезко, качество изображения низкое. Наиболее популярен способ нанесения кварцевого покрытия, рассеивающего падающий свет; этот способ реализован фирмами Hitachi и Samsung. Антистатическое покрытие необходимо для предотвращения прилипания к экрану пыли вследствие накопления статического электричества.

Защитный экран (фильтр) должен быть непременным атрибутом ЭЛТ-монитора, поскольку медицинские исследования показали, что излучение, содержащее лучи в широком диапазоне (рентгеновское, инфракрасное и радиоизлучение), а также электростатические поля, сопровождающие работу монитора, могут весьма отрицательно сказываться на здоровье человека.

По технологии изготовления защитные фильтры бывают: сеточные, пленочные и стеклянные. Фильтры могут крепиться к передней стенке монитора, навешиваться на верхний край, вставляться в специальный желобок вокруг экрана или надеваться на монитор.

Сеточные фильтры практически не защищают от электромагнитного излучения и статического электричества и несколько ухудшают контрастность изображения. Однако эти фильтры неплохо ослабляют блики от внешнего освещения, что немаловажно при длительной работе с компьютером.

Пленочные фильтры также не защищают от статического электричества, но значительно повышают контрастность изображения, практически полностью поглощают ультрафиолетовое излучение и снижают уровень рентгеновского излучения. Поляризационные пленочные фильтры, например фирмы Polaroid, способны поворачивать плоскость поляризации отраженного света и подавлять возникновение бликов.

Стеклянные фильтры производятся в нескольких модификациях. Простые стеклянные фильтры снимают статический заряд, ослабляют низкочастотные электромагнитные поля, снижают интенсивность ультрафиолетового излучения и повышают контрастность изображения. Стеклянные фильтры категории «полная защита» обладают наибольшей совокупностью защитных свойств: практически не дают бликов, повышают контрастность изображения в полтора-два раза, устраняют электростатическое поле и ультрафиолетовое излучение, значительно снижают низкочастотное магнитное (менее 1000 Гц) и рентгеновское излучение. Эти фильтры изготавливаются из специального стекла.

Безопасность монитора для человека регламентируется стандартами ТСО: ТСО 92, ТСО 95, ТСО 99, предложенными Шведской конфедерацией профсоюзов. ТСО 92, выпущенный в 1992 г., определяет параметры электромагнитного излучения, дает определенную гарантию противопожарной безопасности, обеспечивает электрическую безопасность и определяет параметры энергосбережения. В 1995 г. стандарт существенно расширили (ТСО 95), включив в него требования к эргономике мониторов. В ТСО 99 требования к мониторам еще более ужесточили. В частности, стали жестче требования к излучениям, эргономике, энергосбережению, пожаробезопасности. Присутствуют здесь и экологические требования, которые ограничивают наличие в деталях монитора различных опасных веществ и элементов, например тяжёлых металлов.

2. Плоскопанельные мониторы

Несмотря на широкое распространение, мониторы на основе ЭЛТ имеют ряд существенных недостатков, ограничивающих (а порой и делающих невозможным) использование мониторов. Такими недостатками являются:

· Большие масса и габариты.

· Значительное энергопотребление, наличие тепловыделения.

· Излучения, вредные для здоровья человека.

· Значительная нелинейность растра, сложность ее коррекции.

Первые два недостатка не позволяют использовать мониторы на основе ЭЛТ в переносных компьютерах типа Laptop и Notebook, остальные осложняют работу оператора и наносят вред его здоровью. Однако главными недостатками обычных мониторов все же являются большие габариты, масса и энергопотребление. Для устранения этих недостатков были разработаны малогабаритные дисплеи на основе жидких кристаллов, которые в дальнейшем будем называть ЖК-мониторами. Главное отличие ЖК-монитора от обычного состоит в том, что он совершенно плоский. По этой причине мониторы подобного типа стали называть плоскопанельными.

В настоящее время плоскопанельные мониторы используются не только в составе переносных компьютеров типа Notebook, но и в качестве самостоятельного устройства отображения, которое можно подключить к любому PC. Обладая рядом важных преимуществ по сравнению с мониторами на основе ЭЛТ, плоскопанельные мониторы, несмотря на более высокую стоимость, получают все более широкое распространение.

2.1. Принципы действия ЖК-мониторов.

Основным элементом ЖК-монитора является ЖК-экран, состоящий из двух панелей, выполненных из стекла, между которыми размещен слой жидкокристаллического вещества. Эти стеклянные панели обычно называют подложками. Как и в обычном мониторе, экран ЖК-монитора представляет собой совокупность отдельных элементов — ЖК-ячеек, каждая из которых генерирует 1 пиксель изображения. Однако, в отличие от зерна люминофора ЭЛТ, ЖК-ячейка сама не генерирует свет, а лишь управляет интенсивностью проходящего света, поэтому ЖК-мониторы всегда используют подсветку.

По сути ЖК-ячейка представляет собой электронно-управляемый светофильтр, принцип действия которого основан на эффекте поляризации световой волны. Жидкокристаллическое вещество, размещенное между подложками, имеет молекулы вытянутой формы, называемые нематическими. Благодаря этому молекулы ЖК-вещества имеют упорядоченную ориентацию, что приводит к появлению оптической анизотропии, при которой показатель преломления ЖК-вещества зависит от направления распространения световой волны. Если нанести на подложки мелкие бороздки, то молекулы ЖК-вещества будут ориентированы вдоль этих бороздок. Другим важным свойством ЖК-вещества является зависимость ориентации молекул от направления внешнего электрического поля . Используя два этих свойства, можно создать электронно-управляемый светофильтр.

Рис. 4.7. Принцип действия ячейки ЖК-монитора.

В ЖК-мониторах чаще всего используются ЖК-ячейки с твистированной (закрученной на 90°) ориентацией молекул (рис. 4.7, а). Для создания такой ячейки применяются подложки, у которых ориентирующие канавки также развернуты друг относительно друга на угол 90°. Такая ячейка называется твистированной нематической ( Twisted Nematic ). Проходя через эту ячейку, плоскость поляризации световой волны также поворачивается на 90°. Помимо ориентирующего действия, подложки ЖК-ячейки играют роль поляризационных фильтров, поскольку пропускают световую волну только с линейной поляризацией. Верхняя подложка называется поляризатором, а нижняя — анализатором. Векторы поляризации подложек так же, как и векторы их ориентирующего действия, развернуты на 90° друг относительно друга.

При отсутствии внешнего электрического поля падающий на ячейку свет проходит через поляризатор и приобретает определенную поляризацию, совпадающую с ориентацией молекул жидкокристаллического вещества у поверхности поляризатора. По мере распространения света по направлению к нижней подложке (анализатору) его плоскость поляризации поворачивается на 90°. Достигнув анализатора, свет свободно проходит через него, поскольку плоскость его поляризации совпадает с плоскостью поляризации анализатора. В результате ЖК-ячейка оказывается прозрачной.

Ситуация изменится, если к подложкам приложить напряжение 3-10 В. В этом случае между подложками возникнет электрическое поле и молекулы жидкокристаллического вещества расположатся параллельно силовым линиям поля (рис. 4.7, б). Твистированная структура жидкокристаллического вещества исчезает, и поворота плоскости поляризации проходящего через него света не происходит. В результате плоскость поляризации света не совпадает с плоскостью поляризации анализатора, и ЖК-ячейка оказывается непрозрачной.

В качестве ламп подсветки ЖК-экранов используют специальные электро-люминисцентные лампы с холодным катодом, характеризующиеся низким энергопотреблением. Это, наряду с низким управляющим напряжением ЖК-ячейки, объясняет низкое энергопотребление ЖК-экранов (обычно на 70% меньше, чем потребляют ЭЛТ-мониторы). В зависимости от места расположения подсветки экраны бывают с подсветкой сзади ( backlight , или backlit ) и с подсветкой по бокам ( sidelihgt , или sidelif ).

Если пиксел изображения образован единственной ЖК-ячейкой, изображение на экране будет монохромным. Для получения цветного изображения ЖК-ячейки объединяют в триады , снабдив каждую из них светофильтром, пропускающим один из трех основных цветов.

Благодаря применению технологии Twisted Nematic была решена проблема габаритов и энергопотребления, однако эта технология имеет ряд серьезных недостатков:

· Низкое быстродействие ячеек — на изменение ориентации молекул жидкокристаллического вещества требовалось до 500 мс, что не позволяло использовать такие ЖК-экраны для отображения динамических изображений (например, на экране монитора пропадало изображение указателя мыши при ее быстром перемещении).

· Сильная зависимость качества изображения (яркости, контрастности) от внешних засветок.

· Сильное взаимное влияние ячеек, вызванное влиянием управляющего сигнала одной ячейки на соседние.

· Ограниченный угол зрения, под которым изображение на ЖК-экране хорошо видно.

· Низкая яркость и насыщенность изображения.

· Ограниченные размеры ЖК-экрана.

· Высокая стоимость.

Для устранения перечисленных выше недостатков технология Twisted Nematic была усовершенствована. С целью улучшения контрастности изображения угол закручивания молекул ЖК-вещества был увеличен сначала до 120°, а затем — до 270°. Такие ячейки получили название STN ( Super - Twisted Nematic — Сверхзакрученные нематические ячейки).

Дальнейшим шагом в этом направлении стало использование не одной, а двух ячеек одновременно, последовательно поворачивающих плоскость поляризации в противоположных направлениях. Эта технология получила название DSTN ( Dual Super - Twisted Nematic — Двойные сверхзакрученные нематические ячейки).

Проблема низкого быстродействия ЖК-ячеек была частично решена путем использования так называемого двойного сканирования, когда весь ЖК-экран разбивается на четные и нечетные строки, обновление которых выполняется одновременно. Двойное сканирование совместно с использованием более подвижных молекул позволило снизить время реакции ЖК-ячейки до 150 мс и значительно повысить частоту обновления экрана.

Радикально повысить контрастность и быстродействие ЖК-экранов позволила так называемая технология активных ЖК-ячеек. От обычной (пассивной) активная ЖК-ячейка отличается наличием собственного электронного ключа, выполненного на транзисторе. Такой ключ позволяет коммутировать более высокое (десятки вольт) напряжение, используя сигнал низкого уровня (около 0,7 В).

Благодаря применению активных ЖК-ячеек стало возможным значительно снизить уровень сигнала управления и, тем самым, решить проблему частичной засветки соседних пикселов. Поскольку электронные ключи выполняются по тонкопленочной технологии, подобные ЖК-экраны получили название TFT -экраны ( Thin Film Transistor — Тонкопленочный транзистор).

