Компьютер, периферийные устройства, устройства информационного обмена

E-mail Печать PDF
Рейтинг пользователей: / 24
ХудшийЛучший 
Индекс материала
Компьютер, периферийные устройства, устройства информационного обмена
1) Компьютер
2) Основные характеристики (разрядность, адресное пространство, быстродействие и другое) процессора компьютера.
3) Архитектура процессора
) Организация и основные характеристики оперативной памяти компьютера
5) Клавиатура и манипуляторы (мышь, тачпад, трекбол, трекпойнт, джойстик)
6) Мониторы
7) Видеоадаптеры
8) Накопители информации на гибких магнитных дисках
9) Накопители информации на жестких магнитных дисках
10) Накопители информации на компакт-дисках
11) Устройства для ввода и вывода звуковой информации (звуковые адаптеры)
13) Дигитайзеры. Световое перо
14) Принтеры. Плоттеры (графопостроители)
15) Сканеры
16) Накопители информации на магнитных лентах
17) Модемы
21) Современная телефония, сотовая связь
Все страницы

<Компьютер, периферийные устройства, устройства информационного обмена>


1) Компьютер    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2) Основные характеристики процессора компьютера    . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3) Архитектура процессора    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4) Оперативная память компьютера    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5) Клавиатура и манипуляторы    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6) Мониторы    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7) Видеоадаптеры    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8) Гибкие магнитные диски    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9) Жесткие магнитные диски    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  

10) Компакт-диски    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11) Устройства для ввода и вывода звуковой информации (звуковые адаптеры)

12) Устройства для ввода и вывода видео информации    . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13) Дигитайзер. Световое перо    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14) Принтеры. Плоттеры (графопостроители)    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15) Сканеры    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16) Магнитные ленты    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  

17) Модемы    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18) Кредитные карты    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19) Беспроводная периферия    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20) Презентационное оборудование    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21) Современная телефония, сотовая связь    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


 


1) Компьютер

 

Состав устройств. Принцип построения. Магистрально-модульная организация

Состав устройств

Компьютер - электронный прибор, предназначенный для организации создания, хранения, обработки и транспортировки данных.

1)      Джон Непер (17 век) - изобретение (логарифмы, счетные палочки Непера)

2)      Паскаль (17 век) - суммирующее устройство. 1-ая механическая счетная машина.

3)      Лейбниц (17-18 век) - счетная машинка, для выполнения всех арифметических действий, путем многократного повторения операций сложения и вычитания.

4)      Машины Бэббиджа (19 век)

Его аналитическая машина обладала существенной особенностью: впервые был реализован принцип разделения информации на команды и данные:

a.       Склад> - память

b.      <Мельница> - процессор

c.       <Контора> - устройство управления.

d.      Устройство ввода/вывода

5)      Джон фон Нейман (1945-1946) сформулировал основные принципы компьютера:

Устройства:

a.       Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - выполняет логические и арифметические операции

b.      Устройство управления - устройство, которое организует процессы выполнения программ

c.       Запоминающее устройство - устройство для хранения программ и данных

d.      Внешние устройства ввода/вывода.

Работа:

a.       Двоичное кодирование

b.      Программное управление

c.       Однородность памяти (двоичные коды)

d.      Принцип адресности памяти (каждая ячейка имеет свой код)

Все современные компьютеры построены по данному принципу.

Магистрально модульная организация

В основу архитектуры персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Модульный принцип позволяет пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости его модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между модулями.

Обмен информацией между устройствами производится по 3-ём многоразрядным шинам, соединяющим все модули:

1)      Шине данных

2)      Шине адресов

3)      Шине управления

Разрядность шины связана с разрядностью процессора (8- 16- 32- 64-разрядные процессоры). Информация по шине данных могут передаваться от процессора к какому-либо устройству, либо, наоборот, т. е. шина данных является двунаправленной.

К основным режимам работы процессора с использованием шины данных можно отнести следующие:

1)      Запись/чтение данных из оперативной памяти

2)      Запись/чтение из внешней памяти

3)      Чтение данных с устройства ввода, пересылка на устройство ввода

Выбор абонента по обмену данными производит процессор, который формирует код адреса данного устройства, а для оперативной памяти код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине, причем сигнал по ней передается в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствами, т. е. шина адреса является однонаправленной. Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой процессором памяти. Имеются 16-, 20-, 24-, 32-разрядные шины адреса. Каждой шине соответствует своё адресное пространство: 216 = 64 Кб, 220 = 1 Мб, 224 - 16 Мб, 232 - 4 Гб.

По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией (ввод/вывод) и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией.

Подключение отдельных модулей компьютера к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, адаптеров устройств (видеоадаптеров, контроллеров жестких дисков и прочее), на программном - обеспечивается загрузка в оперативную память драйверов устройств.


 


2) Основные характеристики (разрядность, адресное пространство, быстродействие и другое) процессора компьютера.

 

Процессор компьютера предназначен для обработки информации. Каждый процессор имеет определенный набор базовых операций (команд), например, одной из таких операций является операция сложения двоичных чисел.

Технически процессор реализуется на большой интегральной схеме, структура которой постоянно усложняется, и количество функциональных элементов (типа диод или транзистор) на ней постоянно возрастает (от 30 тысяч в процессоре 8086 до 5 миллионов в процессоре Pentium II).

Важнейшей характеристикой процессора, определяющей его быстродействие, является его тактовая частота. Тактом называют интервал времени, за который микропроцессор выполняет элементарную операцию по обработке информации. От нее, в частности, зависит количество базовых операций, которые производит процессор в секунду. За 25 лет тактовая частота процессора увеличилась на три порядка от 4 МГц (процессор 8086, 1978) до 3 ГГц (процессор Pentium IV, 2004).

Другой характеристикой процессора, влияющей на его производительность, является разрядность. В общем случае производительность процессора тем выше, чем больше его разрядность. В настоящее время используются 8-, 16-, 32- и 64-разрядные процессоры, причем практически все современные программы рассчитаны на 32- и 64- разрядные процессоры.

Часто уточняют разрядность процессора и пишут, например, 16/20, что означает, что процессор имеет 16-разрядную шину данных и 20-разрядную шину адреса. Разрядность адресной шины определяет адресное пространство процессора, т. е. максимальный объем оперативной памяти, который может быть установлен в компьютере. Современный процессор Pentium IV имеет разрядность 64/32, т. е. его адресное пространство составляет 4 Гб.

Производительность процессора является интегральной характеристикой, которая зависит от частоты процессора, его разрядности, а также особенностей архитектуры (наличие кэш-памяти и другое). Производительность процессора нельзя вычислить, она определяется в процессе тестирования, т. е. определения скорости выполнения процессором определенных операций в какой-либо программной среде.

Процессор

Частота (МГц)

Разрядность шины данных

Разрядность шины адреса

Адресное пространство

8086

4 - 12

16

20

1 Мб

80286

8 - 20

16

24

16 Мб

80386

25 - 40

32

32

4 Гб

80486

33 - 100

32

32

4 Гб

Pentium

75 - 200

64

32

4 Гб

Pentium II

200 - 550

64

32

4 Гб

Pentium III

450 - 1000

64

32

4 Гб

Pentium IV

1000 - 3800

64

32

4 Гб

Увеличение производительности процессоров может достигаться различными путями. В частности, за счет введения дополнительных базовых операций. Так, в процессорах Pentium MMX достигается большая производительность при работе с мультимедиа-приложениями (программами для обработки графики, видео и звука). Ещё один способ увеличения производительности увеличение числа <ядер> процессора - модулей, способных выполнять параллельные операции независимо друг от друга. Так Intel заявила о своих планах выпустить двуядерные процессоры, а IBM, Sony и Toshiba в феврале 2005 уже создали совместно новый процессор - девятиядерный Cell, тактовая частота которого колеблется около 4,6 ГГц и выше, а пиковое значение производительности составляет 256 гигафлоп (256 млрд операций в секунду).


 


3) Архитектура процессора

 

Его функциональные узлы: регистры, сумматоры, и другое. Цикл работы процессора. Адресность команд

Процессор - это центральное устройство компьютера, которое выполняет операции обработки информации и управляет работой компьютера по заданной программе. Процессор реализуется в виде сверхбольшой интегральной схемы на полупроводниковых началах.

Архитектура процессора - общее описание, достаточное для понимания структуры и принципов работы.

АЛУ - арифметико-логическое устройство. Предназначено для выполнения всех основных операций, входящих в систему команд компьютера.

1) Арифметические операции: сложение (<+>), вычитание (<->), умножение (<*>), деление (), сдвиг разряда

2) Логические операции: отрицание (<NOT>), умножение (<AND>), сложение (<OR>), исключающее <или> (<XOR>).

Устройство управления предназначено для управления работой всех устройств компьютера по заданное программе.

Вся остальные элементы процессора - регистры - внутренняя память компьютера (один регистр - набор триггеров)

Триггеры - устройства, которое служат для кратковременной задержки сигнала (запоминания).

1) Регистр A, регистр B - регистры данных.

2) РОН - регистр общего назначения. Используется для хранения данных и промежуточных результатов, полученных с помощью АЛУ.

3) PSW (processor status word) - слово состояние процессора; регистр, который содержит информацию о результате операции (набор флажков, устанавливаемые АЛУ, - биты, указывающие на нулевой результат, переполнение, перенос и другое).

PSW используется Устройством Управления для выполнения условных операций (например, <перейти по адресу 7410, если выполнение предыдущей инструкции вызвало переполнение>).

4) SP (stack pointer) - указатель стека; хранит адрес очередной ячейки памяти.

5) Регистр Команд используется для хранения команд, обрабатываемых процессором.

6) Счетчик Команд - регистр, содержащий адрес следующей выполняемой команды.

Stack - участок оперативной памяти, ограниченный особым образом для хранения содержимого внутренних регистров процессора, используемых для организации прерываний и работы подпрограмм.

Цикл работы процессора

1) Из Оперативной Памяти по адресу, указанному в Счетчике Команд, считывается команда в Регистр Команд

2) Счетчик Команд автоматически увеличивается на длину команды так, чтобы указывать на следующую команду, пока процессор занят <своим делом>.

3) Устройство Управления извлекает из кода команды адреса операндов

4) По указанным адресам из Оперативной Памяти считываются данные в Регистр Данных (также данные могут считываться с Регистра Общего Назначения)

5) Выполняется операция

6) Запись результата выполнения операции в Регистр Результата

Всё повторяется, начиная с первого шага.

При включении компьютера из ПЗУ запускается программа, которая запускает с внешнего носителя программу загрузки из boot-сектора

Переходы

Переходы осуществляются прострой записью номера команды в Счетчик Команд.

1) Безусловный абсолютный (указано, куда именно)

2) Безусловный относительный (указано, на сколько изменить текущее положение)

3) Условный абсолютный

4) Условный относительный

Команды процессора

1) Команда пересылки данных

2) Арифметические команды

3) Логические команды

4) Команды ввода/вывода

5) Команды работы со стеком:

вид команды

а) КОП / - безадресная команда, нуль-команда

б) КОП / А - одноадресная команда (например, команда перехода с 4 на 6)

в) КОП / А1 | A2 - двухадресная команда (в случае двухадресных команд результат записывается либо по адресу А1, либо по адресу А2)

г) КОП / А1 | А2 | А3 - трехадресная команда

Способы адресации

1) Прямая (в коде команды стоит адрес операнда в оперативной памяти)

2) Непосредственная

3) Косвенная (в поле адреса команды находится адрес ячейки, только в которой находится адрес команды)

4) Регистровая

5) Косвенная регистровая


 


4) Организация и основные характеристики оперативной памяти компьютера

 

Оперативная память (RAM - Random Access Memory) - это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. Существует много различных типов оперативной памяти, но с точки зрения физического принципа действия различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM).

Ячейки динамической памяти (DRAM) можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Это наиболее распространенный и экономически доступный тип памяти. Недостатки этого типа связаны, во-первых, с тем, что как при заряде, так и при разряде конденсаторов неизбежны переходные процессы, то есть запись данных происходит сравнительно медленно. Второй важный недостаток связан с тем, что заряды ячеек имеют свойство рассеиваться в пространстве, причем весьма быстро. Если оперативную память постоянно не <подзаряжать>, утрата данных происходит через несколько сотых долей секунды. Для борьбы с этим явлением в компьютере происходит постоянная регенерация (освежение, подзарядка) ячеек оперативной памяти.

Ячейки статической памяти (SRAM) можно представить как электронные микроэлементы - триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и, соответственно, дороже.

Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной памяти компьютера. Микросхемы статической памяти используют в качестве вспомогательной памяти (так называемой кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы процессора.

Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается числом. Максимальный объем оперативной памяти определяется разрядностью шины адреса (вопрос #1). Таким образом, имея 32-разрядную шину адреса, может быть осуществлена непосредственная адресация к полю памяти размером 232 = 4 294 967 296 байт (4 Гб). Однако это отнюдь не означает, что именно столько оперативной памяти непременно должно быть в компьютере. В современных ПК объем оперативной памяти составляет 128-256 Мб и более.

Одна адресуемая ячейка содержит восемь двоичных ячеек, в которых можно сохранить 8 бит, то есть 1 байт данных. Таким образом, адрес любой ячейки памяти можно выразить 4-мя байтами.

Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках, называемых модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате.

Различают два вида оперативной памяти:

- SIMM - однорядные;

- DIMM - двухрядные.

Организация

Чтение:

1)      Процессор <высылает> на шину адреса адрес нужной ячейки памяти

2)      Память обнаруживает, что этот адрес из её адресного пространства, и записывает в регистр адреса

3)      Дешифратор из двоичного кода получает <хрен прочитаешь, какой код>, толи <суммарный>, толи <унитарный>.

