Вопросы для самоконтроля:

1. Определение периферийного устройства;

2. Оперативные устройства ввода;

3. Автоматические устройства ввода;

4. Модем;

5. Устройства вывода

Тема 1.2 Организация системы ввода- вывода информации

Студент должен:

иметь представление:

• об организации систем ввода- вывода информации

знать:

• понятие интерфейса;

• классификацию интерфейсов;

• архитектуру шин.

уметь:

• организовать систему ввода выводы информации

Организация систем ввода- вывода информации. Понятие интерфейса. Унифицированные интерфейсы. Классификация интерфейсов. Архитектура шины и ее основные характеристики.

Методические указания

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.

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.

Рисунок 4 - Структура шины

Шины в ПК различаются по своему функциональному назначению:

• системная шина (или шина CPU) используется микросхемами Cipset для пересылки информации к CPU и обратно;

• шина кэш-памяти предназначена для обмена информацией между CPU и кэш-памятью;

• 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.

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.

Основные характеристики шины

Разрядность шины определяется числом параллельных проводников, входящих в нее.

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.

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.

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 интерфейсы 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. 1 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 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.

Таблица1 - Характеристики шин ввода/вывода

Шина

Разрядность, бит

Тактовая частота, МГц

Пропускная способность, Мбайт/с

ISA 8-разрядная

08

8,33

0008,33

ISA 16-разрядная

16

8,33

0016,6

EISA

32

8,33

0033,3

VLB

32

33

0132,3

PCI

32

33

0132,3

PCI 2.1 64-разрядная

64

66

0528,3

AGP (1x)

32

66

0262,6

AGP (2x)

32

66x2

0528,3

AGP (4x)

32

66x2

1056,6

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.

Шина AGP — высокоскоростная локальная шина ввода/вывода, предназначенная исключительно для нужд видеосистемы. Она связывает видеоадаптер (ЗD-акселератор) с системной памятью

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.

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.

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.

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 ЕРР 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.

Вопросы для самоконтроля:

1. Структура и стандарты шин ПК;

2. Локальная шина ввода/вывода;

3. Стандартная шина ввода/вывода;

4. Контроллер шины;

5. Основные характеристики шины;

6. Стандарты шин ПК

Раздел 2. Аппаратная и программная поддержка работы периферийных устройств: контроллеры, адаптеры, мосты, прямой доступ к памяти, приостановки, прерывания, драйверы

Тема 2.1 Аппаратная поддержка работы периферийных устройств

Студент должен:

иметь представление:

• об аппаратной поддержке работы периферийных устройств

знать:

• аппаратные средства поддержки работы периферийных устройств;

• назначение и принцип работы контроллера;

• назначение и принцип работы адаптера;

• назначение и принцип работы моста.

уметь:

• организовывать работу периферийных устройств на аппаратном уровне

Аппаратные средства поддержки работы периферийных устройств: контроллеры, адаптеры, мосты.

Методические указания

Аппара́тное обеспе́че́ние (англ. hardware) включает в себя все физические части компьютера, но не включает информацию (данные), которые он хранит и обрабатывает, и программное обеспечение, которое им управляет.

Типичный компьютер

Подавляющее большинство компьютеров — скрыты, «внедрены» в другие устройства, например, в автомобили, микроволновки, электрокардиографы, проигрыватели компакт-дисков, сотовые телефоны. Лишь самая малая часть компьютеров (около 0.2% всех компьютеров, произведённых в 2003 году) — это настольные и мобильные персональные компьютеры.

Персональный компьютер

Типичный персональный компьютер состоит из корпуса и следующих частей:

1. Материнская плата, на которой установлен центральный процессор, оперативная память и другие части, а также слоты расширения

2. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и кеш

3. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)

4. Шины — PCI, PCI-E, ISA (устарела), USB, AGP

5. Блок питания

6. Контроллеры устройств хранения — IDE, SCSI или других типов, находящиеся непосредственно на материнской плате (встроенные) либо на платах расширения. К контроллерам подключены жёсткий диск (винчестер), привод гибких дисков, CD-ROM и другие устройства.

7. Накопители на сменных носителях

8. Приводы CD или DVD

9. привод гибких дисков

10. стриммер

11. Устройства хранения информации

12. Жёсткий диск (винчестер)

13. дисковый массив

14. Видео-контроллер (встроенный или в виде платы расширения —передающий сигнал на монитор

15. Звуковой контроллер

16. Сетевой интерфейс

Кроме того, в аппаратное обеспечение также входят внешние компоненты — периферийные устройства:

1. Устройства ввода

2. Клавиатура

3. Мышь, трекбол или тачпад

4. Джойстик

5. Сканер

6. Устройства вывода

7. Монитор (дисплей)

8. Колонки/наушники

9. Печатающие устройства

10. Принтер

11. Плоттер (графопостроитель)

12. Модем — для связи по телефонной линии

Вопросы для самоконтроля:

1. Аппаратное обеспечение;

2. Типичный компьютер;

3. Персональный компьютер;

4. Устройства ввода.

Тема 2.2 Программная поддержка работы периферийных устройств

Студент должен:

иметь представление:

• о программной поддержке работы периферийных устройств

знать:

• программные средства поддержки работы периферийных устройств ПК;

• назначение и принцип организации работы прямого доступа к памяти;

• назначение приостановок, прерываний;

• назначение и принцип организации работы драйвера периферийного устройства ПК;

• спецификацию P&P.

уметь:

• организовывать работу периферийных устройств на программном уровне;

• выбирать и использовать типовые периферийные устройства вычислительной техники;

• подключать стандартные периферийные устройства вычислительной техники;

• устанавливать программное обеспечение (драйверы) периферийных устройств

Программная поддержка работы периферийных устройств ПК. Прямой доступ к памяти. Приостановки. Прерывания. Драйверы периферийного устройства ПК. Спецификация P&P.

Методические указания

Прерывание (англ. interrupt) — сигнал, сообщающий процессору о совершении какого-либо асинхронного события. При этом выполнение текущей последовательности команд приостанавливается, и управление передаётся обработчику прерывания, который выполняет работу по обработке события и возвращает управление в прерванный код.

Виды прерываний:

Аппаратные (англ. IRQ - Interrupt Request) — события от периферийных устройств (например, нажатия клавиш клавиатуры, движение мыши, сигнал от таймера, сетевой карты или дискового накопителя) — внешние прерывания, или события в микропроцессоре — (например, деление на ноль) — внутренние прерывания;

Программные — инициируются выполняемой программой, т.е. уже синхронно, а не асинхронно. Программные прерывания могут служить для вызова сервисов операционной системы.

Обработчики прерываний обычно пишутся таким образом, чтобы время их обработки было как можно меньшим.

До окончания обработки прерывания обычно устанавливается запрет на обработку или даже генерацию других прерываний. Некоторые процессоры поддерживают иерархию прерываний, позволяющую прерываниям более высокого приоритета вызываться при обработке менее важных прерываний.

Вектор прерывания — ячейка памяти, содержащая адрес обработчика прерывания.

Перехват прерывания — изменение обработчика прерывания на свой собственный.

Вектора прерываний объединяются в таблицу векторов прерываний. Местоположение таблицы зависит от типа и режима работы микропроцессора.

Обработчик прерываний (или процедура обслуживания прерываний) — процедура операционной системы или драйвера устройства, вызываемая по прерыванию для выполнения его обработки. Обработчики прерываний могут выполнять множество функций, которые зависят от причины, которая вызвала прерывание и времени выполнения, которые требуются на это обработчику.

Обработчик прерываний—это низкоуровневый эквивалент обработчика событий. Эти обработчики вызываются либо по аппаратному прерыванию, либо соответствующей инструкцией в программе. И соответственно служат для обслуживания устройств или для осуществления вызова функций операционной системы (как способ передачи управления между различными уровнями защиты).

В современных системах обработчики прерываний делятся на Высокоприоритетные Обработчики Прерываний (ВОП) и Низкоприоритетные Обработчики Прерываний (НОП).

К выполнению ВОП обычно предъявляются жесткие требования: малое время на выполнение, малое количество операций, разрешенных к выполнению, особая надежность, так как ошибки, допущенные во время выполнения, могут обрушить операционную систему, которая не может корректно их обработать. Поэтому ВОП обычно выполняют минимально необходимую работу: быстро обслуживают прерывание, собирают критичную информацию, которая доступна только в это время, и планируют выполнение НОП для дальнейшей обработки.

ВОП, которые обслуживают аппаратные устройства, обычно маскируют свое прерывание для того, чтобы предотвратить вложенные вызовы, которые могут вызвать переполнение стека.

НОП завершает обработку прерывания. НОП либо имеет собственный поток для обработки, либо заимствует на время обработки поток из системного пула. Эти потоки планируются наравне с другими, что позволяет добиться более гладкого выполнения процессов. НОП выполняется с гораздо менее жесткими ограничениями по времени и ресурсам, что облегчает программирование и использование драйверов.