Технология TFT была разработана специалистами фирмы Toshiba. Она позволила не только значительно улучшить показатели ЖК-мониторов (например, яркость, контрастность, угол зрения), но и создать на основе активной ЖК-матрицы цветной монитор. Каждый элемент такой ЖК-матрицы образован тремя тонкопленочными транзисторами и триадой управляемых ими ЖК-ячеек. Каждая ячейка триады снабжена светофильтром одного из трех основных цветов: красного, зеленого или синего. Изменяя уровень поданного на транзистор управляющего сигнала, можно регулировать яркость каждой ячейки триады. Таким образом, TFT-экран ЖК-монитора состоит из таких же триад, как экран обычного монитора на основе ЭЛТ.

Формирование и подача управляющего сигнала видеоадаптера на каждую ЖК-ячейку экрана — трудная задача. Для ее решения в состав плоскопанельного монитора входит специальная электронная схема управления -контроллер ЖК-экрана. Контроллер является наиболее сложным элементом ЖК-монитора. Он выполняет синхронизацию по частоте и фазе выходных сигналов видеоадаптера и управляющих ЖК-экраном синхросигналов, формируемых схемами управления строками и столбцами. Рассогласование этих сигналов по частоте ведет к нарушению корректности обновления строк: нарушается соответствие положения элементов растра на экране временным параметрам видеосигнала. В результате этого появляются такие дефекты изображения, как дрожание растра, появление вертикальных линий на изображении либо его полное пропадание. После выравнивания частот указанных сигналов контроллер ЖК-экрана производит их синхронизацию по фазе, что позволяет добиться необходимой фокусировки изображения и полностью устранить его дрожание.

Помимо адресации ячеек и синхронизации изображения, контроллер ЖК-экрана выполняет дополнительное аналого-цифровое преобразование видеосигнала. Необходимость преобразования обусловлена тем, что ЖК-экран (как совокупность огромного количества ячеек) представляет собой устройство с цифровым управлением, т. е. на схему адресации ячеек необходимо подавать цифровой код. В результате значительно уменьшается количество оттенков цвета, отображаемых ЖК-монитором.

2.2. Характеристики жидкокристаллических мониторов

Различия в принципах работы обычных и ЖК-мониторов отражаются на потребительских характеристиках последних: ЖК-мониторы имеют несколько иную иерархию качественных показателей. К основным характеристикам жидкокристаллических мониторов относятся следующие.

Размер экрана ЖК-мониторов пока меньше, чем у обычных мониторов: размер ЖК-экрана большинства моделей находится в пределах от 13 до 16"..

Ориентация экрана может быть портретная или ландшафтная. Традиционные экраны ЭЛТ-мониторов и ЖК-экраны компьютеров типа Notebook имеют только ландшафтную ориентацию. Это обусловлено тем, что поле зрения человека в горизонтальном направлении шире, чем в вертикальном. Однако в ряде случаев (работа с текстами большого объема, Web-страницами) намного удобнее работать с экраном портретной ориентации. Здесь в полной мере проявляется преимущество ЖК-экрана -его можно легко развернуть на 90°, при этом ориентация изображения останется прежней.

Разрешение определяется размером ЖК-экрана и размером отдельной ЖК-ячейки. Если разрешение экрана обычного монитора можно менять в широких пределах без заметного ущерба для качества изображения, то подобные манипуляции с плоскопанельными мониторами приводят к появлению лестничного эффекта — края объектов становятся шероховатыми, зазубренными. Особенно негативно это сказывается на качестве отображения экранных шрифтов.

Частота строчной развертки ЖК-мониторов изменяется в диапазоне 30— 60 кГц. Для получения стабильного и сфокусированного изображения сигналы строчной развертки ЖК-экрана обычно необходимо подстраивать по частоте и фазе каждый раз при подключении к новому PC.

Важная особенность ЖК-мониторов — они предоставляют возможность комфортно работать при сравнительно низкой частоте кадров порядка 60 Гц, что обусловлено большей инерционностью ЖК-ячейки по сравнению с люминофором. Типичная частота кадров в ЖК-мониторе обычно не превышает 75—85 Гц, хотя в некоторых моделях она может быть 100 Гц и более (120 Гц у модели 9516 В13).

Яркость является важнейшим параметром, на который следует обратить внимание при выборе плоскопанельного монитора. Чем выше яркость, тем лучше: изображение будет более красочным, блики станут менее заметны, углы обзора увеличатся.

Контрастность изображения на ЖК-экране показывает, во сколько раз изменяется его яркость при изменении уровня видеосигнала от максимального до минимального. Эту величину часто называют коэффициентом контрастности и обозначают в виде отношения (например, 150:1) Чем выше контрастность ЖК-экрана, тем более четкое изображение можно на нем получить. Приемлемая цветопередача обеспечивается при контрастности не менее 130:1, высококачественная цветопередача требует контрастности 300:1.

Инерционность ЖК-экрана характеризуется минимальным временем, необходимым для активизации его ячейки. Это время у современных ЖК-экранов значительно уменьшилось по сравнению с первыми моделями. Инерционность современных ЖК-экранов составляет 30—70 мкс, т. е. соответствует значениям аналогичных параметров обычных мониторов.

Палитра ЖК-мониторов характеризуются ограниченным количеством воспроизводимых на экране оттенков цветов. Эта ограниченность объясняется тем, что ЖК-монитор является цифровым и требует выполнения дополнительного аналого-цифрового преобразования RGB-сигнала видеоадаптера перед подачей его на ЖК-ячейки. Типовой размер палитры современных ЖК-мониторов составляет 262 144 или 16 777 216 оттенков цветов. Очевидно, что в первом случае режим True Color нельзя реализовать даже тогда, когда на карте видеоадаптера имеется достаточно видеопамяти. Это обстоятельство следует учитывать при выборе монитора и видеоадаптера.

Наличие проблемных, или "заклинивших", пикселов, яркость которых при смене изображения и даже при выключении монитора остается неизменной является еще одной отличительной чертой плоскопанельных мониторов. Этот недостаток обусловлен несовершенством технологии производства ЖК-экранов. Рекомендация по этому поводу звучит тривиально — при выборе монитора следует внимательно изучить поверхность его экрана на предмет наличия таких пикселов и при их обнаружении потребовать у продавца заменить монитор.

Потребляемая мощность ЖК-мониторов не превышает 35—50 Вт в рабочем режиме и 5—8 Вт в режиме ожидания (дежурном режиме). Столь низкие значения обусловлены отсутствием в этих мониторах блоков разверток и высокого напряжения, необходимых для работы мониторов с ЭЛТ.

2.3. Альтернативные технологии изготовления плоскопанельных мониторов.

В настоящее время мониторы на основе жидких кристаллов являются наиболее популярными и технологически отработанными представителями семейства плоскопанельных мониторов. Однако они не единственные — продолжают активно развиваться альтернативные технологии изготовления плоских экранов.

В плазменных дисплеях ( Plasma Display Panel , PDF ) вместо жидкокристаллического вещества используется ионизированный газ. Его молекулы обладают способностью излучать свет в процессе рекомбинации (т. е. восстановления электрической нейтральности). Для приведения молекул газа в ионизированное состояние, т. е. в состояние плазмы (отсюда и происходит название данной технологии), используется высокое напряжение. При ярком свете изображение на экране плазменного дисплея выглядит немного расплывчатым. В настоящее время выпускаются модели с экраном очень большого размера — 42". Плазменные дисплеи стоят очень дорого.

Электролюминесцентные мониторы (ElectroLuminescent displays, ELs) no своей конструкции аналогичны ЖК-мониторам, но их принцип действия основан на другом физическом явлении – испускании света при возникновении туннельного эффекта в полупроводниковом p-n-переходе. Такие мониторы имеют высокие частоты развертки и яркость свечения, кроме того, они надежны в работе. Тем не менее, уступают ЖК-мониторам по энергопотреблению (на ячейки подается сравнительно высокое напряжение — около 100 В), а также по чистоте цветов, которые тускнеют при ярком освещении.

Мониторы электростатической эмиссии (Field Emission Displays, FED) являются своего рода гибридом двух технологий: традиционной, основанной на использовании ЭЛТ, и жидкокристаллической. В качестве пикселов применяются такие же зерна люминофора, как и в обычном кинескопе. Благодаря этому удалось получить очень чистые и сочные цвета, свойственные обычным мониторам. Но активизация этих зерен производится не электронным лучом, а электронными ключами наподобие тех, что используются в TFT-экранах. Управление этими ключами осуществляется специальной схемой, принцип действия которой аналогичен принципу действия контроллера ЖК-экрана. Для работы такого монитора необходимо высокое напряжение -около 5000 В. Энергопотребление мониторов электростатической эмиссии значительно выше, чем ЖК-мониторов, но на 30% ниже, чем энергопотребление обычных мониторов с экраном того же размера. В настоящее время эта технология обеспечивает наилучшее качество изображения среди всех плоскопанельных мониторов и самую низкую инерционность (около 5 мкс), однако промышленные образцы, имеющие экран размером 14—15", на рынке пока не появились.

Технология изготовления органических светодиодных мониторов ( Organic Light - Emitting Diode displays , OLEDs ), или LEP -мониторов ( Light Emission Plastics — Светоизлучающий пластик) , также во многом похожа на технологии изготовления ЖК- и EL-мониторов, но отличается материалом, из которого изготавливается экран: в LEP-мониторах используется специальный органический полимер (пластик), обладающий свойством полупроводимости. При пропускании электрического тока такой материал начинает светиться.

Основные преимущества технологии LEP являются очень низкое энергопотребление (подводимое к пикселу напряжение менее 3 В), простота и дешевизна изготовления, тонкий (около 2 мм) и, возможно, эластичный экран, низкая инерционность (менее 1 мкс).

Недостатком этой технологии являются низкая яркость свечения экрана, монохромность изображения (изготовлены только черно-желтые экраны), маленький экран. LEP-мониторы используются пока только в портативных устройствах, например, в сотовых телефонных трубках.

3. Выбор монитора.

При выборе монитора следует провести тестирование качества выводимого на экран монитора изображения с помощью специальный утилиты, например, Nokia Monitor Test. В случае отсутствия специальных утилит используют визуальный контроль качества. Предварительно необходимо включить монитор и дать ему прогреться не менее 20 мин. После непрерывной работы в течение 1,5 —2 ч можно заметить такой тип брака, как появление на экране слабо выраженных нарушений чистоты тона, хорошо заметных на белом фоне и с большого расстояния. На некоторых мониторах такой эффект может выражаться достаточно сильно. Например, весь экран может приобрести голубоватый оттенок, а пятна на нем — желтоватый. Подобные проблемы связаны с термодеформацией маски ЭЛТ-монитора.