4)      Процессор дает команду прочитать. Считывает из ячейки информацию в регистр данных. Затем подключается к шине данных.

5)      Готово. Процессор забирает с шины данных считанный код.

Запись:

1)        Процессор <высылает> на шину адреса адрес нужной ячейки памяти, в которую нужно записать информацию.

2)        Память обнаруживает, что этот адрес из её адресного пространства, и записывает в регистр адреса.

3)        Процессор отправляет данные на шину данных.

4)        С шины данных в регистр данных.

5)        Запись в соответствующую ячейку.

Основные характеристики оперативной памяти

1) Латентность (задержка при передаче данных) - у модулей SIMM она составляла около 60 нс, у первых DIMM-модулей 8-10 нс, у современной оперативной памяти DIMM DDR, DIMM DDR2 - 1,6-2,5 нс.

2) Объём одного модуля оперативной памяти может достигать 1 Гб. Стандартный объем современной оперативной памяти: 64, 128, 256, 512, 1024 Мб.


 


5) Клавиатура и манипуляторы (мышь, тачпад, трекбол, трекпойнт, джойстик)

 

Назначение. Устройство. Физические принципы работы. Интерфейс со средой. Интерфейс с компьютером. Типовые параметры

Клавиатуры

С момента появления первых компьютеров, для управления ими применялись комбинации клавиш. Со временем, системы этих клавиш пришли к одному стандарту и  трансформировались в клавиатуру, известную нам сегодня. Поэтому, говорить о разработчике или дате создания клавиатуры не представляется возможным.

Мембранные клавиатуры

При нажатии клавиша опускается в резиновый купол, замыкая две мембраны. Клавиша возвращается назад тем же самым резиновым куполом.

Полумеханические клавиатуры

Используются более долговечные и не протирающиеся металлические контакты. Все это размещается на печатной плате. Клавиша возвращается резиновым куполом.

Механические

Клавиша возвращается пружиной. По сути, это набор обычных электрических кнопок, размещённых на одной пластине. Контактное поле на печатной плате.

Недостатки:

1)      Окисление контактов

2)      Контакты теряют свойство пружинности

Герконовые

Самые надежные клавиатуры, так как совсем не имеют трущихся частей. Принцип действия заключается в следующем: внутри каждой клавиши находится стеклянная, герметичная колба с двумя контактами, один из которых неподвижный. При нажатии клавиши магнит опускается к колбе и под действием магнитного поля контакты замыкаются.

Сенсорные

Принцип работы - от прикосновения. Кожа является проводником.

Проекционные

Изображение клавиатуры проецируется на стол. При нажатии определенный участок закрывается тенью. Что и служит сигналом к нажатию клавиши.

Интерфейсы

1)      DIN 5

2)      PS/2

3)      USB

4)      ИК-порт, Bluetooth

Кодирование ASCII: с клавиатуры идет скан-код (у каждого свой определенный номер в соответствии с таблицей кодов ASCII).

Типовые параметры

1)      Форм фактор (расположение клавиш Shift, Backspace, Enter)

2)      Механизм

3)      Эргономичность (оптимальность в использовании)

4)      Группы дополнительных клавиш


Манипуляторы - устройства ввода, устроенные по типу указателя.

Мышь

Оптико-механические мыши

1)      Фотодатчик

2)      Прорезиненный шарик

3)      Валик

4)      Колесо

5)      Ролик прокрутки

6)      Прижимной ролик

Основой этих устройств является обрезиненный шарик, который касается двух валиков, отвечающих за передвижение курсора по осям X и Y. На каждом валике есть диск с прорезями. Через прорези проходит луч света, а с другой стороны этот луч фиксирует фотодатчик. Точнее, он фиксирует прерывание этого луча при вращении диска. Каждый импульс превращается в электрический сигнал и является одним шагом по одной из координат. Кроме этого, все современные мыши оснащены роликом прокрутки (а иногда и двумя), который действует еще и как третья кнопка. Принцип его работы схож с основным устройством управления курсором.

Оптические мыши

Не имеет трущихся частей. Принцип действия последних поколений оптических мышей таков: поверхность подсвечивается мощным светодиодом и несколько тысяч раз в секунду фотографируется камерой. Эти снимки анализируются процессором (DSP) мышки, и после их сравнения он рассчитывает изменение координат.

Интерфейсы

1) PS/2

2) COM

3) USB

4) ИК-порт, Bluetooth

Типовые параметры

1) Кол-во кнопок.

2) Разрешение (dpi)

3) Эргономичность.

Трекбол

Трекбол представляет собой шариковую мышку как бы перевёрнутую вверх дном: сверху находится шарик, который нужно вращать пальцами, и тем самым приводить в движение экранный курсор. Принцип действия идентичен принципу действия оптико-механической мыши.

Тачпад

Тачпад часто встраивают в <ноутбуки>, а также в некоторые типы компьютерных клавиатур (в основном, гигадорогих). Он представляет собой небольшой квадратик с сенсорной поверхностью, чувствительной к любому нажатию. Вы просто водите пальцем по поверхности тачпада, и курсор на экране повторяет ваши движения. Если нажать посильнее в каком-то одном месте, то тачпад воспримет данное нажатие как нажатие левой кнопки мыши.


Джойстики (joy - удовольствие, stick - палка, joystick - палка, доставляющая удовольствие)

Существует два вида джойстиков:

1) Игровой

2) Портативный

Портативный джойстик - это рычажок, который может перемещаться по вертикальной и горизонтальной оси. Чем больше отклонить его в какую-либо сторону, тем быстрее в эту сторону начнёт перемещаться курсор на экране. Хоть в названии этого устройства и заключено слово <удовольствие>, но всё же работа с ним доставляет скорее обратные чувства.

Игровой джойстик предназначен для более удобного управления процессом игры (получения в игре лучшего контроля над объектом), в основном симуляторов. Игровой джойстик может иметь некоторые кнопки, назначение которых может определить операционная система или игра. Существуют другие игровые манипуляторы: рули, педали, штурвалы.


 


6) Мониторы

 

Назначение. Устройство. Физический принцип работы. Логические принципы организации данных. Интерфейс со средой. Интерфейс с компьютером. Типовые параметры

Монитор - устройство для вывода графической информации на свой собственный экран в реальном времени.

Мониторы на электронно-лучевых трубках

Устройство черно-белого ЭЛТ-монитора: электронная пушка испускает электроны (происходит их эмиссия с катода и движение по направлению к аноду). Для того чтобы электронный луч (узко сфокусированный) поток электронов попал в нужную точку экрана, он отклоняется так называемой отклоняющей системой. Она состоит из двух пар магнитов, между которыми находится магнитное поле. Вследствие силы Лоренца электроны отклоняются от прямого пути и попадают в то место на экране, куда нам нужно. Одна пара пластин отклоняет электроны в вертикальном направлении, а вторая - в горизонтальном. При попадании луча на люминофор (светящееся при попадании электронов покрытие) происходит излучение цвета. Регулируя интенсивность потока изменением напряжения можно менять яркость отдельной точки.

Прорисовка картинки осуществляется построчно: то есть сначала слева направо выводится первая строка (поэлементно), затем вторая, затем третья и так далее. Когда электронный луч закончит с последней строкой, он перейдет в самое начало и повторит весь процесс

Цветной монитор

Как известно, любой цвет можно получить, просуммировав три основных цвета: красный, зеленый и синий/ Монитор цвета не суммирует, а выводит на небольшом расстоянии друг от друга точки трех цветов (а точнее их оттенков): одну - зеленого, одну - синего и одну - красного. А <суммированием> занимается наш никчемный (that's right!) органический орган зрения, который воспринимает три точки как одну, соответствующую <сумме> цветов.

Очевидно, что для такого разделения цвета необходимо использовать три разных люминофора и три электронные пушки (одна бьет по красным точкам, другая - по зеленым, а третья - по синим). Чтобы электронный луч каждой пушки попадал на люминофор только одного какого-либо цвета и не возбуждал другие точки, доступ к ним преграждается маской, которая устанавливается перед экраном и представляет собой тонкий лист с отверстиями. От качества отверстий и поверхности маски зависят четкость изображения и чистота его цветов.

Маски бывают нескольких типов.

Первый и самый распространенный тип маски - теневая маска (shadow mask) - лист с круглыми отверстиями, расположенными как показано на рисунке. Для нее характерно дельтаобразное расположение электронных пушек. Нанесение люминофоров разного цвета показано на том же рисунке.


Щелевая маска (slot mask). Дырки в ней не круглые, а прямоугольные, хотя их центры расположены так же, как и у теневой маски. Расположение электронных пушек трех цветов здесь планарное - то есть на одной линии. На экране появляются элементарные прямоугольники, расположенные по вертикали. Этот тип маски практически не встречается в мониторах, зато его очень любят (до спазмов) телевизоры.

Третий тип масок - апертурная решетка (aperture grill). Она состоит из вертикальных линий. Расположение пушек также планарное. Вместо точек с люминофорными элементами трёх основных цветов, апертурная решетка содержит серию нитей, состоящих из люминофорных элементов, выстроенных в виде вертикальных полос трёх основных цветов.

Взаимодействие с компьютером

Для того чтобы сообщить монитору, что же все-таки надо показывать, в видеоадаптере имеется специальная микросхема, которая называется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). В зависимости от оттенка цвета, микросхема рассчитывает значение напряжения и подает его монитору через кабель.

Типовые характеристики

1)      Диагональ (14'-29')

2)      Разрешение (800*600, 1024*768 и прочие отношения 4/3)

3)      Шаг точки - расстояние между люминофорными элементами одного цвета (достаточная величина 0,25 мм для теневой маски и 0,27 мм - для апературной)

4)      Частота обновления (комфорт, начиная 85Hz, профессиональные мониторы - 115 Hz)

Жидкокристаллические дисплеи

Общий принцип работы монитора таков: светит лампочка, а кристалл либо пропускает, либо не пропускает свет.

Принцип работы дисплея показан на рисунке. Лампочка излучает свет. Свет проходит сквозь поляризующий фильтр, который пропускает только волны с приблизительно вертикальной амплитудой. Жидкий кристалл (к которому на рисунке ток не приложен) изменяет направление световых колебаний, отклоняя их на 90° (переворачивает). Второй поляризующий фильтр пропускает только световые волны, направленные приблизительно горизонтально (с такой же разницей между направлениями волн и горизонтальной плоскостью, что и разности максимально возможного пропускаемого направления).

На рисунке показан случай, когда весь свет, что проходит сквозь кристалл, проходит и через второй светофильтр. Если к кристаллу приложить напряжение, то он будет меньше искривлять световые волны, соответственно, через второй светофильтр пройдет меньше света, то есть точка будет светить менее ярко.

Ну и, наконец, свет проходит через светофильтр, и часть экрана светится красным, зеленым или синим цветом. Из трех таких светящихся прямоугольников складывается пиксель.


Большая электроемкость ячеек в первых мониторах (STN) увеличивала время смены напряжения для одного кристалла, поэтому изображение прорисовывалось весьма медленно. Эту проблему пытались решить разбиением монитора на две половины, каждая из которых прорисовывается отдельно (получив DSTN-мониторы - с <двойным сканированием>). Смазанность и дрожь изображения исчезли, но эффект не превзошел все ожидания.

Описанные в предыдущем абзаце мониторы назывались <дисплеями с пассивной матрицей>. Более качественный способ отображения экрана на ЖК-монитор - это применение так называемых активных матриц. В этом случае каждый пиксель экрана обслуживает еще и дополнительный элемент - транзистор (полупроводниковый прибор для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний), - который, во-первых, снижает время, уходящее на смену напряжения на электроде (практически в шесть раз по сравнению с пассивной матрицей), а, во-вторых, устраняет опасность взаимодействия соседних ячеек друг с другом.

Иногда на ЖК-мониторе могут не работать несколько пикселей (<мертвые пиксели>). Распознать их нетрудно - они всегда одного цвета (часто яркого - обычно пиксели умирают вместе с перегоранием транзистора). Они возникают в процессе производства и восстановлению не подлежат. Приемлемым считается, когда в мониторе не более 3-ёх таких пикселей (а 4 - уже неприемлемо?).

Типовые характеристики

1) Угол обзора - угол, находясь в пределах которого можно видеть нормальное изображение (130°-150°)

2) Время отклика - время, требуемое на смену цвета пикселя (0,16-0,25мс)

3) Яркость (230-250 кандел сопоставимо с яркостью телевизора, ярче ЭЛТ)

4) Контраст: подразумевается, во сколько раз белый пиксель пропускает света больше, чем черный. Обычно, контрастность 300:1 считается достаточной. Невозможность отображения черного цвета связана с тем, что кристалл не может скрутиться так, чтобы световые волны повернулись ровно на 90°.

Взаимодействие с компьютером

ЖК-монитор подключается к компьютеру посредством цифрового интерфейса DVI (digital video input), что подтверждает его технологичность, а также позволяет осуществлять настройку экрана через клавиатуру и мышь. Однако трудности и тут не кончаются. Некоторые (дешевые) ЖК-мониторы снабжены лишь аналоговым входом. Получается примерно следующее: сигнал в видеокарте преобразуется из цифрового в аналоговый, идет по кабелю, а в мониторе снова преобразуется из аналогового в цифровой.

Плазменные панели (PDP)

Принцип работы плазменной панели состоит в управляемом холодном разряде разреженного газа (ксенона или неона), находящегося в ионизированном состоянии (холодная плазма). Как и везде пиксель состоит из красного, зеленого и синего субпикселей. Каждый субпиксель представляет собой отдельную камеру, на стенках которой находится флюоресцирующее вещество одного из основных цветов. Управляют пикселями прозрачные хром-медь-хромовые электроды, образующие прямоугольную сетку.