В разных системах ВОП и НОП именуются по-разному. В операционной системе Windows ВОП называется обработчиком прерывания, а НОП—отложенный вызов процедуры (DPC, Defered Procedure Call)

DMA

Прямой доступ к памяти (англ. Direct Memory Access, DMA) — режим обмена данными, без участия Центрального Процессора. За счёт чего скорость передачи увеличивается, т.к. данные не пересылаются в ЦП и обратно.

Plug and Play (сокр. PnP), дословно переводится как «включил и играй» — технология, предназначенная для быстрого определения и конфигурирования устройств в компьютере. Разработана фирмой Microsoft при содействии других компаний.

Основные знания о PnP:

PNP BIOS — расширения BIOS для работы с PnP устройствами.

Plug and Play Device ID — индификатор PnP устройства имеет вид PNPXXXX, где XXXX — специальный код.

Вопросы для самоконтроля:

1. Аппаратные средства поддержки работы периферийных устройств: контроллеры;

2. Аппаратные средства поддержки работы периферийных устройств: адаптеры;

3. Аппаратные средства поддержки работы периферийных устройств: мосты.

Раздел 3. Современные и перспективные интерфейсы и шины ввода – вывода

Тема 3.1 Интерфейсные подключения периферийных устройств ПК

Студент должен:

иметь представление:

• о современных и перспективных интерфейсах и шинах ввода – вывода

знать:

• интерфейсные подключения периферийных устройств вычислительной техники;

• функции интерфейсов;

• типы интерфейсов;

• структуру разъемов шин;

• основные характеристики интерфейсов подключения периферийных устройств.

уметь:

• подключать периферийные устройства к ПК

Интерфейсные подключения периферийных устройств ПК. Функции интерфейсов. Типы интерфейсов. Структура разъемов шин. Основные характеристики интерфейсов подключения периферийных устройств.

Методические указания

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.

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.

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. Подобно дискетам, жесткий диск делится на дорожки и секторыю. 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.

Вопросы для самоконтроля:

1. Интерфейс: назначение;

2. IDE и SCSI — интерфейсы;

3. Основные характеристики накопителей на жестких дисках

Тема 3.2 Внутренние интерфейсы

Студент должен:

иметь представление:

• об интерфейсных подключениях периферийных устройств ПК

знать:

• назначение и технические характеристики интерфейсов: ISA, EISA, PCI, AGP;

• структуру разъемов шин ISA, EISA, PCI, AGP

уметь:

• определять тип разъема для подключения периферийного устройства вычислительной техники;

Внутренние интерфейсы ISA, EISA, PCI, AGP. Назначение и технические характеристики. Структура разъемов шин. Подключение карт расширения.

Методические указания

PCI (англ. Peripheral component interconnect, дословно: взаимосвязь периферийных компонентов) — системная шина для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера.

Стандарт на шину PCI определяет:

• физические параметры (например, разъёмы и разводку сигнальных линий);

• электрические параметры (например, напряжения);

• логическую модель (например, типы циклов шины, адресацию на шине);

• Развитием стандарта PCI занимается организация PCI Special Interest Group.

Конфигурирование

PCI-устройства с точки зрения пользователя самонастраиваемы (plug and play). После старта компьютера, системное программное обеспечение обследует конфигурационное пространство PCI каждого устройства, подключённого к шине и распределяет ресурсы. Каждое устройство может затребовать до семи диапазонов в адресном прострастве памяти PCI или в адресном пространстве ввода-вывода PCI. Кроме того, устройства могут иметь ПЗУ, содержащее исполняемый код для процессоров x86 или PA-RISC, Open Firmware (системное ПО компьютеров на базе SPARC) или драйвер EFI. Настройка прерываний осуществляется также системным программным обеспечением (в отличии от шины ISA, где настройка прерываний осуществлялась переключателями на карте). Запрос на прерывание на шине PCI передаётся с помощью изменения уровня сигнала на одной из линий IRQ, поэтому имеется возможность работы нескольких устройств с одной линией запроса прерывания; обычно системное ПО пытается выделить каждому устройству отдельное прерывание для увеличения производительности.

Спецификация шины PCI

• частота шины — 33,33 МГц или 66,66 МГц, передача синхронная;

• разрядность шины — 32 или 64 бита, шина мультиплексированная (адрес и данные передаются по одним и тем же линиям);

• пиковая пропускная способность для 32-разрядного варианта, работающего на частоте 33,33 МГц — 133 Мб в секунду;

• адресное пространство памяти — 32 бита (4 Гибибайта);

• адресное пространство портов ввода-вывода — 32 бита (4 Гибибайта);

• конфигурационное адресное пространство (для одной функции) 256 байт;

• напряжение 3,3 или 5 вольт.

ISA (от англ. Industry Standard Architecture, ISA bus) — 8-ми или 16-ти разрядная системная шина IBM PC-совместимых компьютеров. Служит для подключения плат расширения стандарта ISA. Конструктивно выполняется в виде 62-х или 98-контактного разъёма на материнской плате.

С появлением материнских плат формата ATX — шина ISA перестала широко использоваться в компьютерах, хотя встречаются ATX-платы и AGP 4x, 6 PCI и одним(или двумя) портами ISA. Но пока её ещё можно встретить в старых AT-компьютерах, а также в промышленных компьютерах.

Для встроенных систем существует вариант компоновки шины ISA, отличающийся применяемыми разъёмами — шина PC/104.

EISA (англ. Extended Industry Standard Architecture) — шина для IBM-совместимых компьютеров. Была анонсирована в конце 1988 группой производителей IBM-совместимых компьютеров в ответ на введение фирмой IBM закрытой шины MCA в компьютерах серии PS/2.

Со временем возникла потребность в шине с более высокой пропускной способностью, и шина EISA была вытеснена более совершенными, но уже локальными шинами VESA Local Bus и PCI.

Таблица 2- Характеристики шины EISA

разрядность шины

32 бита

совместимость

8 разрядная ISA, 16 разрядная ISA, 32 разрядная EISA

количество линий

98 + 100

Напряжения питания

+5 V, −5 V, +12 V, −12 V

Частота

8,33 МГц

Пиковая пропускная способность (при обмене 32 разрядными словами)

около 32 МБ/с

Типичная пропускная способность (при обмене 32 разрядными словами)

около 20 МБ/с

VESA local bus — VL-Bus или VLB — тип локальной шины, разработанный ассоциацией VESA для ПК с процессором фирмы Intel. Шина VLB, по существу, является расширением внутренней шины МП Intel 80486 для связи с видеоадаптером и реже с контроллером HDD. Реальная скорость передачи данных по VLB — 80 Мбайт/с (теоретически достижимая - 132 Мбайт/с).

AGP (от англ. Accelerated Graphics Port, ускоренный графический порт) — разработанная в 1997 году компанией Intel, специализированная 32-битная системная шина для видеокарты. Появилась одновременно с чипсетами для процессора Intel Pentium II. Основной задачей разработчиков было увеличение производительности и уменьшение стоимости видеокарты, за счёт уменьшения количества встроенной видеопамяти. По замыслу Intel большие объёмы видеопамяти для AGP-карт были бы не нужны, поскольку технология предусматривала высокоскоростной доступ к общей памяти.

• Её отличия от предшественницы, шины PCI:

• работа на тактовой частоте 66 МГц;

• увеличенная пропускная способность;

• режим работы с памятью DMA и DME;

• разделение запросов на операцию и передачу данных;

В настоящее время, шина практически исчерпала свои возможности и, может быть, в скором времени её полностью заменит шина PCI Express.

PCI Express

Слоты PCI Express x4, x16, x1, опять x16, внизу стандартный 32-разрядный слот PCI, на материнской плате DFI LanParty nForce4 SLI-DR

PCI Express или PCIe или PCI-E, (также известная как 3GIO for 3rd Generation I/O; не путать с PCI-X или PXI) — компьютерная шина, использующая программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол, основанный на последовательной передаче данных.

В отличие от шины PCI, использовавшей для передачи данных общую шину, PCI Express, в общем случае, является пакетной сетью с топологией типа звезда, устройства PCI Express взаимодействуют между собой через среду, образованную коммутаторами, при этом каждое устройство напрямую связано соединением типа точка-точка с коммутатором.

Кроме того, шиной PCI Express поддерживается:

• горячая замена карт;

• гарантированная полоса пропускания (QoS);

• управление энергопотреблением;

• контроль целостности передаваемых данных.

Шина PCI Express нацелена на использование только в качестве локальной шины. Так, как программная модель PCI Express во многом унаследована от PCI, то существующие системы и контроллеры могут быть доработаны для использования шины PCI Express заменой только физического уровня, без доработки программного обеспечения. Высокая пиковая производительность шины PCI Express позволяет использовать её вместо шин AGP и тем более PCI и PCI-X, ожидается, что PCI Express заменит эти шины в персональных компьютерах.