Проверка фокусировки электронных пушек как в центре экрана, так и по углам производится путем наблюдения темного текста на светлом фоне в центре и в углах экрана. Буквы должны быть четкими и хорошо читаемыми, а на краях экрана пикселы не должны размазываться или двоиться.

Проверка сведения может быть выполнена путем наблюдения белых линий, отображаемых на черном фоне. Если на линии появляются полосы другого цвета, воспроизведение на данном мониторе мелких объектов, таких, как символы или линии, может быть невысокого качества.

Геометрические искажения можно выявить путем перемещения объекта с постоянными размерами, например приложением любого окна небольшого размера к экрану и измерением его размеров в разных частях экрана. Если размеры окна изменяются в разных частях экрана, значит, присутствует геометрическое искажение, которое, скорее всего, нельзя исправить, особенно если в мониторе не предусмотрены изменяемые параметры настройки геометрии в достаточном количестве.

Цветопередача может быть проконтролирована путем последовательного отображения на экране чистых красного, зеленого и синего цветов и наблюдения за тем, как эти цвета отображаются на экране. Если цвет отображается неправильно, значит, у монитора неверная цветопередача.

Неравномерность засветки выявляют при выведении на экран полностью белого изображения. Яркость должна быть равномерной по всей площади и не должно быть заметно никаких явных цветных или темных пятен.

Муар, или комбинационное искажение, проявляется на фоне или вокруг объектов в виде контуров линий, волн, ряби и т.д. Муар является следствием естественной интерференции, которая проявляется на всех ЭЛТ-мониторах. Муар зависит от используемого разрешения и размера монитора и лучше всего заметен именно в высоких разрешениях на мониторах с прекрасно сфокусированными лучами. Если виден муар, значит, монитор хорошо сфокусирован. Если муара вообще не наблюдается, значит, у монитора плохая фокусировка. В некоторых мониторах предусмотрена регулировка муара, что позволяет сделать его незаметным.

Контрольные вопросы.

1. Охарактеризуйте различные типы ЭЛТ-мониторов.

1. Каким образом формируется изображение в ЭЛТ-мониторах?

2. Какими характеристиками обладают мониторы на основе электронно-лучевой трубки.

3. Как организуется формирование изображения в ЖК-мониторах?

4. Приведите основные характеристики плоскопанельных мониторов.

5. Какие альтернативные технологии используются в построении плоскопанельных мониторов?

6. На какие параметры нужно обратить внимание при выборе монитора?

Тема 4.2. Проекционные аппараты.

План.

1. Оверхед-проекторы и ЖК-панели.

2. Мультимедийные проекторы.

2.1 TFT-проекторы.

2.2 Полисиликоновые проекторы.

2.3 ЖК-проекторы отражательного типа.

Проекционный аппарат (проектор) (от латинского projicio — бросаю вперед) — оптико-механический прибор для проецирования на экран увеличенных изображений различных объектов.

Принцип действия проекционных аппаратов заключается в проецировании с помощью оптической системы на экран изображения объекта, нанесенного на тонкой полупрозрачной пленке, при освещении его мощной проекционной лампой. В результате изображение может быть показано большой аудитории.

Первый проектор изобрел немецкий физик и математик Афанасий Кирхер в 1640 г., назвав свой аппарат «волшебный фонарь». Аппарат, в котором источником света служила свеча, позволял создавать на экране теневые проекции изображения людей, животных или предметов, вырезанных из картона.

Современные проекционные аппараты служат для демонстрации прозрачных объектов: диапозитивов (кодопроекторы), диафильмов (диапроекторы), непрозрачных (эпипроекторы), а также тех и других (эпидиапроекторы). Проекционные аппараты применяются для презентаций, в качестве технических средств обучения. Поскольку в настоящее время весомая часть информации находится в электронном виде, возникла необходимость проецирования на экран изображения с экрана монитора.

Современные проекционные аппараты, подключаемые к ПК, позволяют проецировать на большой экран изображение с экрана монитора. В компьютерных проекторах в качестве источника проецируемого изображения используется специальный электронно-управляемый модулятор, на который подается сигнал от видеоадаптера PC. Такой модулятор выполняет функцию диапозитивной пленки или слайда в обычном проекторе и используется в качестве управляемого светофильтра, модулирующего световой поток от проекционной лампы.

Конструкции и принципы действия модуляторов отличаются большим разнообразием, хотя в основном они построены на базе ЖК-панелей. Все компьютерные проекторы можно разбить на две группы:

• универсальные проекторы (оверхед-проекторы) общего назначения; в качестве источника изображения в них используется специальный внешний модулятор — ЖК-панель;

• мультимедийные проекторы со встроенным модулятором.

На компьютерный проектор подается RGB-сигнал, снимаемый с выхода видеоадаптера ПК, а также обычный видеосигнал, источником которого может быть бытовая или полупрофессиональная видеоаппаратура. Проекторы, в которых в качестве входного используется только видеосигнал, называются видеопроекторами.

1. Оверхед-проекторы и ЖК-панели

Оверхед-проектор ( Over Head Projector — проектор, расположенный над головой) — проекционный аппарат, в котором изображение от источника проецируется на экран при помощи наклонного проекционного зеркала. Конструктивно в зависимости от места размещения проекционной лампы оверхед-проекторы разделяются на отражательные и просветные.

Отражательные проекторы представляют собой малогабаритные устройства, предназначенные для проецирования изображений, нанесенных на специальную прозрачную пленку. Отражательные проекторы не могут использоваться совместно с ЖК-панелями, поскольку мощность проекционной лампы у них невелика.

Просветные проекторы (рис. 4.8) отличаются тем, что у них проекционная лампа размещается под рабочей поверхностью устройства внутри его основания, мощность лампы увеличена в десятки раз и имеется ее принудительное охлаждение с помощью вентилятора, как показано на оптической схеме рис. 4.8, а. Это позволяет использовать в качестве источника изображения не только прозрачные пленки, но и менее прозрачные ЖК-панели.

ЖК-панель, подключенную к видеоадаптеру ПК, устанавливают на прозрачную рабочую поверхность проектора как прозрачную пленку. Световой поток от проекционной лампы через специальную фокусирующую линзу освещает ЖК-панель и, проходя через нее и рассеивающую линзу, поступает на проекционное зеркало.

По конструкции и габаритам ЖК-панель напоминает дисплей ПК типа Notebook, причем на ее корпусе расположены органы управления параметрами изображения.

Рис. 4.8. Просветный оверхед-проектор: а — оптическая схема; б — общий вид

Общий вид проектора дан на рис. 4.8, б.

Качество изображения, формируемого оверхед-проектором, подключаемым к компьютеру, определяется характеристиками ЖК-панели, которые аналогичны характеристикам плоскопанельных ЖК-мониторов: размер, максимальное разрешение, количество воспроизводимых оттенков цветов, яркость. В зависимости от разрешения экрана различают ЖК-панели следующих типов с соответствующим максимальным разрешением экрана: VGA-панели (640x480); SVGA-панели (800 х 600); XGA-панели (1024x768); SXGA-панели (1280 х 1024).

В VGA-панелях, рассчитанных на небольшую аудиторию, в качестве экрана используется пассивная ЖК-матрица, основанная на применении технологии DSTN; в более качественных панелях используется активный TFT-экран.

Помимо основной задачи — преобразования электрического сигнала от видеоадаптера в изображение на экране с целью его последующего проецирования на большой внешний экран, отдельные модели ЖК-панелей обладают рядом дополнительных возможностей, полезных, например, в учебном процессе, при проведении презентаций: дистанционное управление (ДУ); возможность увеличения изображения в целом или его фрагмента. При реализации функции «Указка» ЖК-панель на своем экране формирует маркер, напоминающий указатель мыши, положением которого можно управлять с помощью пульта ДУ. Функция «Замораживание» предусматривает запоминание и фиксацию на экране текущего изображения на время подготовки компьютера или презентационной программы к показу следующего сюжета.

Для управления работой ЖК-панели может использоваться дистанционная мышь, соединенная с адаптером, подключенным к последовательному порту компьютера при помощи кабеля или по радиоканалу.

2. Мультимедийные проекторы.

В мультимедийном проекторе проекционная лампа, ЖК-матрица и оптическая система конструктивно размещаются в одном корпусе, что делает их похожими на диапроекторы, предназначенные для просмотра слайдов или диафильмов. По принципу действия мультимедийный проектор не отличается от оверхед-проектора: изображение создается с помощью мощной проекционной лампы и встроенного в проектор электронно-оптического модулятора, управляемого сигналом видеоадаптера ПК, а затем посредством оптической системы проецируется на внешний экран. Основным отличием в мультимедийных проекторах является конструкция модулятора и способы построения и переноса изображения на экран. В зависимости от конструкции модулятора проекторы бывают следующих типов: TFT -проекторы; полисиликоновые проекторы и DMD / DLP -проекторы.

В зависимости от способа освещения модулятора мультимедийные проекторы подразделяют на проекторы просветного и отражательного типов.

2.1. Т FT -проекторы.

В TFT -проекторах, относящихся к проекторам просветного типа, в качестве модулятора используется малогабаритная цветная активная ЖК-матрица, выполненная по технологии TFT. Принцип действия мультимедийного TFT-проектора просветного типа иллюстрирует рис. 4.9.

Рис. 4.9. Принцип действия мультимедийного TFT-проектора просветного типа

Основным элементом установки является миниатюрная ЖК-матрица, выполненная по технологии TFT, как и ЖК-экран плоскопанельного цветного монитора. Равномерное освещение поверхности ЖК-матрицы достигается за счет применения системы линз, называемой конденсором.

2.2. Полисиликоновые мультимедийные проекторы

также относятся к проекторам просветного типа и применяются в том случае, когда необходимо получить более яркое изображение. В них используется не одна цветная TFT-матрица, а три монохромных миниатюрных ЖК-матрицы размером около 1,3". Каждая из матриц формирует монохромное изображение красного, зеленого или синего цвета. Оптическая система проектора, как показано на рис. 4.10, обеспечивает совмещение трех монохромных изображений, в результате чего формируется цветное изображение. Такая технология получила название полисиликоновой ( p - Si ). Каждый элемент полисиликоновой матрицы содержит только один тонкопленочный транзистор, поэтому его размер меньше, чем размер элемента TFT-матрицы, что позволяет повысить четкость изображения.