Для того чтобы <зажечь> пиксель, на два перпендикулярных друг другу питающий и управляющий электроды, в точке пересечения которых находится нужный пиксель, подается высокое управляющее переменное напряжение. Газ в ячейке переходит в состояние плазмы. Ионы и электроны попеременно собираются у электродов по разные стороны камеры, в зависимости от фазы управляющего напряжения. После этого на сканирующий электрод подается импульс и, вследствие резкого увеличения потенциала, происходит разряд - часть заряженных ионов отдает энергию в виде излучения ультрафиолетового света. В свою очередь флюоресцирующее покрытие, находясь в зоне разряда, начинает излучать свет в видимом диапазоне, который и воспринимает человек. Яркость свечения люминофора определяется величиной управляющего напряжения.

Светящиеся полимерные пленки

LEP (light-emissive plastics) - светоизлучающие пластики. Пластиковые полимеры давно уже используются в ЭВМ как полупроводники. Было замечено, что некоторые из них обладают способностью испускать фотоны под воздействием тока. Пока дисплеи, построенные на технологии LEP, светятся только желтым, но, тем не менее, делают это с большой яркостью.

OLED (organic light-emissive diode) кажется намного более перспективной технологией, хотя отличий от LEP практически нет. OLED-монитор в разрезе выглядит примерно так: стекло, покрытое изнутри анодом - оксидом индия, первый органический слой (ароматический диамин), второй органический - светоизлучающий - слой, и, наконец, анод - смесь магния с серебром. Толщина - всего 500 нм. Все это дело светится при напряжении в 10 вольт. Таких результатов позволило добиться удачное комбинирование органических и неорганических соединений.


 


7) Видеоадаптеры

 

Назначение. Структурная схема. Принцип работы. Типовые параметры

Видеоадаптер (видеокарта) - устройство, передающее сигнал монитору. Нередко видеокарта принимает непосредственное участие в формировании изображения (в этом случае её можно и нужно назвать видеоускорителем или акселератором). Если монитор подключен к аналоговому выходу, то видеоадаптер еще и преобразует сигнал в аналоговую форму.

Типы видеоадаптеров

1) MDA (Monochrome Display Adapter - монохромный адаптер дисплея) работает только в текстовом режиме с разрешением 80x25 символов; каждый символ - 9х14 точек. В нагрузку имеется пять атрибутов текста: обычный, яркий, инверсный, подчеркнутый и мигающий.

2) HGC (Hercules Graphics Card - графическая карта Геракл) - расширение MDA, но с поддержкой графического режима 720x348 точек.

3) CGA (Color Graphics Adapter - цветной графический адаптер) - первая карта с графическими возможностями. Может работать в текстовом режиме с разрешениями 40x25 и 80x25 символов 8х8, в графическом - 320x200 или 640x200. В текстовом режиме можно выбирать цвет символа и фона из 16 доступных, в графических - можно выбрать одну из четырех палитр по четыре цвета каждая.

4) EGA (Enhanced Graphics Adapter - улучшенный графический адаптер) - добавлено разрешение 640x350, что в текстовых режимах дает формат 80x25 с символом 8x14 и 80x43 - при матрице 8x8. Количество одновременно отображаемых цветов - по-прежнему 16, однако палитра расширена до 64 цветов.

5) MCGA (Multicolor Graphics Adapter - многоцветный графический адаптер) -  добавлено разрешение 640x400 (текст), что дает формат 80x25 при матрице символа 8x16 и 80x50 - при матрице 8x8. Количество воспроизводимых цветов увеличено до 218 (по 64 уровня яркости на каждый из основных цветов). Есть видеорежим 320x200x256.

6) VGA (Video Graphics Array - множество визуальной графики) - дальнейшее развитие MCGA. Добавлен текстовый режим 720x400 и графический режим 640x480.

7) SVGA (Super VGA - окрутевший VGA) - расширение VGA с добавлением более высоких разрешений и дополнительного сервиса. Поддерживает видеорежимы 800x600, 1024x768, 1152x864, 1280x1024, 1600x1200 - все с соотношением 4:3, а впоследствии и с другим соотношением (16:9, например). Число цветов увеличено до 216 (так называемый High Color), 224 (True Color) или 232 (окрутевший True Color). SVGA стал практически единственным жизнеспособным адаптером после 1992 года, использующийся и по сей день.


Устройство

1) Графический контроллер. Посредством его происходит обмен данными между центральным процессором компьютера и видеопамятью.

2) Видеопамять. В видеопамяти размещаются данные, отображаемые адаптером на экране дисплея. Видеопамять находится в адресном пространстве процессора и программы могут непосредственно производить с ней обмен данными. Физически видеопамять разделена на четыре банка или цветовых слоя, разделяющих единое адресное пространство.

3) Последовательный преобразователь. Выбирает из видеопамяти один или несколько байт, преобразует их в последовательный поток битов и затем передает контроллеру атрибутов.

4) Контроллер атрибутов. Преобразует информацию о цветах из формата, в котором она хранится в видеопамяти, в формат, необходимый для ЭЛТ. Преобразование цветов осуществляется в соответствии с таблицей цветовой палитры.

5) Контроллер ЭЛТ. Генерирует временные синхросигналы, управляющие ЭЛТ.

6) Синхронизатор. Управляет всеми временными параметрами видеоадаптера. Синхронизатор также управляет доступом процессора к цветовым слоям видеоадаптера.

Работа 3D-ускорителя

Современные видеокарты имеют много возможностей, благодаря которым возможна высокая реалистичность картинки. Но задача осложняется тем, что игры требуют формирования картинки в реальном времени, с частотой несколько десятков кадров в секунду. Поэтому надо сделать это не только качественно, но и быстро.

Рендеринг - это процесс визуализации трехмерных объектов. Именно он происходит в видеокарте. А выполняет его графический процессор (GPU, Graphic Processor Unit). Рендеринг выполняется по конвейерному механизму, в несколько стадий.

1) Тесселяция - это разбиение объекта на полигоны (плоские поверхности). Эта стадия выполняется не графическим ускорителем, а программой. В наше время, когда у всех имеется DirectX, о тесселяции заботиться не нужно, ибо DirectX имеет собственный тесселятор.

2) Геометрическая обработка включает в себя несколько отдельно выполняемых фаз:

a.       Задачи уровня сцены

Первой по списку идет трансформация - процесс изменения положений полигональных объектов в пространстве, как-то: поворот, перенос и масштабирование.

Поскольку наблюдателю виден не весь мир, а лишь небольшая его часть, нужно отсечь некоторые объекты, более их не обрабатывая. Этот процесс называется отсечением.  После этого производится схожий процесс, который выбирает уровень детализации для удаленных объектов (нет смысла полностью обрисовывать объект, видимый на расстоянии как одна точка).


b.      Освещение

Далее проходит стадия освещения: цвет каждого пикселя перерассчитывается в соответствии с источниками света. Для обсчета эффектов освещенности используются специальные математические алгоритмы.

c.       Геометрическое преобразование

Трехмерный мир описывается с помощью трехмерной системы координат. Однако чтобы вывести его на монитор, необходимо преобразовать его в систему координат, связанную с наблюдателем. Эта операция называется геометрическим преобразованием.

d.      Удаление скрытых поверхностей

Если поверхность не видна, то ее не следует обрабатывать.

e.       Триангуляция

Теперь полигоны разбиваются на треугольники, а каждый треугольник отделяется от остальных и передается по конвейеру дальше - для последующего рендеринга.

3) Рендеринг

Рендеринг - наиболее интенсивная операция, являющаяся и наиболее сложной ступенью конвейера. Если стадия геометрической обработки работает с вершинами, то рендеринг включает операции, проводимые на пиксельном и субпиксельном уровне. Рендеринг включает в себя также несколько фаз:

a.       Текстурирование

Это процесс нанесения текстур (изображений поверхности) на трехмерную модель (в данном случае - на полигон). Также, на этой стадии обработки могут применятся различные технологии и фильтры, способствующие улучшению графической информации:

- mip-mapping заключается в том, что объект должен терять свою четкость с расстоянием;

- фильтрация сравнивает соседние пиксели, усредняя их цвет.

b.      Альфа-смещение

Альфа-смещение - создание эффекта прозрачности. К текстуре, помимо трех цветовых каналов (красный, зеленый и синий) добавляется один альфа-канал, который показывает, насколько данный пиксель будет прозрачен.

c.       Сглаживание

После того, как сцена была построена из трехмерных моделей, и все текстуры были нанесены, изображение все еще обладает дефектом, называемым алиасинг. Устраняет его как сглаживание. Сглаживание устраняет так называемый <лестничный эффект>.

d.      Атмосферные эффекты

К атмосферным эффектам - эффекты, реализуемые с помощью системы частиц - набора неполигональных элементов, точек. Например, туман - это система частиц, каждая из которых имеет серый цвет и 20%-ю прозрачность.

Основные параметры видеоускорителей

1) Частота процессора (300-600 MHz)

2) Разрядность шины (400-700 MHz)

3) Объем памяти (32-256 Мб)

4) Интерфейс: PCI Express 16x, AGP 8x, AGP 4x (x = 1000 Мб/с)

Интерфейс

API (Application Programming Interface) - интерфейс, позволяющий стандартизировать способ взаимодействия между приложением и видеоадаптером. API не только предоставляет доступ к функциям акселератора, но и позволяет проводить не поддерживаемые картой операции вместо нее с использованием мощностей ЦП.


 


8) Накопители информации на гибких магнитных дисках

 

Назначение. Устройство. Физические принципы записи и считывания информации. Логические принципы организации информации. Структура записи (дорожки, сектора). Логическая организация записи (каталоги, FAT, boot-сектор). Интерфейс с компьютером. Типовые параметры (ёмкость, быстродействие и другое)

Внешнее устройство

Дискета состоит из круглой полимерной подложки (магнитный диск - 1), покрытой с обеих сторон магнитным оксидом и помещенной в пластиковую упаковку (футляром - 2), на внутреннюю поверхность которой нанесено очищающее покрытие (две прокладки из мягкой бумаги - 3). В упаковке сделаны с двух сторон прямоугольные прорези (отверстие для чтения-записи - 4), закрытые металлической (или пластмассовой) пластинкой (5), через которые головки считывания/записи накопителя получают доступ к диску. В центре на металлической сердцевине диска находится шпиндельное отверстие (6), а на некотором смещении от центра имеется одно индексное отверстие (7). Назначение индексного отверстия - обеспечить накопителю точку отсчета при считывании или записи данных. Окошко запрета записи (8), закрыто (если открыто, то дискета защищена от записи). Два небольших выреза (направляющие отверстия и пазы - 9) на кромке кассеты, расположенные симметрично относительно окна головки, обеспечивают ее позиционирование и фиксацию в НГМД.

Дискета устанавливается в накопитель на гибких магнитных дисках, автоматически в нем фиксируется, после чего механизм накопителя раскручивается до частоты вращения 360 мин-1. В накопителе вращается сама дискета, магнитные головки остаются неподвижными. При этом магнитная головка устанавливается на определенную концентрическую дорожку, с которой и производится запись/считывание информации. Дискета вращается только при обращении к ней. Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков.

Из истории

Первые дискеты представляли собой гибкие пластиковые диски диметром 8 дюймов. Эти давно устаревшие диски были выпущены корпорацией IBM в 1971 году.

Чтобы объём хранимой информации на носителе увеличился, дискеты сначала сделали двусторонними, а позже, в 1976 году, увечили плотность и перешли на формат 5,25 дюйма. Затем удвоили и учетверили плотность записи и хранения информации. В 1981 году корпорация IBM выпустила дискеты размером 3,5 дюйма, ёмкостью 720 Кб, которые вскоре, во второй половине 80-х, достигли ёмкости 1,44 Мб при высокой плотности записи.

Назначение

1) Для загрузки на компьютер программного обеспечения

2) Обмена данными с другими компьютерами

3) Для создания архивов данных и для резервного копирования ценной информации


Физические принципы работы

Принцип работы магнитных запоминающих устройств основаны на способах хранения информации с использованием магнитных свойств материалов.

Дисковые устройства, как правило, используют метод записи называемый методом без возвращения к нулю с инверсией (Not Return Zero - NRZ). Запись по методу NRZ осуществляется путем изменения направления тока подмагничивания в обмотках головок чтения/записи, вызывающее обратное изменение полярности намагниченности сердечников магнитных головок и соответственно попеременное намагничивание участков носителя вдоль концентрических дорожек с течением времени и продвижением по окружности носителя. При этом совершенно неважно, происходит ли перемена магнитного потока от положительного направления к отрицательному или обратно, важен только сам факт перемены полярности.

В НГМД используются три основных метода кодирования:

- метод частотной модуляции;

В процессе считывания магнитная головка НГМД воспринимает магнитный поток с поверхности диска и при каждом изменении его вектора вырабатывает импульс сигнала считывания. Приведенный выше алгоритм описывает классический FM метод записи и чтения.

- метод модифицированной частной модуляции (МЧМ);

- метод кодирования с ограничением расстояния между переходами намагниченности.

Устройство магнитного диска

Поверхность магнитного дискаИнформация записывается с двух сторон диска по дорожкам, которые представляют собой концентрические окружности, для быстроты доступа диск ещё разбит и на сектора. Плотность записи данных зависит от числа дорожек на поверхности диска, а также от плотности записи информации вдоль дорожки.

Стандартным числом дорожек для обычных дискет является 40 и 80. Число секторов на дорожке может колебаться в пределах от 1 до 20 и более. Размер сектора на диске равен 512 байт. Зная число дорожек (N), число секторов (M) и размер одного сектора (S), можно вычислить объем гибкого диска (V): V= 2*N*M*S.