Графическая карта для PCI Express

Для подключения устройства PCI Express используется двунаправленное последовательное соединение типа точка-точка, называемое lane; это резко отличается от PCI, в которой все устройства подключаются к общей 32-разрядной параллельной однонаправленной шине.

Соединение между двумя устройствами PCI Express называется link, и состоит из одного (называемого 1x) или нескольких (2x, 4x, 8x, 12x, 16x и 32x) двунаправленных последовательных соединений lane. Каждое устройство должно поддерживать соединение 1x.

Hyper-Transport

Шина HyperTransport (HT), ранее известная как Lightning Data Transport (LDT), — это двунаправленная последовательно/параллельная компьютерная шина, с высокой пропускной способностью и малыми задержками. Для разработки и продвижения данной шины был образован консорциум HyperTransport Technology. Технология используется компаниями AMD и Transmeta в x86 процессорах, PMC-Sierra, Broadcom и Raza Microelectronics в MIPS микропроцессорах, NVIDIA, VIA, SiS, ULi/ALi, AMD, Apple Computer и HP в наборах системной логики для ПК, HP, Sun Microsystems, IBM, и IWill в серверах, Cray, Newisys и PathScale в сверхкомпьютерах, а так же компанией Cisco Systems в маршрутизаторах.

Обзор шины

HyperTransport работает на частотах от 200 МГц до 2,6 ГГц (сравните с шиной PCI и её 33 или 66 МГц). Кроме того, она использует DDR, что означает, что данные посылаются как по переднему, так и по заднему фронтам сигнала синхронизации, что позволяет осуществлять до 5200 миллионов посылок в секунду при частоте сигнала синхронизации 2,6 ГГц; частота сигнала синхронизации настраивается автоматически.

HyperTransport поддерживает автоматическое определение ширины шины, от 2-х битных линий до 32-х битных линий. Полноразмерная, полноскоростная, 32-х битная шина в двунаправленном режиме способна обеспечить пропускную способность до 20800 МБ/с (2*(32/8)*2600), являясь, таким образом, самой быстрой шиной среди себе подобных. Шина может быть использована как в подсистемах с высокими требованиями к пропускной способности (оперативная память и ЦПУ), так и в подсистемах с низкими требованиями (переферийные устройства). Данная технология также способна обеспечить низкие задержки для других применений в других подсистемах.

Шина HyperTransport поддерживает технологии энергосбережения, а именно ACPI. Это значит, что при изменении состояния процессора (C-state) на энергосберегающее, изменяется также и состояние устройств (D-state). Например, при отключении процессора НЖМД также отключаются.

Электрический интерфейс HyperTransport/LDT — низковольтные дифференциальные сигналы (Low Voltage Differential Signaling (LVDS)), с напряжением 2,5 В.

Применение HyperTransport

Шина HyperTransport нашла широкое применение, в основном, в качестве замены шины процессора. Для примера, к процессору Pentium нельзя напрямую подключать устройства с шиной PCI, так как этот процессор использует свою специализированную шину (которая может быть различной у разных поколений процессоров). Для подключения дополнительных устройств (например с шиной PCI) в таких системах необходимы дополнительные устройства для сопряжения шины процессора с шиной периферийных устройств (мосты). Данные адаптеры обычно включают в специализированные наборы системной логики, называемые северный мост и южный мост.

Процессоры разных производителей могут использовать разные шины, а значит для них нужны разные мосты для соединения шины процессора с периферийными шинами. Компьютеры, использующие шину HyperTransport более универсальны и просты, а также более производительны. Однажды разработанный мост PCI-HyperTransport позволяет взаимодействовать любому процессору, поддерживающиму шину HyperTransport и любому устройству шины PCI. Для примера, NVIDIA nForce чипсет использует шину HyperTransport для соединения между северным и южным мостами.

RapidIO — это высокопроизводительная пакетная шина для соединения микросхем в рамках одной печатной платы, а также для соединения между собой нескольких печатных плат. Данная шина была разработана для применения во встраиваемых системах.

Основными конкурентами шины RapidIO являются шины HyperTransport, Infiniband и PCI Express, которые, однако, предназначены для решения других задач.

Шина RapidIO разработана компаниями Mercury Computer Systems и Motorola (ныне Freescale), как развитие шины, применявшейся в многопроцессорных системах цифровой обработки сигналов компании Mercury.

Стандарт на шину RapidIO разработан организацией RapidIO Trade Association. На настоящий момент последней является версия 1.3 стандарта.

Стандарт RapidIO определяет физический (соответствует физическому и канальному уровню модели OSI), транспортный (соответствует сетевому уровню модели OSI) и логический (соответствует транспортному уровню модели OSI) уровни.

Fibre Channel — высокоскоростной интерфейс передачи данных, используемый для соединения вместе рабочих станций, мейнфреймов, суперкомпьютеров и устройств хранения данных.

Порты устройств могут быть подключены напрямую друг к другу (point-to-point), быть включены в управляемую петлю (arbitrated loop) или в коммутируемую сеть, называемую фабрикой (fabric).

Поддерживается как оптическая, так и электрическая среда, со скоростью передачи данных от 133 мегабит/с до 8 гигабит/с на расстояния до 10 километров.

В большинстве случаев используется как несущий для SCSI-3. (Может использоваться как несущий и для других протоколов — например, ATM, IP, HIPPI и других.

VMEbus (или VME) — стандарт на компьютерную шину, первоначально разработанный для семейства микропроцессоров Motorola 68000, и в дальнейшем нашедший применение для множества других приложений. Шина VME была стандартизирована IEC как ANSI/IEEE 1014-1987. VME базируется на оснастке Eurocard, но использует собственную систему сигналов, не принятую в Eurocard. Впервые разработанная в 1981, шина VME находит широкое применение вплоть до сегодняшнего дня.

Характеристики шины

Разрядность шины — 32/64

Адрес/Данные — раздельные (VME32), мульиплексируемые (VME64)

Тип шины — Асинхроная

Конструктив — Eurocard 3U, 6U, 9U

Максимальное количество модулей в крейте — 21 штука

Пропускная способность в 32 разрядном варианте — 40 Мбайт/с (VME32), 80 Мбайт/с (VME64)

В режиме блочных передач (когда на 1-у передачу адреса идёт несколько передачь данных) скорость может достигать 320 Мбайт/с (VME64).

Описание шины

Во многом шина VMEbus представляет собой внешние интерфейсы процессора 68000, доработанные для соединения нескольких печатных плат. Во многих отношениях, это является недостатком, так как принуждает создавать системы подобные тем, для которых шина применялась изначально. Однако, одной из ключевых особенностей процессора 68000 была плоская, 32-битная модель памяти и свободное деление памяти на сегменты, так, что похожесть VME на шину процессора 68000, для большинства применений не имеет значения.

Логически все устройства шины VME делятся на три типа:

1. ведущий;

2. ведомый;

3. арбитр.

Ведущий — инициирует циклы на шине. Ведомый — осуществляет операции по команде ведущего. Арбитр — осуществляет контроль за занятостью шины.

Вопросы для самоконтроля:

1. Стандарт шины PCI;

2. ISA;

3. EISA;

4. VESA local bus;

5. AGP;

6. PCI Express;

7. Hyper-Transport;

8. RapidIO;

9. VMEbus

Тема 3.3 Интерфейсы периферийных устройств IDE/ATA, SCSI

Студент должен:

иметь представление:

• о принципах организации работы интерфейсов периферийных устройств

знать:

• назначение и технические характеристики интерфейсов: IDE/ATA, SCSI;

• структуру разъемов шин: IDE/ATA, SCSI

уметь:

• подключать периферийные устройства к интерфейсам IDE/ATA, SCSI;

Интерфейсы периферийных устройств: IDE/ATA, SCSI. Назначение и технические характеристики. Структура разъемов шин.

Методические указания

Интерфейсы являются основой взаимодействия всех современных информационных систем. Если интерфейс какого-либо объекта (персонального компьютера, программы, функции) не изменяется (стабилен, стандартизирован), это даёт возможность модифицировать сам объект, не перестраивая принципы его взаимодействия с другими объектами.

В вычислительной системе взаимодействие может осуществляться на пользовательском, программном и аппаратном уровнях. В соответствии с этой классификацией можно выделить:

Интерфейс пользователя — это совокупность средств, при помощи которых пользователь общается с различными устройствами

Интерфейс командной строки: инструкции компьютеру даются путём ввода с клавиатуры текстовых строк (команд).

Графический интерфейс пользователя: программные функции представляются графическими элементами экрана.

Диалоговый интерфейс

Естественно-языковой интерфейс: пользователь «разговаривает» с программой на родном ему языке.

Физический интерфейс — способ взаимодействия физических устройств. Чаще всего речь идёт о компьютерных портах.

Сетевой интерфейс

Шлюз (телекоммуникации)

Шина (компьютер)

Интерфейсы в программировании:

Интерфейс функции

Интерфейс программирования приложений (API): набор стандартных библиотечных методов, который программист может использовать для доступа к функциональности другой программы.