Рис. 4.10. Принцип действия полисиликонового мультимедийного проектора просветного типа

Цветоделительная система полисиликонового проектора, состоящая из двух дихроичных ( D_u D ₂ ) и одного обычного (jV,) зеркал, используется для разложения белого света проекционной лампы на три составляющие основных цветов (красный, зеленый, синий). Цветоделение необходимо выполнить для того, чтобы подать на каждую из трех монохромных матриц световой поток соответствующего цвета. Дихроичное (цветоделительное) зеркало пропускает свет только одной длины волны (один цвет) и представляет собой хорошо отполированную стеклянную подложку с нанесенной на него тонкой пленкой из диэлектрического материала.

Система цветосмешения полисиликонового проектора состоит из двух дихроичных ( D ₃ , Z)₄ ) и одного отражающего ( N ₂ ) зеркал и служит для получения цветного изображения путем наложения одного на другой трех монохромных изображений, создаваемых соответствующими ЖК-матрицами.

Полисиликоновые проекторы обеспечивают более высокое качество изображения, яркость и насыщенность цветов по сравнению с проекторами на основе TFT-матриц. Они более надежны в работе и долговечны, поскольку три ЖК-матрицы работают в менее напряженном тепловом режиме, чем одна. Благодаря этому полисиликоновые проекторы можно использовать при проецировании изображения на большой экран в таких помещениях, как конференц-залы, кинотеатры.

2.3. ЖК-проекторы отражательного типа .

Предназначены для работы в больших аудиториях и отличаются по принципу действия: модуляции подвергается не проходящий, а отраженный световой поток.

В дорогих профессиональных ЖК-проекторах, предназначенных для работы в больших аудиториях, используется другой принцип действия: модуляции подвергается не проходящий, а отраженный световой поток. В результате удается решить две главные задачи — снизить до минимума разогрев ЖК-матрицы и добиться исключительно мощного светового потока.

Принцип работы отражательных ЖК-проекторов заимствован у появившихся в 50-х годах мощных светоклапанных проекторах системы эйдофор ( Eidophor ). В качестве отражающей поверхности в этих проекторах использовался слой прозрачной вязкой жидкости (масла). Модуляция отраженного светового потока обеспечивалась за счет деформации этой поверхности при помощи падающего на нее электронного пучка. Нетрудно понять, что такое "жидкое" зеркало крайне неудобно в эксплуатации, поэтому разработчики стали искать другие способы модуляции отраженного света. В настоящее время наиболее освоенными являются технологии ILA и DMD/DLP.

Технология ILA ( Image Light Amplifier — Усилитель света от изображения) была разработана совместно корпорациями Hughes Aircraft и JVC, хотя в настоящее время оборудование данного типа полностью контролируется японской компанией JVC. Проектор ILA, по аналогии с полисиликоновым, также имеет три модулятора для монохромных изображений основных цветов, которые затем совмещаются для получения цветного изображения. Схема светомодулирующего блока такого проектора представлена на рис. 4.11.

Рис. 4.11. Модулятор отражательного проектора типа ILA

Одним из главных компонентов модулятора является зеркало-поляризатор , одновременно выполняющее функции зеркала, поляризатора и анализатора. Световая волна, падающая на него под углом 45°, разделяется на две составляющие: одна с поляризацией, параллельной поверхности зеркала, и другая—с поперечной поляризацией, перпендикулярной к поверхности зеркала. Первая составляющая свободно проходит через зеркало, а вторая (полезная) — полностью отражается в направлении модулятора, выполненного на основе ЖК-панели особой конструкции.

Эта ЖК-панель лишена матричной структуры и является сплошной. В качестве элементов, управляющих поляризацией участков ЖК-панели, выступают не тонкопленочные транзисторы, как в TFT-матрице, а участки фоторезистивного слоя, на котором создается потенциальный рельеф, повторяющий спроецированное на него изображение. Между фоторезистивным слоем и ЖК-панелью размещается диэлектрическое зеркало, которое выполняет роль основной отражающей поверхности. Внесение в отраженный свет дополнительных поляризационных сдвигов, повторяющих потенциальный рельеф (спроецированное на фоторезистивный слой изображение), будет влиять на степень прохождения отраженного света через зеркало, т. е. эквивалентно модуляции отраженного потока.

Благодаря отсутствию зернистой структуры ЖК-панели можно получить исключительно четкое изображение, а низкие потери на разогрев и поглощение света обеспечивают фантастический для обычных ЖК-проекторов световой поток — примерно до 12 000 лм! Однако необходимость в наличии встроенной проекционной системы и очень сложная конструкция модулятора значительно влияют на габариты и массу (от 120 до 500 кг), а также на стоимость проектора (до 250 000$), что, естественно, ограничивает его применение. Более того, проекторы ILA предназначены для работы с аналоговым видеосигналом (обусловлено конструкцией встроенного проектора), поэтому относятся к классу видеопроекторов.

Развитием технологии ILA применительно к мультимедийным проекторам стала технология D - ILA ( Digital ILA ), также разработанная специалистами фирмы JVC. Основу проекторов D - ILA составляет так называемая отражательная ( Reflective ) ЖК- , или R -ЖК-панель . Ее главное отличие от обычной ЖК-матрицы состоит в том, что электроды, управляющие поляризацией ячеек, имеют квадратную форму. Они выполняют роль зеркал.

Рис. 4.12. Схема модулятора проектора D-ILA

За счет этого коэффициент отражения R-ЖК-панели для белого света доходит до 95%. По сравнению с обычной TFT-панелью, R-ЖК-панель обеспечивает более высокие яркость, четкость и контрастность изображения. Кроме того, на R-ЖК-панель вместо аналогового видеосигнала подается цифровой сигнал, поэтому не нужен встроенный проектор. В результате схема модулирующего канала проектора D-ILA (рис. 4.12) оказывается гораздо проще, чем схема проектора ILA.

Конструкция проектора D-ILA (рис. 4.13) напоминает конструкцию полисиликонового проектора с той разницей, что вместо просветных TFT-матриц в нем используются отражательные R-ЖК-панели совместно с блоком поляризатора-анализатора.

Рис. 4.13. Схема проектора D-ILA

Технология D-ILA является перспективной, поэтому в настоящее время выпуск проекторов D-ILA наладили, помимо фирмы JVC, несколько конкурирующих фирм (InFocus, Pioneer, Panasonic и др.).

В настоящее время наиболее используемой в конструкциях ЖК-проекторов отражательного типа является технология DMD / DLP , разработанная фирмой Texas Instruments .

В DMD / DLP -проекторах отражательного типа излучение источника света модулируется изображением при отражении от матрицы. В DMD/DLP-проекторах в качестве отражающей поверхности используется матрица, состоящая из множества электронно-управляемых микрозеркал, размер каждого из которых около 1 мкм. Каждое микрозеркало имеет возможность отражать падающий на него свет либо в объектив, либо в поглотитель, что определяется уровнем поданного на него электрического сигнала. При попадании света в объектив образуется яркий пиксел экрана, а в поглотитель — темный. Такие матрицы обозначаются аббревиатурой DMD ( Digital Micromirror Device — цифровой микрозеркальный прибор), а технология, на которой основан их принцип действия, — DLP ( Digital Light Processing — цифровая обработка света).

Как правило, в одной DMD-матрице содержится около 848 х 600 = 508 800 микрозеркал, что превосходит SVGA-разрешение (800x600 = 480 000 пикселов).

Для получения цветного изображения используются проекторы двух вариантов: с тремя или одной DMD-матрицей. Трехматричный проектор, схема которого дана на рис. 4.14, по способу формирования цветного изображения аналогичен полисиликоновому (см. рис. 4.10).

Рис. 4.14. Схема трехматричного отражательного мультимедийного проектора DMD/DLP/

В одноматричных DMD/DLP-проекторах полный цветной кадр формируется в результате последовательного наложения трех быстро меняющихся монохромных кадров: черно-красного, черно-зеленого и черно-синего. Смена монохромных кадров на экране незаметна благодаря инерционности человеческого зрения. Монохромные кадры образуются при последовательном освещении DMD-матрицы лучом красного, зеленого и синего цветов. Луч каждого цвета образуется за счет пропускания светового потока от проекционной лампы через вращающийся диск с красным, зеленым и синим светофильтрами, как это показано на схеме од-номатричного проектора (рис. 4.15). Управление микрозеркалами синхронизировано с поворотом светофильтра.

По сравнению с ЖК-технологиями технология DLP обладает следующими преимуществами: практически полным отсутствием зернистости изображения, высокой яркостью и равномерностью ее распределения. К недостаткам одноматричных DMD-проекторов следует отнести заметное мелькание кадров.

Рис. 4.15. Схема одноматричного отражательного мультимедийного проектора

Однако эти приемы все же полностью не устраняют два главных недостатка ЖК-проекторов просветного типа — разогрев матрицы и сравнительно низкую яркость изображения. Даже с использованием технологии PBS и микролинзовых растров недостаточная прозрачность пикселов матрицы не позволяет получить мощный световой поток (световой поток ЖК-проекторов просветного типа обычно не превышает 500—600 лм).

Контрольные вопросы.

1. Назначение и классификация проекционных аппаратов.

2. Раскрыть принцип работы и характеристики Оверхед-проекторов и ЖК-панелей.

3. Конструктивные особенности мультимедийных проекторов, их классификация.

4. Описать структуру TFT-проектора, его характеристики.

5. Принципы работы ЖК-проекторов отражательного типа.

6. Раскрыть особенности технологий ILA и DMD/DLP.

Тема 4.3. Видеоадаптеры.

План.

1. Режимы работы видеоадаптера.
2. Основные типы видеоадаптеров.
3. 2D- и 3D-акселераторы.
4. Синтез трехмерного изображения. 3D-конвейер.
5. Устройство и характеристики видеоадаптера.

Видеоадаптер (видеокарта) является компонентом видеосистемы ПК, выполняющим преобразование цифрового сигнала, циркулирующего внутри ПК, в аналоговые электрические сигналы, подаваемые на монитор. По существу, видеоадаптер выполняет роль интерфейса между компьютером и устройством отображения информации (монитором).

По мере развития ПК видеоадаптеры стали реализовывать аппаратное ускорение 2D- и SD-графики, обработку видеосигналов, прием телевизионных сигналов и многое другое. Современный видеоадаптер, называемый Super VGA ( Super Video Graphics Adapter ), или SVGA, представляет собой универсальное графическое устройство.