Каждый сектор включает в себя две области: поле служебной информации и поле данных пользователя. Служебная информация составляет идентификатор сектора, позволяющий отличать этот сектор от других. Он включает несколько отдельных частей:

1) Адресный маркер (метка) - специальный код, отличающийся от данных; он указывает начало сектора и служебной информации

2) Номер дорожки, содержащий код порядкового номера дорожки на которой расположен данный сектор

3) Номер головки, который указывает на одну из двух магнитных головок расположенных на соответствующих сторонах дискеты

4) Номер сектора - код, определяющий логический номер сектора, который может не совпадать с физическим номером сектора

5) Длину сектора - код, указывающий объем поля данных в секторе;

6) Контрольные байты - код, предназначенный для контроля ошибок считывания информации.

Поле данных используется для хранения основной информации. Пригодность участков для записи определяется при форматировании. Поле данных начинается с адресного маркера и заканчивается контрольными байтами.

Один или несколько секторов, используемых операционной системой в качестве наименьшей ячейки размещения данных, называется кластером.


Логические принципы устройства

При форматировании дискета разбивается на дорожки и сектора (обычно по 512 байт), затем делится на две области - системную и область данных. Системная область для использования недоступна, в ней располагаются загрузочная запись диска, таблицы размещения файлов и другая служебная информация. На наружной дорожке (нулевой) в первом секторе на верхней стороне рабочего диска дискеты находится загрузочный сектор.

MS-DOS предусматривает 4 логических области дискеты:

1) Загрузочный сектор содержит (менее 512 байт) программу начальной загрузки ОС в память компьютера, которая при обращении к ней сообщает, является ли дискета загрузочной. Если так и есть, то она загружает соответствующие файлы. Эта программа всегда занимает самый первый сектор самой первой дорожки. Также этот сектор содержит информацию о диске: размер сектора, количество копий FAT, максимальной число файлов в каталоге, общее количество секторов дорожки, размер FAT, число сторон диска.

2) Таблица размещения файлов (FAT) содержит информацию о местоположении записанных на дискету файлов. Система MS-DOS выделяет для хранения файла, в зависимости от его длины, один или более кластеров, однако MS-DOS не заботится о том, чтобы запись шла последовательно. В этой таблице компьютер запоминает адреса записанных файлов. Когда нам нужен какой-то файл, идентификация сектора производится по трём параметрам: стороне диска, номеру дорожки и номеру сектора.

Также FAT содержит информацию о состоянии кластера, является ли записанным, пустым или поврежденным. При удалении файла с диска информация не стирается, удаляется лишь ссылка на соответствующий кластер в FAT. FAT на дискете существует в двух копиях.

Таблица FAT может иметь 12- или 16-битовый формат. При этом в таблице для хранения информации об одном кластере диска используется, соответственно, 12 и 16 бит. 12-битовый формат удобен для дискет с небольшим количеством секторов - вся таблица размещения файлов помещается в одном секторе. Если размер диска такой, что для представления всех секторов недостаточно 12 разрядов, можно увеличить размер кластера, например, до 8 секторов. Однако большой размер кластера приводит к неэффективному использованию дискового пространства. При использовании 16-битового формата таблицы FAT операционная система MS-DOS может работать с диском, который имеет размер более 32 Мбайт.

3) Корневой каталог следует непосредственно за FAT. В корневом каталоге располагаются 32-байтовые элементы, которые содержат информацию о файлах и других каталогах: имена файлов, расширение, атрибуты файла, размер файла, время и дата создания или последней модификации, а также номер первого кластера файла. При чтении файла сначала читается первый кластер, затем по FAT находится номер следующего кластера.

4) Вслед за корневым каталогом на логическом диске находится область файлов и подкаталогов корневого каталога. Область данных разбита на кластеры, причем нумерация кластеров начинается с числа 2. Кластеру с номером 2 соответствуют первые секторы области данных.

Типовые параметры

1) Скорость передачи данных - скорость, с которой происходит считывание и запись данных на диск: для НГМД составляет всего около 50 Кб/с.

2) Объём - зависит от числа дорожек и секторов на дорожке (от 360 Кб до 2,88 Мб).

Интерфейс с компьютером

SCSI: универсальный интерфейс, определяет шину данных между центральным процессором и несколькими внешними устройствами, имеющими свой контроллер.


 


9) Накопители информации на жестких магнитных дисках

 

Назначение. Устройство. Физические принципы записи и считывания информации. Логические принципы организации информации. Структура записи (дорожки, сектора). Логическая организация записи (каталоги, FAT, boot-сектор). Интерфейс с компьютером. Типовые параметры (ёмкость, быстродействие и другое)

Устройство

НЖМД объединяют в одном корпусе носитель (носители), устройство чтения/записи и интерфейсную часть, называемую собственно контроллером жесткого диска. Типичной конструкцией жесткого диска является исполнение в виде одного устройства - камеры, внутри которой находится один или более дисковых носителей, насаженных на один шпиндель и блок головок чтения/записи с их общим приводящим механизмом. Рядом с камерой носителей и головок располагаются схемы управления головками - контроллер.

Информация заносится на концентрические дорожки, равномерно распределенные по всему носителю. В случае большего, чем один диск, числа носителей все дорожки, находящиеся одна под другой, называются цилиндром. Операции чтения/записи производятся подряд над всеми дорожками цилиндра, после чего головки перемещаются на новую позицию.

Герметичная камера предохраняет носители не только от проникновения механических частиц пыли, но и от воздействия электромагнитных полей. Необходимо заметить, что камера не является абсолютно герметичной т. к. соединяется с окружающей атмосферой при помощи специального фильтра, уравнивающего давление внутри и снаружи камеры и очищающего от пыли, т. к. малейшие частички могут привести к порче магнитного покрытия дисков и потере данных.

Для позиционирования головок чтения/записи, наиболее часто, применяются шаговые и линейные двигатели механизмов позиционирования.

Шаговый механизм

В системах с шаговым механизмом и двигателем головки перемещаются на определенную величину, соответствующую расстоянию между дорожками.

Линейный механизм

В системах с линейным приводом головки перемещаются электромагнитом, а для определения необходимого положения служат специальные сервисные сигналы, записанные на носитель при его производстве и считываемые при позиционировании головок. Для серво-сигналов используется либо целая поверхность и специальная головка, либо серво-сигналы записываются на те же дорожки, что и данные и для них выделяется специальный серво-сектор, а чтение производится теми же головками, что и чтение данных. Выделенная запись обеспечивает более высокое быстродействие, а встроенная - повышает емкость устройства. Линейные приводы перемещают головки значительно быстрее, чем шаговые.

Парковкой головок называют процесс их перемещения в безопасное положение <посадочную зону> (Landing Zone).

Физическое положение, в котором работают современные НЖМД, не играет большой роли. Большинство накопителей может работать и горизонтально, и вертикально, и на боку, и в наклонном положении

Основным свойством и назначением накопителей информации является ее хранение и воспроизведение.

Физические принципы работы НЖМД

При подаче питающих напряжений начинает работать микропроцессор контроллера. Вначале он, как и компьютер, выполняет самотестирование и в случае его успеха запускает схему управления двигателем вращения шпинделя. Диски начинают раскручиваться, увлекая за собой прилегающие к поверхностям слои воздуха, и при достижении некоторой скорости головки <всплывают>, поднимаясь над дисками на доли микрона. С этого момента, вплоть до остановки дисков, головки не касаются дисков и <парят> над поверхностями, поэтому ни диски, ни сами головки практически не изнашиваются.

Тем временем, двигатель шпинделя продолжает раскручивать поверхности до номинальной скорости. После достижения шпинделем номинальной скорости вращения освобождается фиксатор позиционера головок чтения/записи, и система его управления проверяет способность поворачиваться и удерживаться на выбранной дорожке путем выборочного произвольного позиционирования. При этом делается серия быстрых поворотов в разные стороны, что на слух выглядит как характерное <тарахтение>, слышимое через несколько секунд после старта.

Нужно сказать, что микрокомпьютер НЖМД, как и компьютер, имеет ПЗУ, в котором записана BIOS накопителя - набор программ для начального запуска и управления во время работы, и ОЗУ, в которое после раскрутки механической системы загружаются остальные части управляющих программ. Также в ОЗУ загружается так называемая карта переназначения дефектных секторов, в которой отмечены дефектные секторы, выявленные при заводской разметке дисков. Эти секторы исключаются из работы и иногда подменяются резервными, которые имеются на каждой дорожке и в специальных резервных зонах каждого диска.

После начальной настройки электроники и механики микрокомпьютер НЖМД переходит в режим ожидания команд контроллера. Получив команду, он позиционирует на нужный цилиндр, по серво-импульсам отыскивает нужную дорожку, дожидается, пока до головки дойдет нужный сектор, и выполняет считывание или запись информации, используя ОЗУ в качестве буфера и совмещая чтение/запись нескольких секторов с передачей информации к контроллеру или от него.

При выключении, прежде всего, блокируется подача тока записи в магнитные головки, чтобы они не испортили информацию на поверхностях, а остаток энергии подается в обмотки привода головок, толкая их к центру дисков (в этом движении головкам помогает и естественная скатывающая сила, возникающая при вращении дисков). В этом и состоит суть <автопарковки>.

Физические принципы записи и считывания информации

Принцип работы магнитных запоминающих устройств основаны на способах хранения информации с использованием магнитных свойств материалов.

Дисковые устройства, как правило, используют метод записи называемый методом без возвращения к нулю с инверсией (Not Return Zero - NRZ). Запись по методу NRZ осуществляется путем изменения направления тока подмагничивания в обмотках головок чтения/записи, вызывающее обратное изменение полярности намагниченности сердечников магнитных головок и соответственно попеременное намагничивание участков носителя вдоль концентрических дорожек с течением времени и продвижением по окружности носителя. При этом совершенно неважно, происходит ли перемена магнитного потока от положительного направления к отрицательному или обратно, важен только сам факт перемены полярности.

Кодирование данных

Частотная модуляция (FM) - кодирование с единичной плотностью. Метод предполагает запись на носитель в начале каждого битового элемента данных бита синхронизации. Битовый элемент определяется как минимальный интервал времени между битами данных, получаемый при постоянной скорости вращения диска носителя. Простота кодирования и декодирования по методу FM определяется постоянной частотой следования синхроимпульсов. Однако наличие этих бит синхронизации и является одним из недостатков данного метода, т. к. результирующий код малоэффективен с точки зрения компактности данных (половина пространства носителя занимается битами синхронизации).

Модифицированная частотная модуляция (MFM) - улучшенный метод FM. Модификация заключается в сокращении вдвое длительности битового элемента - до 4 мкс и использовании бит синхронизации не после каждого бита данных.

Запись с групповым кодированием (RLL) - метод, полностью исключающий запись на диск каких-либо синхронизационных бит. Синхронизация достигается за счет использования бит данных.

Модифицированная запись с групповым кодированием (ARLL) - улучшенный метод RLL, в котором, наряду с логическим уплотнением данных, производится повышение частоты обмена между контроллером и накопителем.

Технология

Для оптимального использования поверхности дисков применяется так называемая зонная запись (Zoned Bit Recording - ZBR), принцип которой состоит в том, что на внешних дорожках, имеющих большую длину (а, следовательно - и потенциальную информационную емкость на единицу площади), информация записывается с большей плотностью, чем на внутренних. Таких зон с постоянной плотностью записи в пределах всей поверхности образуется до десятка и более. Соответственно, скорость чтения и записи на внешних зонах выше, чем на внутренних. Благодаря этому файлы, расположенные на дорожках с большим диаметром, в целом будут обрабатываться быстрее файлов, расположенных на дорожках с меньшим диаметром, т. к. для них будет производиться меньшее число позиционирований с дорожки на дорожку.

В НЖМД последнего поколения используются технологии PRML (Partial Response, Maximum Likelihood - максимальное правдоподобие при неполном отклике) и S.M.A.R.T. (Self Monitoring Analysis and Report Technology - технология самостоятельного слежения анализа и отчетности). Первая разработана по причине того, что при существующих плотностях записи уже невозможно четко и однозначно считывать сигнал с поверхности диска - уровень помех и искажений очень велик. Вместо прямого преобразования сигнала используется его сравнение с набором образцов, и на основании максимальной похожести (правдоподобия) делается заключение о приеме того или иного машинного слова.

Накопитель, в котором реализована технология S.M.A.R.T., ведет статистику своих рабочих параметров (количество стартов/остановок и наработанных часов, время разгона шпинделя, обнаруженные/исправленные физические ошибки и другое). Эта информация накапливается в течение всего периода эксплуатации и может быть в любой момент затребована программами анализа. По ней можно судить о состоянии механики, условиях эксплуатации или примерной вероятности выхода из строя.

Логическое хранение и кодирование информации

Поверхности дисков логически разбиты на сектора и дорожки.

Первый сектор жесткого диска содержит загрузочную запись - Master Boot Record (MBR), которая, в свою очередь, содержит:

1) Загрузочная запись - Boot Record (BR) (44 байта), выполняющаяся в процессе загрузки ОС.

2) За загрузчиком расположена таблица разделов - Partition Table (PT), содержащая 4 записи (по 16 байт) - элементы логических разделов - Partitions.

Каждый элемент таблицы разделов содержит информацию о логическом разделе:

а) Первый байт в элементе раздела - флаг активности раздела. Он служит для определения, является ли раздел системным загрузочным и необходимости производить загрузку операционной системы с него при старте компьютера.

б) 1 байт номера головки, с которой начинается раздел.

в) 2 байта, означающие соответственно номер сектора и номер цилиндра загрузочного сектора, где располагается первый сектор загрузчика операционной системы.