ATA (англ. Advanced Technology Attachment) — интерфейс подключения накопителей (например, жёстких дисков или оптических приводов) был разработан в 1989 году. Широко применяется на платформе IBM PC. Использование интерфейса ATA подразумевается при упоминании аббревиатур IDE, UDMA и ATAPI.

Хотя официально данный стандарт всегда назывался «ATA», по маркетинговым соображениям он довольно рано получил название IDE (Integrated Drive Electronics, т. е. «Электроника, встроенная в привод»), каковое название призвано было подчеркнуть, что контроллер привода располагается в нём самом, а не в виде отдельной платы расширения, как в предшествующем стандарте ST-506 и существовавших тогда интерфейсов SCSI и ST412. Это нововведение позволило удешевить производство новых накопителей.

В стандарт АТА определен интерфейс между контроллером и накопителем, а также передаваемые по нему команды.

Поначалу этот интерфейс использовался с жёсткими дисками, но затем стандарт был расширен для работы и с другими устройствами, в основном — использующими сменные носители. К числу таких устройств относятся приводы CD-ROM и DVD-ROM, ленточные накопители, а также дискеты большой ёмкости, такие, как ZIP и магнитооптические диски (LS-120/240). Этот расширенный стандарт получил название Advanced Technology Attachment Packet Interface (ATAPI), в связи с чем полное наименование стандарта выглядит как ATA/ATAPI.

Первоначальные расширения ATA для работы с приводами CD-ROM не обладали полной совместимостью, являлись фирменными. В результате, для подключения CD-ROM было необходимо устанавливать отдельную плату расширения, специфичную для конкретного производителя, например для Panasonic (существовало не менее 5 специфичных варианта ATA, предназначенных для подключения CD-ROM). Некоторые варианты звуковых карт, например Sound Blaster, оснащались именно такими портами.

Другим важным этапом в развитии ATA стал переход от PIO (Programmed input/output, Программный ввод/вывод) к DMA (Direct memory access, Прямой доступ к памяти). При использовании PIO считыванием данных с диска управлял центральный процессор компьютера (CPU), что приводило к повышенной нагрузке на процессор и замедлению работы в целом. По причине этого компьютеры, использующие интерфейс ATA, обычно выполняли операции, связанные с диском, медленнее, чем компьютеры, использующие SCSI и другие интерфейсы. Введение DMA существенно снизило затраты процессорного времени на операции с диском. В данной технологии потоком данных управляет сам накопитель, считывая даные в память или из памяти почти без участия CPU, который выдает лишь команды на выполнение того или иного действия. При этом жесткий диск выдает сигнал запроса DMARQ на операцию DMA контроллеру. Если операция DMA возможна, контроллер выдает сигнал DMACK и жесткий диск начинает выдавать данные в 1-й регистр (DATA), с которого контроллер считывает данные в память без участия процессора. Операция DMA возможна, если режим поддерживается одновременно BIOS, контроллером и операционной системой, в противном случае возможен лишь режим PIO.

В дальнейшем развитии стандарта (АТА-3) был введен дополнительный режим UltraDMA 2 (UDMA 33). Этот режим имеет временные характеристики DMA Mode 2, однако данные передаются и по переднему, и по заднему фронту сигнала DIOR/DIOW. Это вдвое увеличивает скорость передачи данных по интерфейсу. Также введена проверка на четность CRC, что повышает надежность передачи информации.

Если к одному шлейфу подключены два устройства, одно из них обычно называется ведущий (англ. master), а другое ведомый (англ. slave). Обычно ведущий показывается первым среди дисков, перечисляемых BIOS’ом компьютера или операционной системы. В старых BIOS’ах (486 и раньше) диски часто неверно обозначались буквами: «C» для ведущего диска и «D» для ведомого.

Если на шлейфе только один привод, он в большинстве случаев должен быть сконфигурирован, как ведущий. Однако, некоторые диски (в частности, производства Western Digital) имеют специальную настройку, именуемую single (т. е. «один диск на кабеле»). Также, в зависимости от аппаратного и программного обеспечения, единственный привод на кабеле может работать, даже если он сконфигурирован, как ведомый (такое часто встречается при подключении CD-ROM’а на отдельный канал).

Термины master и slave, хотя и являются широко распространёнными, не используются в текущей версии стандарта ATA. Более правильно называть ведущий и ведомый диски соответственно device 0 (устройство 0) и device 1 (устройство 1). Существует распространённый миф, что ведущий диск руководит доступом дисков к каналу. На самом деле, управление доступом дисков и очерёдностью выполнения команд осуществляют драйверы операционной системы. Если устройство 1 выполняет команду, то, до окончания её выполнения, устройство 0 не может начать выполнение своей команды, и наоборот. Поэтому не имеет оснований предположение, что одно устройство спрашивает другое, можно ли ему использовать канал. Фактически оба они являются ведомыми по отношению к драйверу ОС.

SATA (англ. Serial ATA) — последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации (как правило, с жёсткими дисками). SATA является развитием интерфейса ATA (IDE), который после появления SATA был переименован в PATA (Parallel ATA). SATA/150

Первоначально стандарт SATA предусматривал работу шины на частоте 1,5 ГГц, обеспечивающей пропускную способность приблизительно в 1,2 Гбит/с (150 МБ/с). (20%-я потеря производительности объясняется использованием системы кодирования 8B/10B, при которой на каждые 8 бит полезной информации приходится 2 служебных бита). Пропускная способность SATA/150 незначительно выше пропускной способности шины Ultra ATA (UDMA/133). Главным преимуществом SATA перед PATA является использование последовательной шины вместо параллельной.

SATA использует 7-контактный разъём вместо 40-контактного разъёма у PATA. SATA-кабель имеет меньшую площадь, за счёт чего уменьшается сопротивление воздуху, обдувающему комплектующие компьютера; улучшается охлаждение системы.

SATA-кабель за счёт своей формы более устойчив к многократному подключению. Питающий шнур SATA так же разработан с учётом многократных подключений. Разъём питания SATA подаёт 3 напряжения питания: +12 В, +5 В и +3,3 В; однако современные устройства могут работать без напряжения +3,3 В, что даёт возможность использовать пассивный переходник со стандартного разъёма питания IDE на SATA. Ряд SATA устройств поставляется с двумя разъёмами питания: SATA и Molex.

Стандарт SATA отказался от традиционного для PATA подключения по два устройства на шлейф; каждому устройству полагается отдельный кабель, что снижает задержки при одновременной работе двух устройств на одном кабеле, уменьшает возможные проблемы при сборке (проблема конфликта Slave/Master устройств для SATA отсутствует), устраняет возможность ошибок при использовании нетерминированных PATA-шлейфов.

Стандарт SATA предусматривает горячую замену устройств и функцию очереди команд (NCQ).

SCSI (англ. Small Computer Systems Interface, произносится как скази) — интерфейс, разработанный для объединения на одной шине различных по своему назначению устройств, таких как жёсткие диски, накопители на магнитооптических дисках, приводы CD, DVD, стриммеры, сканеры, принтеры и т. д. Раньше имел неофициальное название Shugart Computer Systems Interface в честь создателя Алана Ф. Шугарта

После стандартизации в 1986 году, SCSI начал широко применяться в компьютерах Apple Macintosh, Sun Microsystems. В компьютерах совместимых с IBM PC SCSI не пользуется такой популярностью в связи со своей сложностью и сравнительно высокой стоимостью.

В настоящее время SCSI широко применяется на серверах, высокопроизводительных рабочих станциях; RAID-массивы на серверах часто строятся на жёстких дисках со SCSI-интерфейсом (хотя в настоящее время на серверах нижнего ценового диапазона всё чаще применяются RAID-массивы на основе SATA). Стандарты

Существует три стандарта SCSI (SE — англ. single-ended, LVD — англ. low-voltage-differential — интерфейс дифференциальной шины низкого напряжения, HVD — англ. high-voltage-differential — интерфейс дифференциальной шины высокого напряжения), каждый из которых имеет множество дополнительных и необязательных возможностей. Некоторые комбинации возможностей имеют собственные наименования.

Контроллер SCSI может работать с любым устройством, на котором присутствует данный интерфейс (жесткий диск, сканер).

Основные реализации SCSI (в хронологическом порядке):

Таблица 3 - Обзор интерфейсов SCSI

Вопросы для самоконтроля:

1. Интерфейсы периферийных устройств: IDE/ATA, SCSI.

2. Назначение и технические характеристики.

3. Структура разъемов шин.

Тема 3.4 Внешние интерфейсы

Студент должен:

иметь представление:

• об интерфейсных подключениях периферийных устройств ПК

знать:

• назначение и технические характеристики интерфейсов: RS-232, LPT, USB, FireWire;

• структуру разъемов шин: RS-232, LPT, USB, FireWire

уметь:

• подключать периферийные устройства к интерфейсам RS-232, LPT, USB, FireWire

Внутренние интерфейсы RS-232, LPT, USB, FireWire. Назначение и технические характеристики. Структура разъемов шин

Методические указания

USB (англ. Universal Serial Bus) — универсальная последовательная шина, предназначенная для периферийных устройств.