Видеоадаптер определяет следующие характеристики видеосистемы :

• максимальное разрешение и максимальное количество отображаемых оттенков цветов;
• скорости обработки и передачи видеоинформации, определяющие производительность видеосистемы и ПК в целом.

Кроме того, в функцию видеоадаптера включается формирование сигналов горизонтальной и вертикальной синхронизации, используемых при формировании растра на экране монитора.

Принцип действия видеоадаптера состоит в следующем.

Процессор формирует цифровое изображение в виде матрицы NxM n-разрядных чисел и записывает его в видеопамять. Участок видеопамяти, отведенный для хранения цифрового образа текущего изображения (кадра), называется кадровым буфером , или фрейм-буфером .

Видеоадаптер последовательно считывает (сканирует) содержимое ячеек кадрового буфера и формирует на выходе видеосигнал, уровень которого в каждый момент времени пропорционален значению, хранящемуся в отдельной ячейке. Сканирование видеопамяти осуществляется синхронно с перемещением электронного луча по экрану ЭЛТ. В результате яркость каждого пиксела на экране монитора пропорциональна содержимому соответствующей ячейки памяти видеоадаптера.

По окончании просмотра ячеек, соответствующих одной строке растра, видеоадаптер формирует импульсы строчной синхронизации, инициирующие обратный ход луча по горизонтали, а по окончании сканирования кадрового буфера формирует сигнал, вызывающий движение луча снизу вверх. Таким образом, частоты строчной и кадровой развертки монитора определяются скоростью сканирования содержимого видеопамяти, т.е. видеоадаптером.

1. Режимы работы видеоадаптера

Режимы работы видеоадаптера, или видеорежимы, представляют собой совокупность параметров, обеспечиваемых видеоадаптером: разрешение, цветовая палитра, частоты строчной и кадровой развертки, способ адресации участков экрана и др.

Все видеорежимы делятся на графические и текстовые . Причем в различных режимах видеоадаптера используются разные механизмы формирования видеосигнала, а монитор в обоих режимах работает одинаково.

Графический режим является основным режимом работы видеосистемы современного ПК, например под управлением Windows. В графическом режиме на экран монитора можно вывести текст, рисунок, фотографию, анимацию или видеосюжет. В графическом режиме в каждой ячейке кадрового буфера (матрицы NxM n-разрядных чисел) содержится код цвета соответствующего пиксела экрана. Разрешение экрана при этом также равно NxМ. Адресуемым элементом экрана является минимальный элемент изображения — пиксел. По этой причине графический режим называют также режимом АРА ( All Point Addressable — все точки адресуемы). Иногда число п называют глубиной цвета. При этом количество одновременно отображаемых цветов равно 2ⁿ , а размер кадрового буфера, необходимый для хранения цветного изображения с разрешением NxM и глубиной цвета п, составляет NxM бит.

В текстовом (символьном) режиме, как и в графическом, изображение на экране монитора представляет собой множество пикселов и характеризуется разрешением NxM. Однако все пикселы разбиты на группы, называемые знакоместам и, или символьными позициями ( Character boxes — символьные ячейки) , размером р х q . В каждом из знакомест может быть отображен один из 256 символов. Таким образом, на экране умещается M / q = M , символьных строк по N / p = N , символов в каждой. Типичным текстовым режимом является режим 80x25 символов.

Изображение символа в пределах каждого знакоместа задается точечной матрицей ( Dot Matrix ). Размер матрицы зависит от типа видеоадаптера и текущего видеорежима. Чем больше точек используется для отображения символа, тем выше качество изображения и лучше читается текст. Точки матрицы, формирующие изображение символа, называются передним планом, остальные — задним планом, или фоном. На рис. 4.16 показана символьная матрица 8x8 пикселов. Допустив, что темной клетке соответствует логическая единица, а светлой — логический ноль, каждую строку символьной матрицы представим в виде двоичного числа. Следовательно, графическое изображение символа можно хранить в виде набора двоичных чисел. Для этой цели используется специальное ПЗУ, размещенное на плате видеоадаптера. Такое ПЗУ называют аппаратным знакогенератором.

Рис. 4.16. Схема представления символа «А» в текстовом режиме в матрице 8x8 и ячейке знакогенератора

Совокупность изображений 256 символов называется шрифтом. Аппаратный знакогенератор хранит шрифт, который автоматически используется видеоадаптером сразу же после включения компьютера (обычно это буквы английского алфавита и набор специальных символов). Адресом ячейки знакогенератора является порядковый номер символа.

Для кодирования изображения символа на экране используются два байта: один — для задания номера символа, второй — для указания атрибутов символа (цвета символа и фона, подчеркивания, мигания, отображения курсора). Если на экране имеется N xM знакомест, то объем видеопамяти, необходимый для хранения изображения, составит N_t х М _t х 2 байт. Эту область видеопамяти называют видеостраницей. Видеостраница является аналогом кадрового буфера в графическом режиме, но имеет значительно меньший объем. В наиболее распространенном текстовом режиме (80х25 символов) размер видеостраницы составляет 4000 байт, в режиме 40х25 — 2000 байт. На практике для удобства адресации под видеостраницу отводят 4 Кбайт = 4096 байт и 2 Кбайт = 2048 байт соответственно, при этом «лишние» байты (96 и 48) не используются.

Главная особенность текстового режима в том, что адресуемым элементом экрана является не пиксел, а знакоместо. Иными словами, в текстовом режиме нельзя сформировать произвольное изображение в любом месте экрана — можно лишь отобразить символы из заданного набора, причем только в отведенных символьных позициях.

Другим существенным ограничением текстового режима является узкая цветовая палитра — в данном режиме может быть отображено не более 16 цветов.

Таким образом, в текстовом режиме предоставляется значительно меньше возможностей для отображения информации, чем в графическом. Однако важное преимущество текстового режима — значительно меньшие затраты ресурсов ПК на его реализацию.

Переход к более высокому разрешению и большей глубине цвета привел к увеличению загрузки центрального процессора и шины ввода/вывода. В целях разгрузки центрального процессора решение отдельных задач построения изображения было возложено на специализированный набор микросхем (Chipset) видеоадаптера, называемый графическим ускорителем , или акселератором . Акселератор аппаратным путем выполняет ряд действий, направленных на построение изображения.

2. Основные типы видеоадаптеров.

С момента появления и до наших дней сменилось несколько типов видеосистем. К базовым классам видеосистем можно отнести следующие.

2.1. Адаптер MDA .

Первые модели IBM PC были оснащены монохромным дисплеем с люминофором зеленого свечения. Для связи этого дисплея с компьютером использовался видеоадаптер типа MDA ( Monochrome Display Adapter — Адаптер монохромного дисплея). Он работал только в текстовом режиме 80x25 символов. Символьная матрица (знакоместо) была размером 9x14 пикселов, поэтому разрешение, поддерживаемое монитором MDA, составляло 720x350 пикселов, а размер самого символа -- 7x9 пикселов. Емкость видеопамяти видеоадаптера MDA была минимальной, достаточной для размещения только одной видеостраницы размером 4 Кбайт. Основу видеоадаптера MDA составляла микросхема МС6845 фирмы Motorola.

2.2. Адаптер CGA .

Видеосистема CGA включала в себя цветной TTL-монитор и видеоадаптер CGA ( Color Graphics Adapter — Цветной графический адаптер). Главные отличия этой видеосистемы от MDA отражены в ее названии, т. е. она обеспечивала: цветное изображение (от 4 до 16 цветов); несколько графических режимов работы видеоадаптера .

Максимальное разрешение монитора CGA составляло 640x200. Такое разрешение использовалось либо в текстовом 80x25 (при размере знакоместа 8x8), либо в монохромном графическом режиме. В последнем случае для хранения цифрового образа экрана требовался кадровый буфер размером 640x480x1 = 128 000 бит = 15,625 Кбайт. Поэтому объем видеопамяти видеоадаптера CGA составлял 16 Кбайт. При работе в графическом режиме с более низким разрешением (например 320x200) для кодирования цвета каждого пиксела использовалось 2 бита, благодаря чему обеспечивалось одновременное отображение 4-х цветов, а при разрешении 200x160 — 16-и цветов. В текстовом режиме были доступны все 16 цветов. Видеоадаптер CGA также выполнен на основе микросхемы МС6845.

Меньшая детальность прорисовки символа и малое межсимвольное расстояние, использованные в CGA, настолько ухудшили различимость текста по сравнению с MDA, что длительная работа в текстовом режиме стала крайне утомительна для глаз. Для совмещения главных достоинств CGA (графического режима и цветного изображения) с возможностью продуктивно работать в текстовых режимах, в PC могли быть установлены обе видеосистемы одновременно. Чтобы исключить конфликты, были разнесены адреса видеопамяти и управляющих регистров на видеоадаптерах CGA и MDA.

Интересная особенность видеоадаптера CGA — он может использовать обычный телевизор в качестве устройства отображения. Для этого видеоадаптер CGA был оснащен специальным кодирующим устройством, которое из четырех двоичных сигналов I , R , G , В и сигналов синхронизации формирует композитный (совмещенный) полный цветной телевизионный сигнал (ПЦТС).

2.3. Адаптер HGC .

Стандарт HGC ( Hercules Graphics Card ), разработанный фирмой Hercules в 1982 г., явился логичным решением, позволившим объединить в одном изделии возможности MDA, обеспечивающие высококачественное отображение текста, с поддержкой графического режима CGA. Часто видеоадаптеры этого стандарта называют картами Hercules ). Поскольку в качестве устройства отображения для данного видеоадаптера использовался стандартный монохромный монитор видеосистемы MDA, видеоадаптеры HGC быстро завоевали популярность и де-факто стали единственным стандартом в, области видеосистем для PC, разработанных за пределами фирмы IBM.

По своему разрешению (720x348) видеоадаптер HGC подобен карте MDA. Соответственно, одинаковы у них и размеры символьной матрицы для текстового режима — 9x14 пикселов. В качестве видеоконтроллера в HGC используется уже известная микросхема МС6845.

Длина первых карт Hercules равнялась примерно 30 см; на их платах размещалось около 100 отдельных корпусов микросхем. Карты, производимые позднее, объединяли все элементы в одном чипе, таком как, например, микросхема контроллера TD3088. Обычно на такой карте находится еще и параллельный порт для подключения принтера.

Однако, несмотря на все перечисленные выше достоинства, видеоадаптеры данного типа имели существенный недостаток — монохромность изображения . По этой причине их широкое использование практически прекратилось с появлением новых видеоадаптеров фирмы IBM — EGA и VGA .

2.4. Адаптер EGA .