г) 1 байт - кодовый идентификатор операционной системы, расположенной в разделе.

д) 1 байт номера головки конца раздела.

е) 2 байта - номер сектора и номер цилиндра последнего сектора распределенного разделу.

ж) Младшее и старшее слова (по 2 байта) относительного номера начального сектора

з) Младшее и старшее слова размера (по 2 байта) раздела в секторах

Логические разделы тоже имеют некоторую иерархическую структуру. Первый раздел жесткого диска в MS-DOS называется главным разделом (Primary Partition), а второй - расширенным (Extended Partition). Главный раздел всегда должен присутствовать на диске, с него происходит загрузка MS-DOS. Расширенного же раздела может не быть, он создается лишь в том случае, когда необходимо получить более одного логического устройства на физическом диске. Логический раздел размещает в себе такие структуры файловой системы как:

- логические диски или устройства, или тома (оформленные как подразделы);

- загрузчик операционной системы;

- таблицы распределения файлов;

- области пользовательских данных, в которых размещаются записи о каталогах и файлах и данные файлов.

По своей структуре логические подразделы или диски схожи с разделами. Основным отличием является то, что их число может быть более четырех, а последний элемент каждого показывает, является ли он последним логическим подразделом раздела, или указывает на следующий элемент таблицы логических устройств или подразделов.

Для доступа к каждому кластеру (группа секторов, минимальное дисковое пространство, используемое системой) создается таблица соответствия номеров кластеров файлам на логическом разделе - таблица распределения файлов (File Allocation Table - FAT). Это не самый оптимальный, но довольно быстрый способ организации информации на разделах.

3) Завершается MBR специальной сигнатурой - последовательностью из 2-х байт с шестнадцатеричными значениями 55h и AAh, указывающей на то, что данный раздел является последним разделом в таблице.

Благодаря наличию такой структуры как MBR на одном физическом жестком носителе может располагаться несколько файловых систем различного типа различных операционных систем.

Интерфейсы жестких дисков

Интерфейсом накопителей называется набор электроники, обеспечивающий обмен информацией между контроллером устройства (кэш-буфером) и компьютером.

IDE: отличительной особенностью дисковых устройств, работающих с интерфейсом IDE, состоит в том, что собственно контроллер дискового накопителя располагается на плате самого накопителя вместе со встроенным внутренним кэш-буфером.

EIDE:

а) поддерживает объемы до 8,4 Гб на каждый канал контроллера

б) к нему подключается больше устройств

в) содержит два канала контроллера (основной канал - на высокоскоростной локальной шине и вспомогательный), к которым можно было подключить 4 устройства

г) повышенная производительность

д) поддерживает режим прямого доступа к памяти

е) расширена система команд управления устройством, передачи данных и диагностики, увеличен кэш-буфер обмена данными и существенно доработана механика

SCSI: универсальный интерфейс, определяет шину данных между центральным процессором и несколькими внешними устройствами, имеющими свой контроллер.

Основные параметры жестких дисков

1) Диаметр дисков (чаще - 2,2, 2,3, 3,14 и 5.25 дюйма)

2) Число поверхностей (от 1 до 8 и более, чаще - от 2 до 5)

3) Число цилиндров - количество дорожек (треков) на одной поверхности

4) Число секторов  - общее число секторов на всех дорожках всех поверхностей

5) Число секторов на дорожке - условный показатель, т. к. внешние и внутренние дорожки имеют неравное число секторов

6) Частота вращения шпинделя - измеряется в оборотах в минуту (rpm) (5400 оборотов в минуту, 7200 и 10000 rpm)

7) Время перехода от одной дорожки к другой (чаще - от 3,5 до 5 млс)

8) Время успокоения головок - время, проходящее с момента окончания позиционирования головок на требуемую дорожку до момента начала операции чтения/записи.

9) Время поиска - время, затрачиваемое устройством на перемещение головок чтения/записи к нужному цилиндру из произвольного положения

10) Время ожидания - время, необходимое для прохода нужного сектора к головке

11) Время доступа - время поиска + время ожидания

12) Пропускная способность - определяет скорость, с которой данные считываются или записываются на диск после того, как головки займут необходимое положение

13) Внешняя скорость передачи данных - скорость, с которой данные считываются из буфера, расположенного на накопителе в оперативную память компьютера (чаще от 11 до 17 Мб)

14) Размер кэш-буфера контроллера - выполняет функцию упреждающего кэширования и призван сгладить громадную разницу в быстродействии между дисковой и оперативной памятью компьютера (чаще 128, 256 и 512 Кб)

15) Средняя потребляемая мощность (чаще от 5 до 15 Вт)

16) Уровень шума - звук ударов позиционера шагового или линейного механизма

17) Среднее время наработки на отказ - сколько времени способен проработать накопитель без сбоев (от 5 до 10 лет)

18) Сопротивляемость ударам  - определяет степень сопротивляемости накопителя ударам и резким изменениям давления


 


10) Накопители информации на компакт-дисках

 

Назначение. Устройство. Физические принципы записи и считывания информации. Логические принципы организации информации. Интерфейс с компьютером. Типовые параметры (ёмкость, быстродействие и другое)

Характеристика CD

В 1982 году фирмы Sony и Philips завершили работу над форматом CD-аудио (Compact Disk), открыв тем самым эру цифровых носителей на компакт-дисках. Принцип работы этих дисков - оптический. Чтение и запись осуществляется лазером. В компакт-диске данные кодируются и записываются в виде последовательности отражающих и не отражающих участков. Отражение интерпретируется как единица, <впадина> - как ноль. Вот некоторые технические параметры компакт-дисков:

1) Рабочая длина волны лазера - 780 нм

2) Диаметр компакт-диска - 120 мм

3) Толщина диска - 1,2 мм

4) Объем диска - 650 Мб (74 мин аудио), 700/80, 800/90

5) Вес 14-33 г

Информационный рельеф диска представляет собой непрерывную спиральную дорожку в направлении от центра, состоящую из чередующихся углублений (pits) и участков поверхности (lands). Фактически CD является устройством последовательного доступа с ускоренной перемоткой. Интервал между витками - 1,6 мкм, ширина пита - 0,5 мкм, глубина - 0,125 мкм (1/4 длины волны луча лазера в поликарбонате), минимальная длина - 0,83 мкм.

Различают три типа CD:

- CD-Read Only Memory (только для чтения)

- CD-Recordable (записываемые)

- CD-ReWritable (перезаписываемые)

CD-ROM состоит из 3 слоев:

- основной (подложка)

прозрачный поликарбонат, на котором методом прессования формируется информационный рельеф

- отражающий

на рельефную сторону подложки напыляется металлический отражающий слой толщиной 0,1 микрона из алюминия, золота, серебра или других металлов и сплавов.

- защитный

отражающий слой покрывается защитным слоем поликарбоната или лака толщиной 200 микрон, принимающий ту же форму углублений, для предотвращения контакта металлической поверхности с внешней средой

CD-R состоит из 4 слоев:

- основной (подложка)

на нём нанесена спиральная канавка, задающая пусть  для лазерной головки

- отражающий

вместо алюминия на CD-R используется золото, которое создает хорошо отражающую поверхность и обеспечивает высокую стойкость против коррозии

- среда для записи

выполнена из органического красителя

- защитный

CD-RW состоит из 4 слоев:

- основной (подложка)

- отражающий

- среда для перезаписи

аморфное вещество

- защитный

Логические принципы организации информации

Рассмотрим формат компакт-диска. Поверхность диска разделена на области:

1) PCA (Power Calibration Area). Используется для настройки мощности лазера записывающим устройством. 100 элементов.

2) PMA (Program Memory Area). Сюда временно записываются координаты начала и конца каждого трека при извлечении диска из записывающего устройства без закрытия сессии. 100 элементов.

3) Вводная область (Lead-in Area) - кольцо шириной 4 мм (диаметр 46-50 мм) ближе к центру диска (до 4500 секторов, 1 минута, 9 MB). Состоит из 1 дорожки (Lead-in Track). Содержит абсолютные временные адреса дорожек и начала выводной области, точность - 1 секунда.

4) Область данных (Program Area, User Data Area).

5) Выводная область (Lead-out) - кольцо 116-117 мм (6750 секторов, 1?5 минуты, 13,5 MB). Состоит из 1 дорожки (Lead-out Track).

Каждый байт данных (8 бит) кодируется 14-битным символом на носителе. Символы отделяются 3-битными промежутками (сливающие разряды), выбираемыми так, чтобы на носителе не было более 10 нулей подряд. Такая система называется модуляция 8-14 - EFM (Eight-to-Fourteen Modulation). Таким образом, на 8 бит хранимой информации приходится один 17-битный шаблон.

Из 24 байтов данных (192 бита) формируется кадр (F1-frame), 588 битов носителя, не считая промежутков:

1) Синхронизация (24 бита носителя)

2) Символ субкода (биты субканалов P, Q, R, S, T, U, V, W)

3) 12 символов данных

4) 4 символа контрольного кода

5) 12 символов данных

6) 4 символа контрольного кода

Последовательность из 98 кадров образует сектор (2352 информационных байта). Кадры в секторе перемешаны, чтобы уменьшить влияние дефектов носителя. Адресация сектора произошла от аудиодисков и записывается в формате A-Time - мин : сек : доли (доля в секунде от 0 до 74). Отсчет начинается с начала области данных, т.е. адреса секторов вводной области отрицательные. Биты субканалов собираются в 98-битные слова для каждого субканала. Используются субканалы:

1) P - маркировка окончания дорожки (min - 150 секторов) и начала следующей (min -  150 секторов).

2) Q - дополнительная информация о содержимом дорожки:

- число каналов;

- данные или звук;

- можно ли копировать;

- признак частотных предыскажений.

Последовательность секторов одного формата объединяется в дорожку (трек) от 300 секторов до всего диска. На диске может быть до 99 дорожек (номера от 1 до 99). Трек может содержать служебные области:

1) Пауза - только информация субканалов, нет пользовательских данных

2) Pre-gap (предзазор) - начало трека, не содержит пользовательских данных и состоит из двух интервалов: первый длиной не менее 1 секунды (75 секторов) позволяет <отстроиться> от предыдущего трека, второй длиной не менее 2 секунд задает формат секторов трека

3) Post-gap (постзазор) - конец трека, не содержит пользовательских данных, длиной не менее 2 секунд

Вводная цифровая область должна завершаться постзазором. Первый цифровой трек должен начинаться со второй части предзазора. Последний цифровой трек должен завершаться постзазором. Выводная цифровая область не содержит предзазора.

Физические принципы считывания информации

Вся считывающая система состоит из оптической головки и механизма ее позиционирования. В головке размещены лазерный излучатель на основе инфракрасного светодиода с длиной волны около 780 нм, система фокусировки (набор подвижных линз) лазерного пучка, фотоприемник и предварительный усилитель. Механизм позиционирования головки имеет собственный двигатель.

При считывании информации с диска луч лазера, проходящий через фокусирующую линзу, падает на отражающий слой. Отраженный луч регистрируется фотоприемником. Ни в одной точке лазерное считывающее устройство данных не касается поверхности диска. Основная идея состоит в том, что лазерному лучу требуется определенное время, чтобы возвратиться после отражения от выступа, но большее время требуется, когда он попадает во впадину и отражается обратно. Глубина впадины выбирается равной четверти длины волны света, излучаемого лазером. Если отражение от впадины компенсирует отражение от выступа (два луча находятся в противофазе), это указывает на переход из одного состояния в другое. Такие переходы, сигнализируемые началом и концом впадины, соответствуют двоичным единицам. Если нет перехода, т. е. если два последовательных отражения происходят только от впадины или только от выступа, то эта ситуация соответствует двоичному нулю. Для распознавания отдельных нулей используется механизм самоконтроля времени - микроконтроллер CD-ROM может вырабатывать регулярные во времени сигналы, синхронизированные со скоростью диска. Итак, по зарегистрированному фотоприемником сигналу определяется прохождение оптической головки над впадинами и промежутками, а также проверяется качество фокусировки пятна лазерного луча на поверхности диска и его ориентации по центру дорожки (дорожки ведь расположены по спирали). При нарушении фокусировки линза перемещается, что позволяет вновь сфокусировать лазерный пучок точно на поверхности диска. При отклонении луча от центра дорожки перемещается вся оптическая головка - по радиусу диска. На выходе фотоприемника получается цифровой поток, состоящий из бит, который после декодирования EFM (отделение субканалов, исправление ошибок), представляет собой исходный поток данных.

Физические принципы записи информации

Основные принципы работы CD-ROM и CD-R одинаковы, однако в CD-R используется сильнее сфокусированный и более интенсивный лазерный луч, способный прожигать слой красителя. В процессе записи луч лазера нагревает краситель, выбивая шаблон данных на диске. В местах нагрева краситель вспучивается, образуя холмики, продавливающие слой золота. Образующиеся холмики соответствуют впадинам на стандартных CD-ROM. Лазерный луч отклоняется при попадании в них, и холмики CD-R читаются так же, как и впадины CD-ROM. На накопитель CD-R можно записать информацию единожды.

Физические принципы перезаписи информации

В диске CD-RW имеется чувствительный слой из вещества, которое в твердом состоянии может иметь два типа внутренней структуры - кристаллический и аморфный, причем в первом случае эта субстанция прозрачнее, чем во втором. Позади чувствительного слоя находится отражающий, так что при чтении лазерный луч отражается от кристаллических участков сильнее, чем от аморфных - вот и последовательность светлых и темных точек, в которой кодируются данные.