Шина USB представляет собой последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств. Для высокоскоростных устройств лучше применять FireWire.

USB-кабель представляет собой две витые пары: по одной паре происходит передача данных в каждом направлении (дифференциальное включение), а другая пара используется для питания периферийного устройства (+5 В). Благодаря встроенным линиям питания, обеспечивающим ток до 500 мА, USB часто позволяет применять устройства без собственного блока питания (если эти устройства потребляют ток силой не более 500 мА).

К одному контроллеру шины USB можно подсоединить до 127 устройств через цепочку концентраторов (они используют топологию "звезда").

В отличие от многих других стандартных типов разъемов, для USB характерны долговечность и механическая прочность. История

Стандарт разработали семь компаний: Compaq, Digital Equipment, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom.

Летом 1996 года на рынке появились первые компьютеры с портами USB.

USB 1.1

Технические характеристики:

• высокая скорость обмена — 12 Мбит/с

• максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена — 3 м

• низкая скорость обмена — 1,5 Мбит/с

• максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена — 5 м

• максимальное количество подключённых устройств (включая размножители) — 127

• возможно подключение устройств с различными скоростями обмена

• напряжение питания для периферийных устройств — 5 В

• максимальный ток потребления на одно устройство — 500 мA

USB 2.0 отличается от USB 1.1 только большей скоростью и небольшими изменениями в протоколе передачи данных для режима Hi-speed (480Мбит/сек). Существуют три скорости работы устройств USB 2.0 :

Low-speed 10—1500 Кбит/c (используется для интерактивных устройств: Клавиатуры, мыши, джойстики)

Full-speed 0,5—12 Мбит/с (аудио/видео устройства)

Hi-speed 25—480 Мбит/с (видео устройства, устройства хранения информации)

На самом деле хотя и в теории скорость USB 2.0 может достигать 480Мбит/с, устройства типа жёстких дисков и вообще любых носителей информации в реальности никогда не достигают такой скорости обмена по шине, хотя и могут развивать её. Это можно объяснить достаточно большими задержками шины USB между запросом на передачу данных и собственно началом передачи. Например, другая шина FireWire хотя и обеспечивает максимальную скорость в 400Мбит/с, что на 80Мбит/с меньше чем у USB, в реальности позволяет достичь бо́льших скоростей обмена данными с жёсткими дисками и другими устройствами хранения информации.

USB OTG (аббр. от On-The-Go) — дальнейшее расширение спецификации USB 2.0, предназначенное для лёгкого соединения периферийных USB-устройств друг с другом без необходимости подключения к ПК. Например, цифровой фотоаппарат можно подключать к фотопринтеру напрямую, если они оба поддерживают стандарт USB OTG. Этот стандарт возник из-за резко возросшей в последнее время необходимости надёжного соединения различных USB-устройств без использования ПК. В данной спецификации устройства обходятся без персонального компьютера, т.е. выступают как одноранговые приемопередатчики(на самом деле это только создаётся такое ощущение. В действительности же устройства определяют кто из них будет мастер-устройством, а кто подчиняемым. А одноранговым интерфейс usb быть не может).

USB wireless

Новейшая технология USB (официальная спецификация стала доступна только в мае 2005 года). Позволяет организовать беспроводную связь с высокой скоростью передачи информации (до 480 Мбит/с на расстоянии 3 метра и до 110 Мбит/с на расстоянии 10 метров).

CompactFlash — формат флэш-памяти, появился одним из первых. Формат разработан компанией SanDisk Corporation в 1994 году.

Спецификацию для данного формата составляет Ассоциация CompactFlash. По мере развития технологий данный формат развивался. Вначале был выпущен CompactFlash Type II (ёмкость до 320 Мбайт, скорость чтения до 1,5 Мбайт/с, записи — 3 Мбайт/с), затем CompactFlash 2.0 или CF+ (скорость чтения достигла 8 Мбайт/с, записи — 6,6 Мбайт/с) и в конце 2004 года появилась третья версия стандарта (поддерживает режимы UDMA33 и UDMA66, скорость передачи данных увеличена до 66 Мбайт/с).

В 2005 году максимальный объём накопителей с интерфейсом CompactFlash достиг 12 Гбайт.

Размеры карт CompactFlash составляют 42 мм на 36 мм, толщина составляет 3,3 мм, CompactFlash Type II — 5 мм. Карты CompactFlash Type I могут вставляться в слоты обоих типоразмеров, CompactFlash Type II — только в слот для CompactFlash Type II. CompactFlash обоих типоразмеров имеет 50-контактные разъёмы.

CompactFlash описан в CF+ and CompactFlash Specification Revision 3.0 (от 23 декабря 2004 года).

Стандарт специфицирует:

• размеры и механические свойства устройств CompactFlash, а также типы применяемых разъёмов;

• электрический интерфейс (сигналы шины, циклы шины, а также цоклёвка разъёмов);

• метаформат;

• программную модель устройств CompactFlash;

• адаптеры для подключения устройств CompactFlash к шине PCMCIA.

В соответствии со стандартом, интерфейс накопителей CompactFlash электрически совместим с интерфейсом IDE.

IEEE 1394 (FireWire, i-Link) — последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами.

Компания Apple продвигает стандарт под торговой маркой FireWire. Компания Sony продвигает стандарт под торговой маркой i.LINK.

Преимущества

Цифровой интерфейс — позволяет передавать данные между цифровыми устройствами без потерь информации

Небольшой размер — тонкий кабель заменяет груду громоздких проводов

Простота в использовании — отсутствие терминаторов, идентификаторов устройств или предварительной установки

Горячее подключение — возможность переконфигурировать шину без выключения компьютера

Небольшая стоимость для конечных пользователей

Различная скорость передачи данных — 100, 200 и 400 Мбит/с (800, 1600Мбит/с IEEE 1394b)

Гибкая топология — равноправие устройств, допускающее различные конфигурации

Высокая скорость — возможность обработки мультимедиа-сигнала в реальном времени

Открытая архитектура — отсутствие необходимости использования специального программного обеспечения

Наличие питания прямо на шине (маломощные устройства могут обходиться без собственных блоков питания). До полутора ампер и напряжение от 8 до 40 вольт.

Подключение до 63 устройств.

Шина IEEE 1394 может использоваться с:

Компьютерами

Аудио и видео мультимедийными устройствами

Принтерами и сканерами

Жёсткими дисками, массивами RAID

Цифровыми видеокамерами и видеомагнитофонами

Организация уcтройств IEEE 1394

Уcтройства IEEE 1394 огранизованы по 3 уровневой схеме – Transaction, Link и Physical, соответствующие трем нижним уровням модели OSI.

Transaction Layer - маршрутизация потоков данных с поддержкой асинхронного протокола записи-чтения. Link Layer - формирует пакеты данных и обеспечивает их доставку. Physical Layer - преобразование цифровой информации в аналоговую для передачи и наоборот, контроль уровня сигнала на шине, управление доступом к шине.

Связь между шиной PCI и Transaction Layer осуществляет Bus Manager. Он назначает вид устройств на шине, номера и типы логических каналов, обнаруживает ошибки.

Данные передаются кадрами длиной 125 мксек. В кадре размещаются временные слоты для каналов. Возможен как синхронный, так и асинхронный режимы работы. Каждый канал может занимать один или несколько временных слотов. Для передачи данных устройство-передатчик просит предоставить синхронный канал требуемой пропускной способности. Если в передаваемом кадре есть требуемое количество временных слотов для данного канала, поступает утвердительный ответ и канал предоставляется.

RS-232 — это стандартный электрический интерфейс для последовательной передачи данных, поддерживающий асинхронную связь.

Этот стандарт соединения оборудования был разработан в 1969 году рядом крупных промышленных корпораций и опубликован Ассоциацией электронной промышленности США (Electronic Industries Association — EIA). Международный союз электросвязи ITU-T использует аналогичные рекомендации под названием V.24 и V.28. В СССР подобный стандарт описан в ГОСТ 18145-81.

Стандартная скорость передачи для RS-232 — 9600 бит/сек на расстояние до 15 м. Существует в 8-, 9-, 25- и 31-контактных вариантах разъёмов. В настоящий момент чаще всех используется 9-контактный разъем.

В общем случае описывает четыре интерфейсные функции:

определение управляющих сигналов через интерфейс;

определение формата данных пользователя, передаваемых через интерфейс;

передачу тактовых сигналов для синхронизации потока данных;

формирование электрических характеристик интерфейса.

Вопросы для самоконтроля:

1. Внутренние интерфейсы RS-232, LPT, USB, FireWire.

2. Назначение и технические характеристики.