Новый видеоадаптер EGA ( Enhanced Graphics Adapter — Улучшенный графический адаптер) обеспечивал более высокое разрешение по вертикали, большее количество отображаемых цветов и обладал более высоким быстродействием. Максимальное разрешение, обеспечиваемое видеосистемой EGA, составило 640x350, что позволило значительно повысить качество изображения в текстовом и графическом режимах работы по сравнению с CGA. Благодаря увеличению размера знакоместа до 8x14 (размер символа составил 7x9) значительно повысилась четкость отображения текста.

По сравнению с CGA в видеоадаптере EGA была усовершенствована схема кодирования цвета пиксела: вместо четырех двоичных сигналов использовалось шесть, что увеличило размер палитры до 64 оттенков. Однако количество одновременно отображаемых цветов по-прежнему было ограничено шестнадцатью.

Применение 16-цветной палитры при разрешении 640x350 потребовало резко увеличить объем видеопамяти: в первых моделях видеоадаптера EGA было установлено 64 Кбайт видеопамяти, в дальнейшем размер видеопамяти был увеличен до 128 Кбайт.

Видеоадаптер EGA имел еще одну важную особенность, существенную для неанглоязычных пользователей PC: наряду с аппаратным знакогенератором он позволял использовать и программный , т. е. загружаемые шрифты. Это значительно облегчило поддержку национальных языков. Для видеоадаптера EGA характерно наличие DIP-переключателей на задней панели блока, при помощи которых производится настройка видеоадаптера на конкретный режим работы: выбор цветного или монохромного режима, количества текстовых столбцов (40 или 80), выбор разрешения по вертикали, а также ряд других настроек. Необходимость такой настройки диктовалась возможностью использования различных мониторов совместно с видеоадаптером EGA. Поскольку выходной 9-штырьковый разъем видеоадаптера EGA по конструкции и назначению контактов аналогичен разъемам CGA и MDA, вместе с EGA могли использоваться три типа мониторов: монохромный монитор MDA ; цветной монитор CGA ; Цветной монитор EGA — ( Enhanced Color Display , ECU )

При подключении к видеоадаптеру EGA улучшенного цветного дисплея использовались более высокие частоты строчной и кадровой развертки, снижающие мерцание экрана монитора.

Многие модели видеоадаптеров EGA унаследовали от CGA возможность вывода композитного видеосигнала на обычный телевизор или композитный монитор. Такие модели имеют на задней панели разъем типа RCA. Хотя видеосистема EGA была намного лучше, чем CGA, качество формируемого ею изображения по-прежнему нельзя было считать удовлетворительным по причине ограниченного количества одновременно отображавших цветов (16). Поэтому судьба видеосистемы EGA была предрешена. Ее не спасло даже появление расширения стандарта EGA — видеосистемы EGA -плюс, которая обеспечивала более высокое разрешение 800x600 и отображение 16-и цветов. Эта новинка просто не успела получить широкого распространения, т. к. вскоре появилась принципиально новая видеосистема VGA , позволившая радикально улучшить качество изображения на экране монитора PC.

2.5. Адаптеры VGA .

Размер цветовой палитры в видеосистемах CGA и EGA ограничивался не столько видеоадаптером (объемом видеопамяти), сколько цифровыми мониторами, не позволявшими использовать более шести двоичных сигналов для кодирования цвета. Понимая это, специалисты фирмы IBM приняли гениальное и простое решение — вернуться к аналоговому видеосигналу, используемому в обычном телевизоре. В итоге вместо многоразрядного цифрового сигнала видеоадаптер стал формировать трехкомпонентный аналоговый RGB -сигнал , который после усиления подавался на модуляторы электронных пушек ЭЛТ. Так появилась видеосистема VGA , включающая новый аналоговый цветной монитор и встроенный в материнскую плату видеоадаптер VGA. Впервые она была использована в компьютере IBM PS/2 ( Personal System ). В дальнейшем видеоадаптеры VGA стали выпускать в виде отдельных плат, устанавливаемых в 16-разрядный слот шины ISA.

Существует несколько вариантов расшифровки аббревиатуры VGA. Первоначально она обозначала название сверхбольшой интегральной схемы (СБИС), в которой были реализованы основные узлы видеоадаптера ( Video Gate Array — Вентильная матрица для формирования видеосигнала). Однако потом нюансы внутреннего устройства таких адаптеров отошли на второй план, а расшифровка этих аббревиатур стала отражать их функциональные особенности. Была также учтена созвучность данных аббревиатур с названиями предыдущих видеоадаптеров (CGA, EGA), в которых сочетание GA ( Graphics Adapter ) означало графический адаптер. В итоге, VGA стали расшифровывать как Video Graphics Adapter — графический адаптер, формирующий видеосигнал (т. е. аналоговый сигнал).

Основным конструктивным отличием видеоадаптера VGA от своего предшественника (EGA) стало наличие специальной микросхемы — RAMDAC ( Random Access Memory Digital - to - Analog Converter — Цифро-аналоговый преобразователь данных, хранимых в ОЗУ). RAMDAC представлял собой быстродействующий трехканальный ЦАП, оснащенный 256-ю регистрами цвета, образующими его собственное маленькое ОЗУ — RAM (этим и объясняется название данного элемента — RAMDAC, а не просто DAC). RAMDAC предназначен для преобразования двоичных чисел, содержащихся в ячейках видеопамяти, в три непрерывных RGB-сигнала, уровень которых пропорционален яркости каждого из трех основных цветов.

Видеоадаптер VGA имел 256 Кбайт видеопамяти. Это обеспечило поддержку графических режимов 640x480 при 16-и цветах (640x480/16) и 320x200/256. В последнем случае используется 8-битная кодировка цвета пиксела, благодаря чему размер текущей палитры равен 256 цветовым оттенкам (именно столько регистров цвета имеет RAMDAC). Благодаря использованию видеорежима 320x200/256 впервые стало возможно получить изображение, хоть и немного размытое, но весьма реалистичное по цветовой гамме.

В соответствии с традициями IBM видеоадаптер VGA обеспечивал совместимость со всеми видеорежимами предыдущих видеоадаптеров. Дополнительно он поддерживал три новых видеорежима:

· высококачественный текстовый режим 80x25 символов при 16 цветах, разрешение экрана 720x400, размер знакоместа 9x16, частота кадров 70 Гц;

· графический режим 640x480/16;

· графический режим 3200x200/256.

2.6. Адаптер Super VGA .

Первоначально совершенствование видеоадаптера VGA шло в основном за счет увеличения объема его видеопамяти: сначала до 512 Кбайт, а затем и до 1 Мбайт. Появились видеоадаптеры, поддерживающие режимы 800x600, 1024x768 при одновременном отображении 256-и оттенков цветов. Для работы с такими видеоадаптерами использовались модернизированные мониторы, имеющие уменьшенное зерно люминофора экрана, повышенные частоты синхронизации и более широкую полосу пропускания видеотракта. Возникло понятие видеосистемы Super VGA, под которым поначалу понималось любое расширение возможностей стандарта VGA. Первой фирмой, изготовившей видеоадаптер, поддерживающий режим 800x600/256, была фирма NEC, а пионером среди видеоадаптеров, поддерживающих разрешение 1024x768, стал видеоадаптер 8514/А фирмы IBM.

Появление многочисленных моделей видеоадаптеров SVGA , изготовленных разными фирмами, породило проблему их совместимости с программным обеспечением. Причина ее возникновения заключалась в том, что расширенные режимы работы видеоадаптера не поддерживали стандартные способы инициализации: каждая из фирм-производителей использовала свои номера видеорежимов, расширенных относительно VGA, и свои команды инициализации. Например, режим 800x600/256 у видеоадаптеров фирмы Trident Microsystems имеет номер 5Eh, у видеоадаптеров фирмы Realtek -27h, а у видеоадаптеров фирмы Tseng Labs — 30h. Следовательно, для установки режима 800x600/256 центральный процессор должен послать каждому из этих видеоадаптеров различные команды, что затрудняет создание универсальной программы.

Долгое время нельзя было говорить о Super VGA как о стандарте еще и потому, что не был четко определен смысл самого термина SVGA . Часто обычный видеоадаптер VGA преподносился продавцами как SVGA только на том основании, что поддерживал видеорежим 800x600/16. Однако для реализации такого режима необходимо менее 256 Кбайт видеопамяти, поэтому практически любой видеоадаптер VGA, имеющий стандартный объем памяти (256 Кбайт), может поддерживать данный режим.

Стремясь исправить это ненормальное положение, Ассоциация стандартов по видеоэлектронике ( Video Electronics Standard Association , VESA ) предложила свой стандарт на нумерацию и способ инициализации видеорежимов, расширенных относительно VGA. Было предложено считать SVGA-режимами только такие, которые требуют для своей реализации не менее 512 Кбайт видеопамяти. Это позволило создавать универсальные программы, предназначенные для работы в режимах с повышенным разрешением, а также решать вопрос принадлежности видеоадаптера к семейству SVGA. He случайно в течение длительного времени объем видеопамяти был главным критерием качества видеоадаптера SVGA.

Стандарт VESA имел несколько версий, появление которых отражало эволюцию возможностей видеосистемы. Кроме того, в адаптерах SVGA начали использоваться 24-разрядные RAMDAC и прямая кодировка цвета пиксела, благодаря чему появились такие режимы, как High Color (16 бит на пиксел, или 65 536 цветов) и True Color (24 бит на пиксел, или 16 777 216 цветов).

Программы, дополняющие Video BIOS видеоадаптера SVGA для обеспечения поддержки спецификации VESA, получили название V ВЕ ( VESA BIOS Extension ). Первоначально они использовались в виде драйверов и резидентных программ, загружаемых в память по мере необходимости. В настоящее время все современные видеоадаптеры содержат VBE в ROM Video BIOS, благодаря чему совместимость со спецификацией VESA обеспечивается автоматически.

С переходом к более высокому разрешению и большей глубине цвета резко увеличилась загрузка центрального процессора PC и шины ввода/вывода. Чтобы разгрузить центральный процессор, решение ряда задач построения изображения (заполнения кадрового буфера) решили возложить на специализированный набор микросхем ( Chipset ) видеоадаптера, получивший название графического ускорителя (акселератора).

Другим способом повышения производительности видеосистемы и PC в целом стало применение видеоадаптеров с более быстрым интерфейсом, чем ISA. Первоначально для нужд видеосистемы использовалась 32-разрядная локальная шина VLB (VESA Local Bus), которая в дальнейшем была вытеснена более быстрой и совершенной шиной PCI (Peripheral Component Interconnect — Соединение периферийных устройств). В настоящее время большинство видеоадаптеров, оснащенных функциями ускорения 2D- и 3D-гpaфики, имеют интерфейс AGP. Последним достижением стал новый графический интерфейс PCI Express .