Чтобы сделать участок чувствительного слоя <темным>, его быстро нагревают мощным лазерным лучом (при этом кристаллическая решетка разрушается), который затем отключают, чтобы вещество остыло в аморфном состоянии. Чтобы сделать этот участок <светлым>, его опять-таки прогревают лазером, но до более низкой температуры, причем медленно, постепенно наращивая мощность луча, а затем так же постепенно снижая ее. При этом кристаллическая решетка восстанавливается, и чувствительный слой снова становится прозрачным. Новая запись записывается поверх старой в один проход. CD-RW рассчитаны на многократное использование, до 1000 раз, как убеждают производители.

Типовые параметры

1) Современные приводы CD-ROM достигли высоких скоростей считывания информации (скорость передачи данных) с лазерного диска благодаря внедрению технологии CAV (Constant Angular Velocity) - постоянная угловая скорость. В этом режиме частота оборотов диска остается постоянной, на периферийных участках данные считываются с большей скоростью (4,0 - 7,8 Мб/с), чем на внутренних (2,0 - 3,5 Мб/с). Сегодняшние максимальные скорости приводов (до 58x) рассчитываются исходя из отношения к стандартной единице, равной x = 150 Кб/с. Для высокоскоростных приводов частота вращения превышает 10000 оборотов минуту.

2) Диски CD-R имеют срок службы в несколько раз больший (до 100 лет и более), чем CD-ROM (10-25 лет) в связи с тем, что алюминий больше подвержен коррозии, чем золото. CD-RW считают самым ненадежным накопителем.

3) Время доступа - время, необходимое для точного определения положения требуемого бита информации и его извлечения (не менее 145 мс).

4) Размер буфера - размер кэш-памяти, в которую считываются файлы перед их передачей (до 1 Мб).

Интерфейс с компьютером

SCSI - стандартный высокоскоростной параллельный интерфейс

IDE - интерфейс для накопителей, в котором контроллер находится в самом устройстве, имеет ряд преимуществ, таких как упреждающее кэширование, повышающее общее быстродействие.

Новый формат - DVD (Digital Video Disk)

DVD - оптические диски, подобны CD. DVD может существовать в нескольких модификациях:

1) Отличается от CD только тем, что отражающий слой расположен не на составляющем почти полную толщину (1,2 мм) слое поликарбоната, а на слое половинной толщины (0,6 мм). Вторая половина - это плоский верхний слой. Емкость такого диска достигает 4,7 Гб.

2) Если оба слоя несут информацию (в этом случае нижнее отражающее покрытие полупрозрачное), то суммарная емкость составляет 8,5 Гб. Если же использовать двухсторонний двухслойный диск, то его емкость составит 17 Гб!

Каким образом достигается столь значительное увеличение объема:

1) Повышенная плотность записи информации за счет перевода считывающего лазера из инфракрасного диапазона (780 нм) в красный (650 нм или 635 нм) и увеличения числовой аппаратуры объектива достигается более чем двукратное уплотнение дорожек (0,74 мкм против 1,6 мкм) и укорочение длины впадин (0,4 мкм против 0,83 мкм)

2) Применение новой кодировки EFM- (вместо 17 бит, байт кодируется 16 битами)


 


11) Устройства для ввода и вывода звуковой информации (звуковые адаптеры)

 

Назначение. Устройство. Физические принципы работы. Структурная схема. Логические принципы организации информации. Интерфейс со средой. Интерфейс с компьютером. Типовые параметры.

Устройства вывода звуковой информации:

- колонки;

- наушники;

- электроакустические аппараты для воспроизведения речи, музыки и прочее.

По способу звукоизлучения различают:

- рупорные (наиболее распространены, т. к. обладают большей отдачей);

- безрупорные.

Колонки

Хорошие колонки имеют магнитный экран или улучшенную конструкцию магнитной системы.

Два вида колонок:

- активные (встроенный усилитель, требуют дополнительных источников питания, регулятор громкости и тембра);

- пассивные (маленькая мощность).

Устройства ввода звуковой информации - микрофоны. Эти устройства преобразуют звуковые колебания в электрические

Цифровое представление звуковых сигналов

Исходная форма звукового сигнала - непрерывное изменение амплитуды во времени - представляется в цифровой форме с помощью перекрестной дискретизации по времени и по уровню. Одновременно с временной дискретизацией выполняется амплитудная - измерение мгновенных значений амплитуды и их представление в виде числовых величин. Полученный поток чисел (серии двоичных чисел) называют импульсно-кодовой модуляцией - PCM

Устройство звуковой карты


Line in, Mic in - линейный и микрофонный входы

Aux: сигнал с этого входа минует все устройства и сразу идет на выход.

CD in используется для CD-ROM.

У всех разъем mini-Jack

На задней панели платы есть 15-пиновый разъем midi/джойстик порта, используется для подключения синтезаторов, клавиатур или джойстика.

Все сигналы с внешних аудиоустройств поступают во входной микшер, он служит для усиления

АЦП - аналогово-цифровой преобразователь. Замеряет амплитуду поступающего сигнала и кодирует соотношения.

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь. Заменяет коды, преобразует в аналоговый сигнал.

DSP-сигнальный процессор управляет обменом данных со всеми остальными устройствами компьютера через шину ISA или PCI

Синтезатор - имитация музыкальных инструментов.

FM (Frequency Modulation - частотная модуляция) синтезатор для сохранения совместимости с Sound Blaster.

Wave Table-синтезатор для получения качественного звука.

RAM - оперативная память используется для загрузки звука

ROM - постоянная память, в ней хранятся образцы звучания

Основные форматы

1) MIDI (Musical Instrument Digital Interface) (30-150 Кб). Позволяет задействовать ресурсы процессора и памяти компьютера.

2) WAV (30-50 Мб). Представление звука в том виде, какой он есть - в виде цифрового представления исходного звукового колебания или звуковой волны. Позволяет работать со звуками любого вида, любой формы и длительности.

3) Mp3 - самая сложная схема из семейства Mpeg - требует больше затрат времени на кодирование и более высокое качество звука. Самый распространенный формат хранения музыки.


 


13) Дигитайзеры. Световое перо

 

Сенсорные экраны. Назначение. Устройство. Физические принципы работы. Логический принцип организации данных. Интерфейс со средой. Интерфейс с компьютером. Типовые параметры

Дигитайзер (графический планшет) - это кодирующее устройство, позволяющее вводить в компьютер двумерное, в том числе и многоцветное, изображение в виде растрового образа.

В состав дигитайзера входят:

- электронный планшет;

- специальный указатель с датчиком, напоминающим увеличительное стекло (лупу) с черным перекрестьем в центре.

Электронный планшет снабжен собственным контроллером. В задачи электронной части дигитайзера входит посылка импульсов по сетке проводников, расположенных под плоскостью планшета.

Когда импульс проходит под перекрестьем указателя, датчик формирует сигнал, посылаемый контроллеру. Получив два таких сигнала - от горизонтального и вертикального проводников, контроллер преобразует их в координаты и передает эту информацию в компьютер.

Здесь принятая информация переводится в координаты точки на экране монитора, соответствующей положению указателя на планшете.

Принцип действия

Принцип действия дигитайзера основан на фиксации местоположения курсора с помощью встроенной в планшет сетки, состоящей из проволочных или печатных проводников с довольно большим расстоянием между ними (от 3 до 6 мм). Но механизм регистрации положения курсора позволяет получить шаг считывания информации намного меньше шага сетки (до 100 линий на мм). Шаг считывания информации называется разрешением дигитайзера.

По технологии изготовления дигитайзеры делятся на два типа:

- электростатические (ЭС);

- электромагнитные (ЭМ).

В первом случае регистрируется локальное изменение электрического потенциала сетки под курсором. Во втором - курсор излучает электромагнитные волны, а сетка служит приемником. Следует отметить, что при работе ЭМ-планшетов возможны помехи со стороны излучающих устройств, в частности мониторов.

Независимо от принципа регистрации существует погрешность в определении координат курсора, называемая точностью дигитайзера. Эта величина зависит от типа дигитайзера и от конструкции его компонент. На нее влияет:

- неидеальность регистрирующей сетки планшета;

- способность воспроизводить координаты неподвижного курсора (повторяемость);

- устойчивость к разным температурным условиям (стабильность);

- качество курсора;

- помехозащищенность

Точность существующих планшетов колеблется в пределах от 0,1 мм до 0,8 мм. В среднем точность электромагнитных дигитайзеров выше, чем у электростатических.

Шаг считывания регистрирующей сетки является физическим пределом разрешения дигитайзера. Мы говорим о пределе разрешения, потому что следует различать разрешение как характеристику прибора и как программно-задаваемое разрешение, а это переменная величина в настройке дигитайзера.

При использовании электромагнитного резонанса излучающим (активным) устройством является сам дигитайзер. Перо отражает волны, а дигитайзер анализирует это отражение, для того чтобы установить координаты пера в данный момент. Поэтому перо или курсор не имеют ни батарей, ни шнура, подающего напряжение на микросхемы внутри курсора, их там просто нет. При использовании же активного курсора именно он излучает волны, сообщая таким образом дигитайзеру о своем местоположении. В этом случае либо батареи, либо провод являются его неотъемлемым атрибутом. Но, независимо от системы, в обоих случаях информация о положении курсора относительно сетки, встроенной в поверхность дигитайзера, преобразуется в компьютере так, что мы получаем данные о точном положении курсора.

Параметры дигитайзеров

1) Размер рабочей поверхности устанавливает размеры чувствительной части поверхности дигитайзера

2) Разрешение - шаг считывания дигитайзера

3) Точность указывает на погрешность снятия координат

4) Перо: число кнопок, вид чувствительности наконечника пера (нечувствительный, выключатель, реагирующий на силу нажима), наличие или отсутствие провода

5) Курсор: число кнопок, наличие или отсутствие провода

6) Эргономичность

Интерфейс с компьютером

1)      Последовательный порт (COM)

2)      USB

Световое перо - светочувствительное устройство, предназначенное для снятия координат точек экрана, ввода данных в информационную систему.

Световое перо, по форме напоминающее пишущую ручку, именуемое также пером предназначено для взаимодействия с экраном монитора. В наконечнике пера устанавливается фотоэлемент, который реагирует на световой сигнал, передаваемый экраном в точке прикосновения пера, и момент этой реакции сообщается системе.

Здесь сопоставляется время появления сигнала с синхросигналом развертки изображения. В результате, определяется положение светового пера на экране (то есть световое перо фиксирует момент, когда электрон, вылетевший из ЭЛТ, достиг назначенного пикселя, затем возникает импульс в момент регенерации именно этого участка картинки на мониторе, это возможно потому, что изображение формируется построчно). Не работает с LCD мониторами. Световое перо не требует создания специального экрана или его покрытия, как у сенсорного устройства. Сказанное позволяет выделять точку, указываемую пользователем, и благодаря этому вводить информацию в систему.

Световое перо относится к полуавтоматическим устройствам, осуществляющим непосредственный контакт с экраном, и работает по принципу временного совпадения. Пером это устройство названо условно, так как никакого воздействия на экран оно не оказывает, а само воспринимает его световое излучение. Конструктивно световое перо состоит из цилиндрического корпуса, внутри которого размещен светочувствительный элемент. На заостренном конце пера имеется отверстие, в котором закреплена линза, фокусирующая попадающий на нее свет и направляющая его на светочувствительный элемент. Последний связан с усилителями, воздействующими на пороговую схему. Все эти элементы обычно собраны в одном корпусе. Для исключения воздействия окружающего света перо включается лишь после прижатия его конца к поверхности экрана.

Световое перо может использоваться как альтернативный сенсорному экрану способ безклавиатурного ввода, как устройство для более точного ввода графической информации.

Параметры световых перьев

1) Максимальное расстояние до монитора (около 5 см)

2) Разрешающая способность (600x600 dpi)

3) Эргономичность

Интерфейс с компьютером

Для работы светового пера необходима установка в системный блок компьютера специального контроллера посредством слота ISA или PCI. Кроме того, световое перо соединяется с видеовыходом.


 


14) Принтеры. Плоттеры (графопостроители)

 

Назначение. Устройство. Физические принципы работы. Логические принципы организации информации. Интерфейс со средой. Интерфейс с компьютером. Типовые параметры (быстродействие, разрешающая способность)

Принтеры - устройства вывода текстовой и графической информации из персонального компьютера на бумажный носитель.

По способу формирования изображения принтеры делятся на:

- последовательные (формируется символ за символом);

- строчные (формируется вся строка);

- страничные (формируется весь лист).


По количеству цветов:

- черно-белые;

- цветные.


По способу печати:

- ударные;

- безударные.


По принципу вывода текстовой и графической информации принтеры делятся на:

- лепестковые;

- матричные;

- струйные;

- лазерные;

- термопринтеры.

Лепестковые принтеры

1) Электронно-пишущая машинка: исторически именно эти принтеры были первыми. Их устройство походило на устройство печатных машинок. То есть у принтеров были такие же литеры, закрепленные на рычагах, как и у простых печатных машинок. При механическом воздействии на рычаг литеры, они под действием пружин, ударяли по бумаге через копировальную бумагу или специальную красящую ленту и оставляли на бумаге отпечаток буквы. В отличие от печатных машинок в таких принтерах рычаги приводились в движение не при помощи кнопок, а при помощи электромагнитов, включением и выключением  которых управляли компьютеры.

2) <Ромашка>: вскоре было предложено использовать вместо отдельных рычагов с литерами один диск с выгравированными по периметру литерами символов букв и знаков. Этот диск при помощи шагового двигателя поворачивался на нужный угол (так, что бы печатаемая буква или символ находилась напротив электромагнита), затем этот электромагнит включался и ударял по выбранной литере. Литера ударяла по бумаге через специальную красящую ленту, и, таким образом, получался отпечаток требуемой буквы или символа на бумаге.