3. Структура разъемов шин

Раздел 4. Накопители на магнитных и оптических носителях

Тема 4.1 Накопители на гибких и жестких магнитных дисках

Студент должен:

иметь представление:

• о накопителях на гибких и жестких магнитных дисках

знать:

• классификация внешних запоминающих устройств;

• принцип действия и основные компоненты дисковода FDD;

• принцип действия и основные компоненты дисковода HDD;

• характеристики и режимы работы накопителя на жестких дисках.

уметь:

• подключать накопители на жестких магнитных дисках;

• подключать накопители на гибких магнитных дисках;

• форматировать гибкие и жесткие магнитные накопители;

• устанавливать утилиты обслуживания жестких магнитных дисков.

Накопители на гибких дисках. Конструкция, принцип действия, основные компоненты, технические характеристики FDD. Логическая структура дискет. Накопители на жестких магнитных дисках. Конструкция и принцип работы HDD, форм-факторы, типы . Основные характеристики и режимы работы накопителей на жестких магнитных дисках. Контроллеры и подключение HDD. Современные модели накопителей. Логическая структура жесткого диска. Форматирование жестких дисков. Утилиты обслуживания жестких магнитных дисков.

Методические указания

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

Накопители на гибких дисках

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

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.

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.

Накопители на жестких магнитных дисках

Первый накопитель на жестких дисках (Hard Disk Drive — HDD) был создан в 1973 г. по технологии фирмы IBM.

Конструкция и принцип действия

Несмотря на большое разнообразие моделей винчестеров принцип их действия и основные конструктивные элементы одинаковы. На рисунке 5 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.

Рисунок 5 - 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.

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.

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.

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.

Вопросы для самоконтроля:

1. Накопители на гибких дисках. Конструкция, принцип действия, основные компоненты, технические характеристики FDD;

2. Логическая структура дискет;

3. Накопители на жестких магнитных дисках. Конструкция и принцип работы HDD, форм-факторы, типы;

4. Основные характеристики и режимы работы накопителей на жестких магнитных дисках. Контроллеры и подключение HDD;

5. Современные модели накопителей;

6. Логическая структура жесткого диска;

7. Форматирование жестких дисков;

8. Утилиты обслуживания жестких магнитных дисков.

Тема 4.2 Приводы CD-R (RW). DVD-R (RW)

Студент должен:

иметь представление:

• о назначении приводов CD-R (RW). DVD-R (RW)

знать:

• принцип действия и основные компоненты привода CD-ROM;

• эксплуатационные характеристики привода CD-ROM;

• принцип действия и основные компоненты привода DVD;

уметь:

• подключать приводы CD и DVD дисков;

Приводы CD-R, (RW), DVD-R (RW): принцип работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики.

Методические указания

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.

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 рисунке 6. 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.

Рисунок 6 - Геометрические характеристики компакт-диска (а) и его поперечное сечение (б)

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 рисунке 7 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 порадиусу диска и считывание информации. 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.

Рисунок 9 - Конструкция оптико-механического блока привода CD-ROM

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 — DTK) — Максимальная скорость, с которой данные пересылаются от носителя информации в оперативную память компьютера. 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.

Качество считывания характеризуется коэффициентом ошибок (Eror Rate) и представляет собой вероятность получения искаженного информационного бита при его считывании.

Среднее время доступа (Access Time — AT) — это время (в миллисекундах), которое требуется приводу, чтобы найти на носителе нужные данные.

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.

Средняя наработка на отказ — среднее время в часах, характеризующее безотказность работы привода CD-ROM.

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 — 2048 х 3072 и 256 х 384, 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 (Jntractive) 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 3DO 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.

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.

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. 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.

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.

Вопросы для самоконтроля:

1. Приводы CD-R, (RW), принцип работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики;

2. DVD-R (RW): принцип работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики.

Тема 4.3 Магнитооптические накопители. Накопители на магнитных дисках. Внешние устройства хранения информации

Студент должен:

иметь представление:

• о назначении накопителей на компакт дисках;

• о назначении магнитооптических накопителей;

• о назначении накопителей на магнитных дисках;

• о назначении внешних устройств хранения информации

знать:

• форматы оптических и магнитооптических дисков;

• принцип работы стримера

уметь:

• записывать информацию на оптические и магнитооптические диски

Накопители на компакт – дисках: форматы записи информации, процесс изготовления CD – дисков, накопители с однократной и многократной записью. Магнитооптические накопители: принципы работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики. Логическая структура и формат магнитооптических дисков. Накопители на магнитных лентах. Принцип размещения информации на магнитных лентах. Конструкция лентопротяжных механизмов. Структура данных на магнитных лентах. Устройства записи считывания информации с магнитных лент. Катриджы с магнитными лентами. Современные модели стримеров. Внешние устройства хранения информации: флэш- накопители, ZIP-накопители. Принцип работы и основные технические характеристики.

Методические указания

Накопители на магнитооптических дисках

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

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.

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). 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 упорядоченно ориентированные при записи данных магнитные частицы диска приводит к тому, что их магнитное поле незначительно изменяет поляризацию луча, т.е. наблюдается эффект Керра.

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.

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.

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.

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.

Вопросы для самоконтроля:

1. Накопители на компакт – дисках: форматы записи информации, процесс изготовления CD – дисков, накопители с однократной и многократной записью.

2. Магнитооптические накопители: принципы работы, конструкция и основные компоненты, технические характеристики.

3. Логическая структура и формат магнитооптических дисков.

4. Накопители на магнитных лентах.

5. Принцип размещения информации на магнитных лентах. Конструкция лентопротяжных механизмов. Структура данных на магнитных лентах.

6. Устройства записи считывания информации с магнитных лент. Катриджы с магнитными лентами. Современные модели стримеров.

7. Внешние устройства хранения информации: флэш- накопители, ZIP-накопители. Принцип работы и основные технические характеристики.

Раздел 5. Видеоподсистема: мониторы, видеоадаптеры, видеопроекторы

Тема 5.1 Мониторы ЭЛТ

Студент должен:

иметь представление:

• об устройствах отображения информации

знать:

• принцип работы мониторов на основе ЭЛТ;

• основные характеристики ЭЛТ мониторов.

уметь:

• подключать мониторы на основе ЭЛТ;

• устанавливать режимы работы мониторов на основе ЭЛТ;

Мониторы на основе электронно- лучевой трубки (ЭЛТ): основные принципы работы, типы ЭЛТ, конструкция, технические характеристики. Стандарты ТСО. Обзор основных моделей.

Методические указания

Мониторы на основе ЭЛТ — наиболее распространенные устройства отображения информации. Используемая в этом типе мониторов технология была разработана много лет назад и первоначально создавалась в качестве специального инструментария для измерения переменного тока, т. е. для осциллографа.

Конструкция ЭЛТ-монитора представляет собой стеклянную трубку, внутри которой находится вакуум. С фронтальной стороны внутренняя часть стекла трубки покрыта люминофором. В качестве люминофоров для цветных ЭЛТ используются довольно сложные составы на основе редкоземельных металлов — иттрия, эрбия и др. Люминофор — это вещество, которое испускает свет при бомбардировке его заряженными частицами. Для создания изображения в ЭЛТ-мониторе используется электронная пушка, которая испускает поток электронов сквозь металлическую маску или решетку на внутреннюю поверхность стеклянного экрана монитора, которая покрыта разноцветными люминофорными точками. Электроны попадают на люминофорный слой, после чего энергия электронов преобразуется в свет, т.е. поток электронов заставляет точки люминофора светиться. Эти светящиеся точки люминофора формируют изображение на мониторе. Как правило, в цветном ЭЛТ-мониторе используются три электронные пушки, в отличие от одной пушки, применяемой в монохромных мониторах.

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; размещенные на основании ЭЛТ катушки отклоняющей системы, которые изменяют направление пучка. Любое текстовое или графическое изображение на экране монитора состоит из множества дискретных точек люминофора, называемых пикселами и представляющих собой минимальный элемент изображения-растра.

Формирование растра в мониторе производится с помощью специальных сигналов, поступающих на отклоняющую систему. Под действием этих сигналов производится сканирование луча по поверхности экрана по зигзагообразной траектории от левого верхнего угла до правого нижнего. Ход луча по горизонтали осуществляется сигналом строчной (горизонтальной) развертки, а по вертикали — кадровой (вертикальной) 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) производится посредством специальных сигналов обратного хода. Мониторы такого типа называются растровыми. Электронный луч в этом случае периодически сканирует 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 1024 х 768 пикселов.

В электронно-лучевой трубке цветного монитора расположены три электронные пушки с независимыми схемами управления, а на внутреннюю поверхность экрана нанесен люминофор трех основных цветов: красного, синего и зеленого.

Электронный луч каждой пушки возбуждает точки люминофора, и они начинают светиться. Точки светятся по-разному и представляют собой мозаичное изображение с чрезвычайно малыми размерами каждого элемента. Интенсивность свечения каждой точки зависит от управляющего сигнала электронной пушки. В человеческом глазу точки с тремя основными цветами пересекаются и накладываются друг на друга. Изменением соотношения интенсивностей точек трех основных цветов получают требуемый оттенок на экране монитора. Для того чтобы каждая пушка направляла поток электронов только на пятна люминофора соответствующего цвета, в каждом цветном кинескопе имеется специальная цветоделительная маска.