3. 2 D - и 3 D -акселераторы

2 D -акселератор — графический ускоритель для обработки двухмерных графических данных (2D), реализует аппаратное ускорение таких функций, как прорисовка графических примитивов, перенос блоков изображения, масштабирование, работа с окнами, мышью, преобразование цветового пространства. Первоначально видеоадаптеры с аппаратным ускорением графических функций делились на две группы: видеоадаптеры с графическим ускорителем (акселератором) и видеоадаптеры с графическим сопроцессором.

Графический акселератор — устройство, выполняющее заданные логические или арифметические операции по жесткому алгоритму, который не может быть изменен.

Графический сопроцессор — более универсальное устройство и работает параллельно с центральным процессором. Основное отличие графического сопроцессора от графического акселератора в том, что сопроцессор можно запрограммировать на выполнение различных задач, поскольку он является активным устройством: имеет возможность, как и центральный процессор, обращаться к системной оперативной памяти и управлять шиной ввода/вывода.

В современных видеоадаптерах объем и сложность графических функций, выполняемых графическим сопроцессором, стали соизмеримы с объемом задач, решаемых центральным процессором ПК. В связи с этим Chipset, составляющий основу современного видеоадаптера с аппаратной поддержкой графических функций, называют графическим процессором .

3 D -акселераторы предназначены для обеспечения возможности видеть на экране проекцию виртуального (не существующего реально) динамического трехмерного объекта, например, в компьютерных играх. Такой объект необходимо сконструировать, смоделировать его объемное изображение, т.е. задать математическую модель объекта (каждую точку его поверхности) в трехмерной системе координат, аналитически рассчитать всевозможные зрительные эффекты (угол падения света, тени и т.п.), а затем спроецировать трехмерный объект на плоский экран. 3D-акселератор необходим только в том случае, когда объемное изображение синтезируется компьютером, т.е. создается программно.

Совокупность приложений и задач, в рамках которых реализуется эта схема построения трехмерного изображения на экране монитора PC, называется трехмерной графикой, или 3D (3- Dimentional — трехмерный).

4. Синтез трехмерного изображения. 3 D -конвейер.

Синтез 3D-изображения выполняется путем аналитического расчета различных параметров изображения для создания визуальных эффектов, обеспечивающих ощущение его объемности и реальности. В частности, в процессе синтеза 3D-изображения выполняются:

• оценка расстояния до предмета путем анализа информации о его размерах (чем меньше объект — тем он дальше);

• оценка последовательности наложения предметов один на другой (кто выше — тот ближе);

• определение глубины пространства за счет использования эффекта перспективы, т. е. визуального сближения параллельных линий, уходящих вдаль;

• анализ световых эффектов на предмете (теней, бликов и т. п.).

Для получения этих эффектов процесс синтеза трехмерного изображения объекта в виде его двухмерной проекции на экране монитора строится по модели, называемой 3 D -конвейером. Выделяют следующие основные этапы 3D-конвейера.

1. Построение геометрической модели поверхности объекта путем задания трехмерных координат его опорных точек и уравнений соеди няющих их линий. Полученная геометрическая модель представляет собой так называемую каркасную модель объекта (Wireframe ).

2. Разбиение поверхности полученного объекта на элементарные плоские элементы (прямоугольники или треугольники) — тесселяция (Tessela - tiori ), или триангуляция. Это приводит к тому, что поверхность объекта представляет собой совокупность плоских граней — многоугольников, в частности треугольников, как показано на рис. 4.17. Поверхность объекта воспроизводится точнее при увеличении числа и уменьшении размеров многоугольников (ср. рис. 4.17, а, б).

Рис. 4.17. Тесселяция объекта с помощью различного числа треугольников: а — 420 треугольников; б — 2668 треугольников

3. Моделирование движения объекта: его перемещение, вращение и изменение размеров (формы) — трансформация ( transformation ) — сводится к стандартному преобразованию координат вершин отдельных граней в виде многоугольников и реализуется путем выполнения множества различных алгебраических опера ций с использованием тригонометрических функций. На рис. 4.18 показана трансформация формы объекта путем изгиба и скручивания.

4. Расчет освещенности ( Lighting ) и затенения ( Shading ) объекта производится в два этапа. Сначала выполняется расчет освещенности каждого элементарного многоугольника с учетом его удаленности от источника света и угла падения светового луча. Чтобы поверхность объекта не выглядела состоящей из множества отдельных плоских граней, как это показано на рис. 4.19, а, применяют методы затенения, т.е. дополнительно производят интерполяцию значений освещенности, позволяющую плавно изменять освещенность каждой грани и скрыть резкие переходы между ними (рис. 4.19, б).

Рис. 4.18. Трансформация формы объекта путем изгиба и скручивания

5. Проецирование синтезированного трехмерного объекта на плоскостьэкрана, т.е. первое, предварительное преобразование трехмерного объекта в совокупность двухмерных.

Рис. 4.19. Изображение объекта, рассчитанное: а — без использования механизма интерполяции; б — с использованием метода затенения

При этом в Z-буфере сохраняется совокупность данных о расстоянии каждой из вершин элементарного многоугольника, образующего грани, до плоскости проецирования. Это позволяет в дальнейшем определить, какие части объекта окажутся видимыми, а какие — нет. Наличие Z-буфера — важнейшее отличие работы с трехмерной графикой от работы с двухмерной.

6. Обработка данных о вершинах элементарных многоугольников, полученных на предыдущих этапах ( Triangle Setup ), заключающаяся в преобразовании формы представления координат вершин: из чисел с плавающей точкой (вещественных чисел) в целые числа, а также в сортировке вершин и других действиях.

7. Удаление скрытых поверхностей — HSR ( Hidden Surface Removal ), т. е. исключение из проецирования тех элементов поверхности объекта, которые оказываются невидимыми с точки наблюдения.

8. Закраска элементарных треугольников, или текстурирование, выполняется наложением текстур ( Texture Mapping ). Текстура ( Texture ) — это элемент обшивки объекта, т.е. изображение участка его поверхности, которое хранится в виде квадратной растровой картинки, состоящей из текселов ( Texel — Texture Element —элемент текстуры). После наложения текстуры (рис. 4.20, а) каркасная модель как бы покрывается своеобразным покрытием —текстурой и становится похожей на реальный объект (рис. 4.20, б). В процессе текстурирования каждый многоугольник, составлявший каркасную модель, заменяется на элемент текстуры, а значение каждого пиксела двухмерного изображения вычисляется по значению соответствующего тексела текстуры.

При текстурировании производится обработка растровой графики, что приводит к необходимости применять различные приемы коррекции изображения, например применение текстур с различным разрешением — м и п м э п п и н г .

Рис. 4.20. Текстурирование объекта: а — текстура; б — каркасная модель после наложения текстуры

MIP -текстурирование, или мипмэппинг ( MIP — Multum In Parvo — много в одном), применяется для устранения пикселизации при приближении к SD-объекту. MIP-текстурирование заключается в том, что в памяти акселератора хранятся несколько копий одной и той же текстуры, но с различным разрешением LOD ( Level Of Detalization — уровень детализации). Каждая последующая копия текстуры содержит в четыре раза больше пикселов, чем предыдущая. Совокупность всех копий одной и той же текстуры называют MIP -каскадом , пример которого дан на рис. 4.19.

Рис. 4.21. Пример МIР-каскада

В процессе «прорисовки» ближних к наблюдателю поверхностей используются более крупные текстуры, а при прорисовке дальних — более мелкие. Применение мипмэппинга требует значительных объемов памяти акселератора. Для хранения текстуры не в локальной памяти 3D-акселератора, а в RAM PC и при необходимости быстро их подгружать используется локальная шина AGP с высокой пропускной способностью.

9. Моделирование эффектов прозрачности и полупрозрачности заключается в том, что на основе информации о взаимной прозрачности объектов и среды выполняется коррекция цвета пикселов — так называемое альфа-смешение ( Alpha - blending ) и затуманивание ( Fogging ).

10. Коррекция дефектов изображения путем сглаживания — антиалиасинг ( Anti - aliasing ). Антиалиасинг применяется для устранения дефектов изображения типа «лестничного» эффекта на наклонных линиях, муара. Различают краевой (Edge Anti-aliasing) иполный (Full-screen Anti-aliasing — FSAA) антиалиасинг. В первых моделях игровых ускорителей использовался только краевой антиалиасинг, для современных 3D -акселераторов обязательным является полный антиалиасинг.

Краевой антиалиасинг заключается в усреднении цвета пикселов на краях (ребрах) грани на основе взвешенного суммирования цветов прилегающих граней. Техника взвешенного суммирования заключается в определении весовых коэффициентов, с которыми суммируются цвета при определении цвета краевого пиксела. При этом полагают, что каждая точка (линия) на краю грани имеет фиксированную, ненулевую площадь, а значения весовых коэффициентов зависят от того, какую часть этой площади перекрывают прилегающие грани.

Полный антиалиасинг, или субпикселный антиалиасинг, используется для полного устранения всех дефектов. Суть данного метода в том, что коррекция дефектов выполняется с так называемым виртуальным разрешением, которое выше исходного. При этом каждый пиксел представляется состоящим из нескольких виртуальных субпикселов, над которыми производится антиалиасинг, как показано на рис. 4.22. После коррекции, когда цвета всех субпикселов определены, исходное разрешение восстанавливается.

11. Интерполяция недостающих цветов — ( Dithering ) используется в том случае, когда в текущем видеорежиме 3D-акселератора для кодирования цвета пиксела используется менее 24 бит (например, в режиме High Color при 16-бит ном цвете).

12. Окончательное формирование кадрового буфера ( Frame Buffer ) — области памяти 3D -акселератора, в которую помешается спроецированное двухмерное изображение. Кадровый буфер используется для формирования выходного, аналогового видеосигнала 3D -ускорителя.

Рис. 4.22. «Виртуальное разрешение» при выполнении полного антиалиасинга

Для ускорения процесса создания изображения используется механизм двойной буферизации, при котором выделяется память одновременно для двух смежных кадров: построение следующего кадра начинается еще до того, как закончится отображение предыдущего. В результате обеспечивается более плавная смена кадров.

13. Постобработка ( Post - processing ) применяется в том случае, когда требуется реализовать какие-либо двухмерные эффекты над подготовленным кадром как единым целым.