3) Барабанный: дальнейшей разновидностью таких принтеров были принтеры, у которых литеры располагались не на диске, а на сфере. Эта сфера имела форму булавы, на каждом выступе которой была выгравирована буква. Эта сфера приводилась в движение при помощи шагового двигателя, поворотом которого выбиралась требуемая литера в ряду, и рычагом, наклон которого выбирал нужный ряд букв. После выбора нужной буквы включался электромагнит, и литера ударяла по бумаге через красящую ленту, оставляя на ней отпечаток необходимой буквы или символа.

Но все эти принтеры имели ряд больших недостатков:

1)      Невозможность вывода графической информации

2)      Низкая скорость вывода информации (от 100 до 300 знаков в минуту)

3)      Сильный шум при работе

4)      Низкая механическая надежность


Матричные принтеры

Любое изображение, будь то текст или какая-либо картинка, можно воспроизвести на бумаге по точкам. На этом и основан принцип работы всех следующих типов принтеров.

Печать на бумаге в матричных принтерах осуществляется при помощи блока иголочек, приводимых в движение электромагнитами. Иголочки, ударяя по бумаге через красящую ленту, оставляют на бумаге точки. Затем блок (головка) с иголочками (от 8 до 24) перемещается на некоторое расстояние и процесс повторяется. Так как расстояние между такими точками невелико, то в результате на бумаге получается изображение нужного символа или картинки.

Данный тип принтеров обладает следующими достоинствами:

1)      Более высокая скорость печати (1200 знаков в минуту)

2)      Меньшие габариты и масса, чем у лепестковых принтеров

3)      Возможность вывода разнообразной графической информации

4)      Высокая надежность

Данные принтеры обладают и недостатками:

1)        Низкая разрешающая способность (300 точек на дюйм), и, как следствие этого, невозможность применять такие принтеры для печати высококачественных изображений

2)        Неприятный шум при работе

3)        Невозможность или сложность печати многоцветных документов

Струйные принтеры

В этих типах принтеров краска непосредственно переносится на бумагу.

1) Первый способ использует явление пьезоэлектричества для нанесения чернил на бумагу (пленку). Принцип работы таких принтеров похож на принцип работы электронно-лучевой трубки: краска наливается в специальный сосуд, имеющий в дне настолько маленькое отверстие (это отверстие называется форсунка), что в нормальных условиях краска из сосуда не вытекает. Однако при кратковременной подаче разности потенциалов между форсункой и бумагой, краска начинает вытекать небольшими каплями, которые затем ускоряются в электрическом поле, отклоняются на определенный угол системой отклоняющих пластин (заряжающие и отклоняющие чернила электроды) и попадают на бумагу, оставляя на ней след. Изображение на листе бумаги, так же как и у матричных принтеров, формируется из точек, но за счет того, что точка у каплеструйного принтера намного меньше, чем у матричного, изображение на листе бумаги получается лучшего качества.

Достоинства:


1)      Высокая скорость печати

2)      Достоинство таких принтеров заключается в том, что при использовании нескольких сосудов с разными красками можно получить цветное изображение.


Недостатки:

1)      Использование высоковольтного напряжения


2) <Пузырьковая> технология осуществляет нанесение красителя путем выталкивания частиц чернил из емкости при помощи пузырька газа, образующегося внутри картриджа в результате резкого локального повышения температуры и давления. В таких принтерах есть головка, нижняя часть которой находится на небольшом расстоянии (около 1 мм и даже меньше) от листа бумаги. В нижней части головки на небольшом расстоянии друг от друга находятся несколько форсунок (иногда до нескольких сотен и даже тысяч), объединенных в прямоугольную матрицу. Внутри корпуса, чуть выше этих форсунок находятся микроскопические резисторы (каждый над определенной форсункой). Сосуд с краской, нагревательные резисторы и форсунки зачастую объединяются в один блок, который носит название картридж. Краска стекает на резисторы и задерживается под ними, т. к. не может просочиться через маленькие форсунки. При подаче напряжения на определенный резистор он нагревается, чернила закипают, и пары создают пузырек, который выталкивает из форсунки каплю чернил. Когда импульс кончается, терморезистор столь же быстро остывает, а пузырек исчезает. Т. к. расстояние между форсункой и бумагой невелико, то капля краски попадает в строго определенное место на листе бумаги. Затем печатающая головка перемещается на некоторое расстояние и процесс повторяется.


Достоинства:

1)      Высокая скорость печати

2)      Возможность цветной печати при использовании нескольких сосудов с разной краской

3)      Высокая разрешающая способность принтеров (до 2400 точек на дюйм), что позволяет получать распечатки фотографического качества


Недостатки:

1)      Высокую стоимость расходных материалов, по сравнению с матричными принтерами

2)      Низкую ремонтопригодность (ведь если засорилась форсунка или сгорел нагревательный резистор, то проще будет купить новый картридж, чем починить сломанный)

3)      Выплескивание ненужных капель


Лазерные принтеры

В лазерном принтере печатаемое изображение формируется поточечно (и построчно) на вращающемся барабане, покрытым слоем полупроводникового материала. Под воздействием лазерного луча в данной точке изменяется знак заряда. Затем тонер поступает к барабану и его частицы примагничиваются к противоположно заряженным участкам. Бумага, проходя через принтер, электризуется при помощи лазера или блока светодиодов. Затем на наэлектризованную бумагу наносится порошкообразная краска (ее называют тонером) с барабана, которая прилипает к наэлектризованным участкам бумаги, и затем прилипшая краска впекается в бумагу при помощи специальной, очень мощной лампы.

Если последовательно применить несколько таких операций электризации и впекания, но разными красками, то в итоге получится цветное изображение.

Достоинства:

1)        Высокая скорость вывода как графической, так и текстовой информации (десятки и сотни страниц формата A4 в минуту)

2)        Высокая разрешающая способность (от 1200 и более точек на дюйм) и может использоваться для цветной печати.

Недостатки:

1)      Дороговизна расходных материалов

2)      Образование озона при длительной работе принтера

Термопринтеры

1) Термопринтеры, основанные на термопередаче

Используется специальная бумага, которая под воздействием температуры меняет цвет.

Недостатки:

1)        Необходима специальная бумага

2)        Нет цветной печати

2) Термографические принтеры

Цвет создается за счет воска. Лента (CMYK) накладывается на бумагу и нагревается. Воск расправляется и переносится на бумагу в нужных точках. Если от воска остаются неровности, то бумагу специально прокатывают.


Достоинства:

1)      Хорошее качество


Недостатки:

1)      Дорогая печать

2)      Необходима специальная бумага


3) Термосублимация

Красящее вещество, которое при нагревании переходит из твердого в газообразное состояние (отсюда название), минуя жидкое, оседает на бумаге.

Достоинства:

Очень высокое качество печати, т. к. цвета в газе действительно смешиваются.

Характеристика принтеров

cpi - символы на дюйм

dpi - точки на дюйм

cps - символы в секунду

Характеристика

Матричные

Струйные

Лазерные

Термографы

Разрешающая способность

10-20 cpi

100-300 dpi

360-1440 dpi

300-600 dpi

300-600 dpi

Скорость печати

200-400 cps

2-8 стр/мин

4-25 стр/мин

до 1 стр/мин

Плоттеры (графопостроители) - устройства, выполняющие вывод графической информации на бумажный и некоторые другие носители (чаще большого формата - A0, A1).

Виды плоттеров:

- перьевые;

- электростатические;

- плоттеры прямого вывода изображения;

- плоттеры на основе термопередачи;

- струйные плоттеры;

- лазерные плоттеры.

Все, кроме перьевых, - растровые.

Перьевые плоттеры

Перьевые плоттеры - это электромеханические устройства векторного типа, которое создает изображение при помощи пишущих элементов, обобщенно называемых перьями, хотя имеется в виду несколько видов таких элементов, отличающихся друг от друга используемым видом жидкого красителя. Перо крепится в держателе пишущего узла.

Существует два типа перьевых плоттеров:

- планшетные (бумага неподвижна, перо перемещается по всей плоскости изображения);

- барабанные (перо перемещается вдоль одной оси координат, бумага - вдоль другой).


Достоинства:

1)      Высокое качество

2)      Хорошая цветопередача


Недостатки:

1)      Низкая скорость вывода информации

2)      Проблема подбора чернил

3)      Шум


Карандашно-перьевые плоттеры - разновидность перьевых плоттеров, отличаются возможностью установки специализированного пишущего узла с механизмом для использования обычных карандашных грифелей.


Достоинства:

1)      <Краситель> карандашных грифелей не высыхает, и карандаш пишет на любой скорости

2)      Карандаш позволяет рисовать на любых бумажных носителях

3)      Грифели просто купить

Электростатические плоттеры

Электростатическая технология основывается на создании скрытого электрического изображения на поверхности носителя - специальной электростатической бумаги, рабочая поверхность которой покрыта тонким слоем диэлектрика. Потенциальный рельеф формируется при осаждении на поверхность диэлектрика свободных зарядов. Когда бумага проходит через проявляющий узел с жидким намагниченным тонером, частицы  тонера оседают на заряженных участках бумаги. Полная цветовая гамма получается за четыре цикла создания скрытого изображения и прохода носителя через четыре проявляющих узла с соответствующими тонерами.


Достоинства:

1)      Высокое качество печати

2)      Надежность

3)      Устойчивость к УФ-лучам


Недостатки:

1)      Необходимость поддержания стабильной температуры и влажности в помещении

2)      Высокая стоимость


Плоттеры прямого вывода изображения

Изображение в плоттерах прямого вывода создается на специальной термобумаге, которая обычно подается с рулона, движется вдоль <гребенки> миниатюрных нагревателей и меняет цвет в местах нагрева.


Достоинства:

1)      Высококачественное изображение

2)      Высокая надежность

3)      Высокая производительность


Недостатки:

1)      Монохромное изображение

2)      Чувствительность к изменениям температуры окружающей среды

3)      Низкая контрастность изображения


Плоттеры на основе термопередачи

Отличие этих плоттеров от плоттеров прямого вывода состоит в том, что в них между термонагревателями и бумагой размещается <донорной цветоноситель> - тонкая лента,  обращенная к бумаге красящим слоем, выполненным на восковой основе с низкой (менее 100° С) температурой плавления. В процессе вывода информации бумажный лист с наложенной на него донорной лентой проходит под печатающей головкой, которая  состоит из тысяч мельчайших нагревательных элементов. Воск в местах нагрева расплавляется, и пигмент остается на листе. За один проход наносится один цвет. Все изображение получается за четыре прохода.


Достоинства:

1)      Высокое качество

2)      Широкая цветовая палитра


Недостатки:

1)      Низкая производительность

2)      Дороговизна каждого отпечатка


Струйные плоттеры

Основой работы струйных плоттеров является пузырьковая технология.

Достоинства:

1)      Простота реализации

2)      Высокое разрешение

3)      Низкая потребляемая мощность

4)      Высокую скорость печати

5)      Приемлемая цена


Лазерные (светодиодные) плоттеры

Промежуточный носитель изображения (вращающийся селеновый барабан) в темноте может быть заряжен до потенциала в сотни вольт. Луч света снимает этот заряд, создавая скрытое электростатическое изображение, которое притягивает намагниченный тонер,  переносимый затем механическим путем на бумагу. После этого бумага с нанесенным тонером проходит через нагреватель, в результате чего частицы тонера запекаются, создавая изображение.


Достоинства:

1)      Высокая производительность

2)      Использование обычной бумаги


Недостатки:

1)      Дороговизна

2)      Монохромное изображение


LED-плоттеры - разновидность лазерных плоттеров, использующих вместо сложной системы с оптикой, точечные полупроводниковые светодиоды.

Основные параметры плоттеров

1) Носитель (формат листа, длина носителя)

2) Разрешение печати (для растровых плоттеров)

3) Скорость печати (для растровых плоттеров)

4) Память, стандартный буфер (от 1 Мб до 64 Мб)

5) Цветовая палитра (максимально возможное количество цветов)

6) Давление на пишущий элемент (для перьевых плоттеров)

7) Механическая точность (для перьевых плоттеров)

Интерфейсы

RS - 232C - последовательный интерфейс

Centronics - параллельный интерфейс (более высокая производительность)


 


15) Сканеры

 

Назначение. Устройство. Физические принципы работы. Логические принципы организации информации. Интерфейс со средой. Интерфейс с компьютером. Типовые параметры (быстродействие, разрешающая способность)

Сканер - оптико-электронное устройство, предназначенное для сканирования прозрачных или отражающих оригиналов (фотографий, рисунков, слайдов).

Сканирование - процесс оцифровки аналогового изображения при помощи сканера. Сканирование производится для получения на основе оригинала его цифрового <портрета>, пригодного для компьютерной обработки.

Образы изображений в компьютере могут храниться в графических файлах различных форматов, например TIFF, РСХ, ВМР, GIF и других. При сканировании изображений файлы получаются достаточно громоздкими и могут достигать десятков и сотен мегабайт. Для уменьшения объема хранимой информации используется обычно процесс компрессии (сжатия) таких файлов.


Сканер принципиально состоит из следующих устройств:

1)      Источник света

2)      Приемный элемент

3)      Аналого-цифровой преобразователь


Виды сканеров:

1)      Барабанные

2)      Планшетные

3)      Рулонные

4)      Ручные портативные.

5)      Сканеры бар-кодов

6)      Слайд-сканеры

7)      Проекционные сканеры


Барабанные сканеры

В барабанных сканерах оригинал закрепляется на внутренней или внешней стороне прозрачного цилиндра, который называется барабаном. Барабан вращается с высокой скоростью, а находящийся рядом с ним сканирующий датчик через крошечную конусообразную апертуру пиксель за пикселем считывает изображение. Проходящий через слайд (или отраженный от непрозрачного оригинала) узкий луч света, который создается мощным лазером, с помощью системы зеркал попадает на датчик.