В зависимости от расположения электронных пушек и конструкции цветоделительной маски (рисунок 8) различают ЭЛТ четырех типов, используемые в современных мониторах:

ЭЛТ с теневой маской (Shadow Mask) (см. рисунок 8, а) наиболее распространены в большинстве мониторов, производимых LG, Samsung, Viewsonic, Hitachi, Belinea, Panasonic, Daewoo, Nokia;

ЭЛТ с улучшенной теневой маской (EDP — Enhenced Dot Pitch) (см. рисунок 8, 6);

ЭЛТ со щелевой маской (Slot Mask) (см. рисунок 8, в), в которой люминофорные элементы расположены в вертикальных ячейках, а маска сделана из вертикальных линий. Вертикальные полосы разделены на ячейки, содержащие группы из трех люминофорных элементов трех основных цветов. Этот тип маски применяется фирмами NEC и Panasonic;

ЭЛТ с апертурной решеткой из вертикальных линий (Aperture Grill) (см. рисунок 8, г). Вместо точек с люминофорными элементами трех основных цветов апертурная решетка содержит серию нитей, состоящих из люминофорных элементов, выстроенных в виде вертикальных полос трех основных цветов. По этой технологии производятся трубки Sony и Mitsubishi.

Рисунок 8 - Типы цветоделительных масок ЭЛТ: а – ЭЛТ с теневой маской; б – ЭЛТ с улучшенной теневой маской; в- ЭЛТ с щелевой маской; г – ЭЛТ с апертурой решеткой

ЭЛТ-мониторы имеют следующие основные характеристики.

Диагональ экрана монитора — расстояние между левым нижним и правым верхним углом экрана, измеряемое в дюймах.

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.

Разрешающая способность монитора определяется количеством элементов изображения, которые он способен воспроизводить по горизонтали и вертикали.

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.

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 тяжелых металлов.

Вопросы для самоконтроля:

1. Принцип работы мониторов на основе ЭЛТ;

2. Основные характеристики ЭЛТ мониторов.

3. Подключение монитора на основе ЭЛТ;

4. Установка режимов работы мониторов на основе ЭЛТ

Тема 5.2 Жидкокристаллические мониторы

Студент должен:

иметь представление:

• об устройствах отображения информации

знать:

• принцип работы жидкокристаллических мониторов;

• основные характеристики жидкокристаллических мониторов.

уметь:

• подключать мониторы на основе ЖК;

• устанавливать режимы работы жидкокристаллических мониторов.

Жидкокристаллические мониторы. Принцип действия и технологии ЖК- мониторов. Контроллер ЖК экрана. Технические характеристики ЖК мониторов. Сравнительный анализ ЖК мониторов и мониторов на основе ЭЛТ. Обзор основных моделей. Плоскопанельные мониторы: плазменные дисплеи, электролюминесцентные мониторы, мониторы электростатической эмиссии, органические светодиодные мониторы. Принцип действия, основные преимущества и недостатки.

Методические указания

ЖК-мониторы (LCD — Liquid Crystal Display) составляют основную долю рынка плоскопанельных мониторов с экраном размером 13—17". Первое свое применение жидкие кристаллы нашли в дисплеях для калькуляторов и в кварцевых часах, затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров. Сегодня в результате прогресса в этой области начинают получать все большее распространение LCD-мониторы для настольных компьютеров.

Основным элементом ЖК-монитора является ЖК-экран, состоящий из двух панелей, выполненных из стекла, между которыми размещен слой жидкокристаллического вещества, которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Фактически это жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности, оптических), связанных с упорядоченностью ориентации молекул. Молекулы жидких кристаллов под воздействием электричества могут изменять свою ориентацию и вследствие этого изменять свойства светового луча, проходящего сквозь них. Следовательно, формирование изображения в ЖК-мониторах основано на взаимосвязи между изменением электрического напряжения, приложенного к жидкокристаллическому веществу, и изменением ориентации его молекул.

Экран ЖК-монитора представляет собой массив отдельных ячеек (называемых пикселами), оптические свойства которых могут меняться при отображении информации. Панели ЖК-монитора имеют несколько слоев, среди которых ключевую роль играют две панели, выполненные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, между которыми и расположен тонкий слой жидких кристаллов. На панелях нанесены параллельные бороздки, вдоль которых ориентируются кристаллы. Панели расположены так, что бороздки на подложках перпендикулярны между собой. Технология получения бороздок состоит в нанесении на стеклянную поверхность тонких пленок из прозрачного пластика. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках.

Жидкокристаллическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристаллические панели работают на отражение или на прохождение света). В качестве источников света используются специальные электролюминесцентные лампы с холодным катодом, характеризующиеся низким энергопотреблением. Молекулы одной из разновидностей жидких кристаллов (нематиков) в отсутствие напряжения на подложках поворачивают вектор электрической напряженности электромагнитного поля в световой волне, проходящей через ячейку, на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Нанесение бороздок позволяет обеспечить одинаковые углы поворота для всех ячеек. Фактически каждая ЖК-ячейка представляет собой электронно управляемый светофильтр, принцип действия которого основан на эффекте поляризации световой волны.

Чтобы поворот плоскости поляризации светового луча был заметен для глаза, на стеклянные панели дополнительно наносят два слоя, представляющих собой поляризационные фильтры. Эти фильтры выполняют функции поляризатора и анализатора.

Принцип действия ячейки ЖК-монитора в следующем. При отсутствии напряжения между подложками ячейка ЖК-монитора прозрачна, поскольку вследствие перпендикулярного расположения бороздок на подложках и соответствующего закручивания оптических осей жидких кристаллов вектор поляризации света поворачивается и проходит без изменения через систему поляризатор —анализатор. Ячейки, у которых ориентирующие канавки, обеспечивающие соответствующее закручивание молекул жидкокристаллического вещества, расположены под углом 90°, называются твистированными нематическими. При создании между подложками напряжения 3— 10 В молекулы жидкокристаллического вещества располагаются параллельно силовым линиям поля. Твистированная структура жидкокристаллического вещества нарушается, 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. Напряжение, приложенное к каждой ЖК-ячейке, формируется ПК.

Для вывода цветного изображения на экран выполняется подсветка монитора сзади, так чтобы свет порождался в задней части ЖК-дисплея. Цвет формируется в результате объединения ЖК-ячеек в триады, каждая из которых снабжена светофильтром, пропускающим один из трех основных цветов.

Технология, при которой закручивание молекул составляет 90°, называется твистированной нематической (TN — Twisted Nematic). Недостатки ЖК-мониторов, реализующих эту технологию, связаны с низким быстродействием; зависимостью качества изображения (яркости, контрастности) от внешних засветок; значительным взаимным влиянием ячеек; ограниченным утлом зрения, под которым изображение хорошо видно, а также низкими яркостью и насыщенностью изображения.

Следующим этапом на пути совершенствования ЖК-мониторов было увеличение угла закручивания молекул ЖК-вещества с 90 до 270° с помощью STN-технологии (Super-Twisted Nematic). Использование двух ячеек, одновременно поворачивающих плоскости поляризации в противоположных направлениях, согласно DSTN-технологии (Dual Super-Twisted Nematic), позволило значительно улучшить характеристики ЖК-мониторов.

Для повышения быстродействия ЖК-ячеек используется технология двойного сканирования (DSS— Dual Scan Screens), 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 с 500 мс (у ЖК-мониторов, реализующих технологию TN) до 150 мс и значительно повысить частоту обновления экрана.

Для получения лучших результатов с точки зрения стабильности, качества, разрешения и яркости изображения используются мониторы с активной матрицей в отличие от применявшихся ранее с пассивной матрицей. Термин пассивная матрица (Passive Matrix) относится к такому конструктивному решению монитора, согласно которому монитор разделен на отдельные ячейки, каждая из которых функционирует независимо от остальных, так что в результате каждый такой элемент может быть подсвечен индивидуально для создания изображения. Матрица называется пассивной, потому что рассмотренные выше технологии создания ЖК-мониторов не могут обеспечить быстродействие при отображении информации на экране. Изображение формируется строка за строкой путем последовательного подвода управляющего напряжения на отдельные ячейки. Вследствие большой электрической емкости отдельных ячеек напряжение на них не может изменяться достаточно быстро, поэтому изображение не отображается плавно и дрожит на экране. При этом между соседними электродами возникает некоторое взаимное влияние, которое может проявляться в виде колец на экране.

В активной матрице используются отдельные усилительные элементы для каждой ячейки экрана, компенсирующие влияние емкости ячеек и позволяющие значительно увеличить быстродействие. Активная матрица (active matrix) имеет следующие преимущества по сравнению с пассивной матрицей:

• высокая яркость;

• угол обзора, достигающий 120—160°, в то время как у мониторов с пассивной матрицей качественное изображение можно наблюдать только с фронтальной позиции по отношению к экрану;

• высокое быстродействие, обусловленное временем реакции монитора около 50 мс.