Этапы 1 — 6 3D -конвейера образуют его геометрическую стадию, на которой выполняются интенсивные тригонометрические вычисления с помощью CPU. Однако существует тенденция обеспечения современных игровых 3D -акселераторов специальным процессором, обеспечивающим аппаратное ускорение выполнения геометрической стадии 3D -конвейера.

Этапы 7—13 3D -конвейера образуют стадию прорисовки объекта, или стадию рендеринга { Rendering — изображение, рисование, визуализация). На этой стадии все действия выполняются уже с растровыми объектами, состоящими из отдельных, дискретных элементов — пикселов и текселов. Выполняемые на стадии рендеринга операции не характерны для центрального процессора (как на геометрической стадии), поэтому именно на этом этапе конвейера необходимо аппаратное ускорение. Большинство современных 3D -ускорителей предназначено для рендеринга на аппаратном уровне и различается лишь числом реализуемых функций.

Программным интерфейсом для 3D -акселераторов служит так называемый интерфейс прикладного программирования ( Appli - cation Program Interface — API ). API занимает промежуточное положение между высокоуровневыми прикладными программами и низкоуровневыми командами различных 3D-акселераторов и обеспечивает эффективное преобразование запросов прикладной программы в оптимизированную последовательность низкоуровневых команд. Благодаря API, разработчики прикладных программ избавлены от необходимости работать с низкоуровневыми командами акселератора.

В настоящее время существуют несколько платформ API, отличающихся областями применения.

DirectX разработана фирмой Microsoft, используется в игровых приложениях, работающих под управлением операционной системы Windows 95/98, и включает в себя несколько узконаправленных API:

DirectDraw обеспечивает использование аппаратных средств ускорения обычной, двухмерной графики;

Direct 3 D отвечает за работу графической системы в режиме создания трехмерных изображений;

DirectInput обеспечивает аппаратно независимый ввод информации в ПК через клавиатуру, мышь и джойстик;

DirectPlay используется при совместной игре на нескольких компьютерах, объединенных в сеть или соединенных непосредственно, через параллельный или последовательный порты;

DirectSound управляет использованием ресурсов звуковой системы ПК.

В архитектуре Direct3D заложен принцип проверки функциональных возможностей установленного аппаратного обеспечения. В соответствии с этим принципом прикладная программа сначала запрашивает Direct3D-coвместимый драйвер об аппаратно поддерживаемых данным акселератором 3D-функциях, а затем в зависимости от ответа активизирует поддерживаемые функции. Это избавляет от необходимости производить ручную настройку.

DirectX является жестко регламентированным, закрытым стандартом, который не допускает изменений до выхода в свет своей новой версии.

Open GL используется в основном в профессиональных приложениях (CAD, системы трехмерного моделирования, симуляторы и т.п.), работающих под управлением операционной системы Windows NT. Вместе с тем существуют и игры, ориентированные на OpenGL, например Quake.

API OpenGL построен на основе концепции открытого стандарта, имеющего небольшой базовый набор функций и множество расширений, реализующих более сложные функции. Производитель Chipset карты 3D -акселератора обязан создать BIOS и драйверы, выполняющие базовые функции OpenGL, но не обязан обеспечивать поддержку всех расширений. В результате возникают проблемы, связанные с написанием производителями драйверов для своих изделий, которые поставляются как в полном, так и в усеченном виде.

К числу OpenGL-совместимых драйверов относятся следующие:

ICD ( Installable Client Driver — драйвер приложения-клиента) обеспечивает максимальное быстродействие, поскольку содержит низкоуровневые коды, обеспечивающие поддержку не только базового набора функций, но и его расширений.

MCD ( Mini Client Driver ) содержит оптимизированный код лишь для некоторых этапов 3D -конвейера, поэтому акселератор под его управлением работает медленнее.

Мини-порт — группа специализированных OpenGL-совместимых драйверов, каждый из которых специально разработан для работы с какой-либо одной программой или игрой. Такой мини-порт применяется, когда, например, возникает необходимость поиграть в QuakeGL или Quake II на ПК с Windows 95 и 3D-акселератором, не рассчитанным на использование OpenGL.

Раппер ( Wrapper — устройство для оборачивания, завертывания, окутывания) — мини-порт, который может работать как ICD за счет перевода инструкций OpenGL в инструкции Direct3D, обеспечивая при этом самую низкую скорость работы по сравнению с драйверами других типов.

Game Engine — «игровой движок» — драйвер, разработанный для конкретной 3D-платы и обеспечивающий максимальную производительность за счет непосредственного использования низкоуровневых команд акселератора, без использования API.

Принципиальным отличием API OpenGL от DirectX является то, что OpenGL ориентирован на корректность создаваемых изображений, тогда как для DirectX важны скорость прорисовки и естественность изображения.

Кроме того, существуют Native API , создаваемые производителями 3D -акселераторов исключительно для своих Chipset с целью наиболее эффективного использования их возможностей.

Для настройки видеосистемы с целью обеспечения максимальной производительности при работе с трехмерной графикой пользователь ПК должен:

при выборе 3D -платы четко представить область ее будущего применения: игры или решение профессиональных задач;

установить в систему требуемый API;

проконтролировать настройку параметров драйвера и/или прикладной программы, задействовав необходимые функции 3D-aкселерации;

используя тесты и оценивая качество изображения визуально, подобрать набор функций, обеспечивающих наилучшее качество изображения.

При работе с программами, ориентированными на DirectX, пользователь не выполняет перечисленные выше настройки, поскольку они производятся автоматически.

5. Устройство и характеристики видеоадаптера

Первые 3D -акселераторы выполнялись в виде самостоятельного устройства только для работы с трехмерной графикой, устанавливаемого в слот шины ввода/вывода и соединяемого с видеоадаптером специальным кабелем.

Современные видеоадаптеры содержат один мощный графический процессор, в состав которого входит 3D-акселератор. В связи с этим понятие «3D -акселератор» означает не специализированную плату, а универсальный видеоадаптер, в состав которого входит ускоритель трехмерной графики.

Современный видеоадаптер (видеокарта) включает следующие основные элементы:

графический процессор;

модули оперативной памяти;

RAMDAC — цифроаналоговый преобразователь, выполняющий преобразование цифровых сигналов ПК в сигналы, формирующие изображение на мониторе.

Интегральным показателем качества видеоадаптеров, сфера применения которых — в основном трехмерные игры, является частота смены кадров ( frame per second — fps ). В каждой трехмерной игре этот показатель будет различным.

Качество современного видеоадаптера можно считать удовлетворительным, если в игре Quake при разрешении 1600x1200 он обеспечивает 60 — 70 fps.

Другим показателем качества видеоадаптера является максимальное число обрабатываемых элементарных простых объектов (многоугольников, треугольников) в секунду. Эти значения для отдельных видеоадаптеров составляют 800— 1200 млн/с.

Объем оперативной памяти видеоадаптеров достигает 128 Мбайт. Типы памяти, используемой в видеоадаптерах, аналогичны модификациям обычной оперативной памяти. В недорогих моделях используется память SDRAM или ее более быстрая графическая модификация SGRAM со временем доступа 7 — 8 нс. Более совершенные модели оснащены памятью DDR SDRAM со временем доступа 5 — 6 нс.

Частота работы графического чипа и памяти видеоадаптера может быть одинаковой или разной. Например, базовая частота чипа самых популярных видеокарт 2000 г. составляла 166 — 250 МГц, а частота памяти — 140— 180 МГц.

Частота RAMDAC определяет качество видеоадаптера. Большинство современных видеокарт имеют частоту RAMDAC в диапазоне 250 — 400 МГц.

Тип интерфейса с шиной ввода/вывода оказывает существенное влияние на быстродействие всей видеосистемы. Для эффективной работы с трехмерной графикой современные видеоадаптеры комплектуются интерфейсом AGP. AGP4x — суперскоростной режим, обеспечивающий скорость обмена 1,06 Гбайт/с.

На компьютерном рынке наиболее популярны видеокарты на чипсете собственной оригинальной разработки, предлагаемые фирмами ATI, Matrox и 3dfx, в то время как чипсеты фирмы Nvidia используются в составе видеокарт других производителей. Видеокарты ATI предпочтительнее в мультимедийных комплексах, производства 3dfx — в игровых приложениях, а фирма Matrox специализируется на двухмерной графике.

Для поддержки спецэффектов в игровых приложениях (анти-алиасинга, имитации тумана, пламени, ряби на водной глади) в процессор видеоадаптера все чаще встраивают специальный блок «трансформации и освещения» (Т&Т), который позволяет получить высокое качество игрового изображения.

Для приема телевизионных сигналов и вывод их на монитор в плату видеоадаптера встраивают TV-тюнер. Встроенные TV-тюнеры не отличаются высоким качеством изображения, которое может воспроизводиться в небольшом окне Windows. TV-тюнеры, устанавливаемые в отдельный слот компьютера, обеспечивают полноэкранный режим и высокое качество изображения, обеспечивая при этом выполнение дополнительных сервисных функций: телефонные переговоры через Internet, прослушивание радио, прием спутникового телевидения при наличии спутниковой антенны.

Внешние TV-тюнеры, подключаемые через порт USB, обеспечивают воспроизведение телепередач в «оконном» режиме на экране монитора.

Контрольные вопросы

1. Каковы назначение и принцип действия видеоадаптера.

2. Какие существуют режимы работы видеоадаптера. Их особенности.

3. Охарактеризовать основные типы видеоадаптеров.

4. Каково назначение 2D и 3D акселераторов?

5. Каковы основные принципы синтеза трехмерного изображения?

6. Привести основные характеристики видеоадаптера.

Тема 4.4. Устройства обработки и воспроизведения аудиоинформации.

План.

1. Звуковая система ПК.
2. Модуль записи и воспроизведения.
3. Модуль синтезатора.
4. Мрдуль интерфейсов.
5. Модуль микшера.
6. Акустическая система.
7. Направления совершенствования звуковой системы.

1. Звуковая система ПК

Звуковая система ПК в виде звуковой карты появилась в 1989 г., существенно расширив возможности ПК как технического средства информатизации.

Звуковая система ПК — комплекс программно-аппаратных средств, выполняющих следующие функции:

· запись звуковых сигналов, поступающих от внешних источников, например, микрофона или магнитофона, путем преобразования входных аналоговых звуковых сигналов в цифровые и последующего сохранения на жестком диске;

· воспроизведение записанных звуковых данных с помощью внешней акустической системы или головных телефонов (наушников);

· воспроизведение звуковых компакт-дисков;