Функциональные возможности ЖК-мониторов с активной матрицей почти такие же, как у дисплеев с пассивной матрицей. Разница заключается в матрице электродов, которая управляет ячейками жидких кристаллов дисплея. В случае с пассивной матрицей разные электроды получают электрический заряд циклическим методом при построчной регенерации дисплея, а в результате разряда емкостей элементов изображение исчезает, так как кристаллы возвращаются к своей изначальной конфигурации. В случае с активной матрицей к каждому электроду добавлен запоминающий транзистор, который может хранить цифровую информацию (двоичные значения 0 или 1), и в результате изображение сохраняется до тех пор, пока не поступит другой сигнал. Такой транзистор, выполняя роль своеобразного коммутирующего ключа, позволяет коммутировать более высокое (до десятков 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 ячеек.

Запоминающие транзисторы производятся из прозрачных материалов, что позволяет световому лучу проходить сквозь них, и располагаются на тыльной части дисплея, на стеклянной панели, которая содержит жидкие кристаллы. Поскольку запоминающие транзисторы выполняются по тонкопленочной технологии, подобные ЖК-мониторы получили название TFT-мониторы (Thin Film Transistor — тонкопленочный транзистор). Тонкопленочный транзистор имеет толщину в диапазоне от 0,1 до 0,01 мкм. Технология TFT была разработана специалистами фирмы Toshiba. Она позволила не только значительно улучшить показатели ЖК-мониторов (яркость, контрастность, угол зрения), но и создать на основе активной ЖК-матрицы цветной монитор.

К основным характеристикам жидкокристаллических мониторов относятся следующие.

Размер экрана ЖК-мониторов находится в пределах от 13 до 16". В отличие от ЭЛТ-мониторов, номинальный размер экрана и размер его видимой области (растра) практически совпадают.

Ориентация экрана у ЖК-монитора в отличие от ЭЛТ-монитора может быть как портретная, так и ландшафтная. В то время как традиционные экраны ЭЛТ-мониторов и ЖК-экраны компьюте- ров типа Notebook имеют только ландшафтную ориентацию, обусловленную тем, что поле зрения человека в горизонтальном направлении шире, чем в вертикальном, в ряде случаев (работа с текстами большого объема, Web-страницами) намного удобнее работать с экраном портретной ориентации. ЖК-монитор можно легко развернуть на 90°, при этом ориентация изображения останется прежней.

Поле обзора ЖК-мониторов обычно характеризуется углами обзор а, отсчитываемыми от перпендикуляра к плоскости экрана по горизонтали и вертикали.

Разрешение ЖК-монитора определяется размером отдельной ЖК-ячейки, т.е. фиксированным размером пикселов.

Метод «Centering» (центрирование) состоит в том, что для отображения изображения используется только то количество пикселов, которое необходимо для формирования изображения с более низким разрешением. В результате изображение получается не во весь экран, а только в середине: все неиспользуемые пикселы остаются черными, образуя вокруг изображения широкую черную рамку.

Метод «Expansion» (растяжение) основан на растяжении изображения на весь экран, что приводит к возникновению некоторых искажений и ухудшению резкости.

Яркость — важнейший параметр при выборе ЖК-монитора. Типовая яркость ЖК-монитора 150 — 200 кд/м². При этом в центре яркость ЖК-монитора может быть на 25 % выше, чем у краев экрана.

Контрастность изображения ЖК-монитора показывает, во сколько раз его яркость изменяется при изменении уровня видеосигнала от минимального до максимального. Приемлемая цветопередача обеспечивается при контрастности не менее 130:1, а высококачественная — при 350:1.

Инерционность ЖК-монитора характеризуется минимальным временем, необходимым для активизации его ячейки, и составляет 30 — 70 мс, соответствуя аналогичным параметрам ЭЛТ-мо-ниторов.

Палитра ЖК-мониторов, по сравнению с обычными, ограничена определенным количеством воспроизводимых на экране оттенков цветов. Типовой размер палитры современных ЖК-мониторов составляет 262 144 или 16 777 216 оттенков цветов.

Массогабаритные характеристики и энергопотребление выгодно отличают ЖК-мониторы от ЭЛТ-мониторов. Масса большинства моделей не превышает нескольких килограмм, а толщина экрана — 20 мм. Потребляемая мощность в рабочем режиме не превышает 35-40 Вт.

Плазменные дисплеи (Plasma Display Panel — PDF) создаются путем заполнения пространства между двумя стеклянными поверхностями инертным газом, например аргоном или неоном. Затем на стеклянную поверхность наносят миниатюрные прозрачные электроды, на которые подается высокочастотное напряжение. Под действием этого напряжения в прилегающей к электроду газовой области возникает электрический разряд. Плазма газового разряда излучает свет в ультрафиолетовом диапазоне, который вызывает свечение частиц люминофора в диапазоне, видимом человеком.

Электролюминесцентные мониторы (Electric Luminiescent Displays — ELD) no своей конструкции аналогичны ЖК-мониторам. Принцип действия электролюминесцентных мониторов основан на 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. Однако они уступают ЖК-мониторам по энергопотреблению, поскольку на ячейки подается относительно высокое напряжение — около 100 В. При ярком освещении цвета электролюминесцентных мониторов тускнеют.

Мониторы электростатической эмиссии (Field Emission Displays — FED) являются сочетанием традиционной технологии, основанной на использовании ЭЛТ, и жидкокристаллической технологии. Мониторы FED основаны на процессе, который несколько похож на тот, что применяется в ЭЛТ-мониторах, так как в обоих методах применяется люминофор, светящийся под воздействием электронного луча. В качестве пикселов применяются такие же зерна люминофора, как и в ЭЛТ-мониторе, что позволяет получить чистые и сочные цвета, свойственные обычным мониторам. Однако активизация этих зерен производится не электронным лучом, а электронными ключами, подобными тем, что используются в ЖК-мониторах, построенных по TFT-технологии. Управление этими ключами осуществляется специальной схемой, принцип действия которой аналогичен принципу действия контроллера ЖК-монитора.

Органические светодиодные мониторы (Organic Light-Emitting Diode Displays — OLEDs), или LEP-мониторы {Light Emission Plastics — светоизлучающий пластик), по своей технологии похожи на ЖК-и ELD-мониторы, но отличаются 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 по сравнению с рассмотренными:

• низкое энергопотребление (подводимое к пикселу напряжение менее 3 В);

• простота конструкции и технологии изготовления;

• тонкий (около 2 мм) экран;

• малая инерционность (менее 1 мкс).

К существенным недостаткам этой технологии следует отнести малую яркость свечения экрана; малый размер экрана. LEP-мониторы используются пока только в портативных устройствах, например, в сотовых телефонах.

Выбор той или иной модели монитора зависит от характера информации, с которой будет работать пользователь, и задач, которые он ставит перед собой, а также от суммы выделенных средств на приобретение монитора. Российский рынок мониторов Постоянно пополняется новыми моделями. Если модель уже выбрана, при выборе конкретного экземпляра полезно следовать Приведенным ниже рекомендациям.

Вопросы для самоконтроля:

1. Принцип работы жидкокристаллических мониторов;

2. Основные характеристики жидкокристаллических мониторов;

3. Подключение мониторов на основе ЖК;

4. Установка режимов работы жидкокристаллических мониторов;

5. Принцип работы плазменных дисплеев;

6. Принцип работы электролюминесцентных мониторов;

7. Принцип работы мониторов электростатической эмиссии;

8. Принцип работы органических светодиодных мониторов.

Тема 5.3 Проекционные аппараты

Студент должен:

иметь представление:

• об устройствах отображения информации

знать:

• назначение, типы, функции проекционных аппаратов;

• назначение и принцип работы оверхед- проектора и ЖК панели;

• назначение и принцип работы мультимедийного проектора.

Проекционные аппараты. Оверхед- проекторы и ЖК панели. Мультимедийные проекторы: принцип действия и классификация. Принципиальные схемы TFT- проекторов, полисиликоновых проекторов, D-ILA, DMD/DLP- проекторов. Их достоинства и недостатки. Принцип действия 3D- проекторов. Основные характеристики мультимедийных проекторов.

Методические указания

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.

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.

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.

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 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 схем. 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.

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 (1280х 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.

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.

В TFT-проекторах, относящихся к проекторам просветного типа, в качестве модулятора используется малогабаритная цветная активная ЖК-матрица, выполненная по технологии TFT.

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.

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, 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.

Цветоделительная система полисиликонового проектора, состоящая из двух дихроичных (D_u D₂) и одного обычного (Ni) 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 (D₃, D₄) и одного отражающего (N₂) 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.

ЖК-проекторы отражательного типа предназначены для работы в больших аудиториях и отличаются по принципу действия: модуляции подвергается не проходящий, а отраженный световой поток.

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).