Достоинства:

1)      Высокое качество полученного изображения

Недостатки:

1)      Невозможно сканировать объекты, отличные от гнущегося листа

2)      Дороговизна

3)      Большой вес и громоздкость

Планшетные сканеры

Сканирование происходит следующим образом: оригинал помещается на специальное стекло, под которым перемещается каретка с оптикой и аналоговым цифровым преобразователем. Обычно планшетный сканер считывает оригинал, освещая его снизу, с позиции преобразователя. Чтобы сканировать четкое изображение с пленки или диапозитива, нужно обеспечивать подсветку оригиналов как бы сзади. Для этого и служит слайдовая приставка, представляющая собой лампу, которая перемещается синхронно со сканирующей кареткой и имеет определенную цветовую температуру.

Планшетные сканеры делятся на:

- черно-белые;

- цветные.

Устройство черно-белых сканеров

Сканируемое изображение освещается белым светом, получаемым от флуоресцентной лампы. Отраженный свет через редуцирующую (уменьшающую) линзу попадает на фоточувствительный полупроводниковый элемент, называемый прибором с зарядовой связью ПЗС, в основу которого положена чувствительность проводимости p-n-перехода обыкновенного полупроводникового диода к степени его освещенности. На p-n-переходе создается заряд, который рассасывается со скоростью, зависящей от освещенности. ПЗС представляют собой специальным образом <выращенные> полупроводниковые матрицы светочувствительных элементов, которые обладают свойством <самосканирования> - способностью к одновременной передаче друг другу по цепочке накопленных под воздействием света зарядов. Роль элементарных кирпичиков, из которых строятся такие цепочки, играют <потенциальные ямы> - микроскопические (размером около 5 мкм) области в теле полупроводника, где, благодаря внешнему световому воздействию, скапливаются высвобождающиеся электроны.

Блок-схема черно-белого сканера:

источник света → изображение → редуцирующая линза → ПЗС → аналого-цифровой преобразователь

Устройство цветного сканера

Принципы работы трехпроходного цветного сканера 

Сканируемое изображение освещается уже не белым цветом, а через вращающийся светофильтр. Для каждого из основных цветов (красного, зеленого и синего) последовательность операций практически не отличается от последовательности действий при сканировании черно-белого изображения.

В результате трех проходов сканирования получается файл, содержащий образ изображения в трех основных цветах - RGB (образ композитного сигнала).

Нужно отметить, что трехпроходные сканеры сканируют дольше, чем однопроходные, хотя находятся с ними в одной ценовой категории, как следствие доля трехпроходных сканеров на рынке снижается.

Принцип работы однопроходного сканера

Источник белого света освещает сканируемое изображение, а отраженный свет через редуцирующую линзу попадает на трех полосную ПЗС через систему специальных фильтров, которые и разделяют белый свет на три компонента: красный, зеленый и синий. В рассматриваемом случае фильтрация осуществляется цветоделительной призмой. После системы фильтров разделенный красный, зеленый и синий свет попадает на собственную полосу ПЗС. Дальнейшая обработка сигналов цветности практически не отличается от обычной.

Достоинства:

1) Высокое качество получаемого изображения

2) Низкая стоимость

3) Простота использования

4) Универсальность


Рулонные сканеры

Работа рулонных сканеров чем-то напоминает работу обыкновенной факс-машины. Отдельные листы документов протягиваются через такое устройство, при этом и осуществляется их сканирование. Таким образом, в данном случае сканирующая головка остается на месте, а уже относительно нее перемещается бумага. Понятно, что в этом случае копирование страниц книг и журналов просто невозможно. Рассматриваемые сканеры достаточно широко используются в областях, связанных с оптическим распознаванием символов ОСR (Optical Character Recognition). Для удобства работы рулонные сканеры обычно оснащаются устройствами для автоматической подачи страниц.

Ручные сканеры

Ручной портативный сканер

Обычные или самодвижущиеся, они обрабатывают полосы документа шириной около 10 см. Сканирование происходит следующим образом: нужно без резких движений провести сканирующей головкой по соответствующему изображению.

Достоинства:

1)      Недороги и компактны

Недостатки:

1)      Медлительны

2)      Имеют низкие оптические разрешения (обычно 100 dpi)

3)      Часто сканируют изображения с перекосом

C-PEN сканер

Внутри C-Pen сканера находится маленькая цифровая камера и необходимая электроника, а снаружи расположен жидкокристаллический дисплей. Камера фиксирует изображение, а встроенная система распознавания символов превращает полученную картинку в текстовый файл, который можно хранить в C-Pen или перенести через ИК-порт на компьютер. Для того чтобы отсканировать, например, предложение, надо, нажав соответствующую кнопочку, плотно прижать C-Pen к листу бумаги и с равномерной скоростью провести по нужной строке.

Достоинства:

1)      Компактность

2)      В памяти ручки умещается до 2000 страниц

Сканеры бар-кодов

Они предназначены для сканирования штрих-кода товара. По принципу действия сходен с ручным сканером и подключается к компьютеру, либо к специализированной торговой системе. При наличии соответствующего программного обеспечения, распознавать штрих-коды может любой сканер.

Слайд-сканеры

Это разновидность планшетного сканера, предназначены для сканирования прозрачных материалов, часто жестко заданного формата. Они справляются с этой задачей намного лучше планшетных сканеров, находясь при этом в том же ценовом классе.

Проекционные сканеры

Проекционные сканеры больше всего напоминают своеобразный проекционный аппарат (или фотоувеличитель). Вводимый документ кладется на поверхность сканирования изображением вверх, блок сканирования находится при этом также сверху. Перемещается только сканирующее устройство. Основной особенностью данных сканеров является возможность сканирования проекций трехмерных проекций.


Основные параметры сканеров

Оптическое разрешение - измеряется в точках на дюйм, dpi. Для настольных сканеров вы можете встретить: 300х300, 400х400, 300х600, 400х800, 600х600, 600х1200 dpi. Чем больше разрешение, тем более детальную информацию об изображении можно получить.

Глубина резкости - это максимальное расстояние от поверхности стекла, на котором оптика сканера <схватывает> резкое изображение.

Глубина цвета - черно-белое изображение, 8-битная градация серого, 24-битная цветовая палитра.

Диапазон оптических плотностей на практике характеризует способность сканера охватывать разные оригиналы. Чем больше диапазон, тем лучше. Диапазон оптических плотностей сканера определяется оптикой сканера и глубиной цвета.

Угол отклонения - это максимальный угол, под которым сканер может <видеть> сканируемый предмет.

Скорость сканирования - это скорость сканирования одной линии изображения в миллисекундах.

Программные интерфейсы и TWAIN

Для управления работой сканера необходима соответствующая программа - драйвер. До недавнего времени каждый драйвер для сканера имел свой собственный интерфейс. Это было достаточно неудобно, поскольку для каждой модели сканера требовалась своя прикладная программа. Логичнее было бы наоборот, если бы с одной прикладной программой могли работать несколько моделей сканеров. Это стало возможным благодаря TWAIN - это стандарт, согласно которому осуществляется обмен данными между прикладной программой и внешним устройством. Основной целью создания TWAIN-спецификации было решение проблемы совместимости, то есть легкого объединения различных устройств ввода с любым программным обеспечением.


 


16) Накопители информации на магнитных лентах

 

Назначение. Устройство. Физические принципы работы. Логические принципы организации информации. Интерфейс со средой. Интерфейс с компьютером. Типовые параметры (ёмкость, быстродействие)

Методы записи на магнитную ленту

Применяются два метода записи на магнитную ленту:

- наклонный;

- линейный (серпантинный).

Линейная магнитная запись

Суть состоит в том, что используется достаточно широкая лента с большим числом расположенных по всей длине ленты параллельных дорожек и многоканальная магнитная головка. Лента протягивается лентопротяжным механизмом мимо головки. При этом считывается часть дорожек. При достижении окончания ленты головка перепозиционируется на следующую группу дорожек, лентопротяжный механизм реверсирует движение ленты, лента движется обратно и записываются/считываются другие дорожки. Этот процесс повторяется, пока не будут считаны или записаны все дорожки. Такой метод записи называют серпантинным.

Линейная система записи имеет свои характерные особенности. Чтобы обеспечить необходимую плотность записи лента должна двигаться мимо магнитной головки со скоростью порядка 70 см/с. Чем быстрее достигается рабочая скорость движения ленты, тем меньше задержек при неизбежном старт-стопном движении ленты. Поэтому, чем более быстродействующий лентопротяжный механизм, тем больше механическая нагрузка на ленту.

Наклонно-строчная магнитная запись

Суть метода состоит в том, что лента протягивается с небольшой скоростью (несколько сантиметров в секунду) мимо вращающегося с высокой скоростью цилиндра, на котором закреплены головки чтения-записи. За счет вращения блока головок получается высокая относительная скорость между лентой и головкой.

Преимущества этого метода следующие. Так как абсолютная скорость движения ленты невелика, процессы старта и остановки занимают меньше времени и оказывают меньшие механические нагрузки на ленту. Следовательно, можно использовать более тонкие ленты. Кроме того, при наклонно-строчной записи плотность расположения дорожек (измеряется в количестве дорожек на 1 дюйм) в несколько раз выше, чем при линейной записи

Основные технологии

1) Технология Travan

Достоинства: аппаратное сжатие, дополнительные меры защиты носителей. Лента способна хранить 20 Гб и обладает скоростью обмена 2 Мб/с.

2) Технология DAT-DDS

Для DAT-картриджей с лентой шириной 4 мм чаще всего используется формат DDS (Digital Data Storage). Он основан на технологии наклонно-строчной записи. Обязательный в данном случае атрибут лентопротяжного механизма - блок вращающихся головок, выполненный в виде цилиндра. Дорожки записываются парами (так называемыми фреймами), причем записи на дорожках частично перекрываются. Каждый фрейм содержит 8 Кб информации. Емкость таких носителей достигает 20 Гб.

3) Технология DLT

Основной особенностью нового привода был 6-роликовый ведущий механизм с блоком головок. Он обеспечивал мягкий и плавный ход ленты с минимальным трением. Путь ленты был значительно меньше, чем на приводах с 8-миллиметровой лентой, и это снижало ее износ и повреждения. Для обеспечения целостности информации, записываемые данные сразу же считываются головкой чтения и сравниваются с поступившими от компьютера. При обнаружении несоответствий фрагмент немедленно перезаписывается на следующем участке ленты. Ресурс блока головок обычно не превышает 30 тыс часов, а вот долговечность носителя довольно высока - более миллиона проходов ленты. В настоящее время она позволяет хранить 600 Гб данных и передавать их со скоростью 64 Мб/с.

4) Технология LTO

Новая технология, получившая название LTO (Linear Tape Open), объединила преимущества линейных многоканальных двунаправленных форматов записи, способ сжатия данных, размещение дорожек, метод коррекции ошибок, производительность и надежность. Ее основные особенности - многоканальная серпантинная запись и высокая плотность записи. Емкость картриджей 4-ого поколения на базе LTO 800 Гб, а скорость передачи данных 80-160 Мб/с.

5) Технология Mammoth и AIT

Характерная черта картриджей AIT - наличие в них встроенной флэш-памяти памяти (Memory-In-Cassette). В MIC хранятся сведения о месторасположении на ленте пользовательских файлов, а также другая, в том числе системная, информация. Это позволяет сократить среднее время доступа к файлу. Емкость - до 250 Гб. Скорость передачи - до 12 Мб/с.

6) Технология ADR

Технологию Advanced Digital Recording (ADR) можно отнести к 8-миллиметровым. Особенность технологии ADR заключается в наличии специальных средств мониторинга за движением ленты, которые обеспечивают более высокую плотность записи. Уже сейчас на ленте шириной 8 миллиметров размещается 192 дорожки; одновременно читаются 8, что позволяет обеспечить высокую скорость обмена. В недалекой перспективе емкость ленты составит 3,6 Тб при скорости обмена 130 Мб/с.

Классификация и типовые параметры

Младший класс

Малый класс - ленты шириной 4 мм. К младшему классу можно отнести технологии, построенные на DAT-DDS. От более мощных устройств они отличаются не столько объемами хранения, сколько цифрами, характеризующими скорость обмена, работоспособность и надежность хранения. По показателям времени наработки на отказ они не уступают своим старшим <собратьям>, но при этом не предполагается непрерывная работа, устройство может быть занято не более 20% времени, количество циклов использования носителей может отличаться на порядки. Емкость - до 20-40 Гб, а скорость передачи данных - 5-6 Мб/с.

Средний класс

Во второй класс условно можно объединить накопители, использующие ленту шириной 8 миллиметров. В него попадают форматы Mammoth, AIT и ADR. У форматов Mammoth и AIT общий предок - стандарт записи для видеокамеры, использующий 8-миллиметровую пленку. Поэтому они используют один и тот же, винтовой способ записи. Емкость - до 320 Гб, а скорость передачи данных - 16 Мб/с.

Старший класс

Класс полудюймовых лент представлен сегодня стандартами - DLT и LTO. Все могут быть использованы в ленточных библиотеках. Емкость - до 1 Тб при скорости обмена 120 Мб/с.


 


17) Модемы

 

Назначение. Устройство. Физические принципы работы. Логические принципы организации информации. Интерфейс со средой. Интерфейс с компьютером. Типовые параметры (быстродействие, протоколы)

Модем - функциональное устройство, обеспечивающее модуляцию и демодуляцию сигналов; устройство, преобразующее цифровые сигналы в аналоговую форму и обратно для передачи их по линиям связи аналогового типа.

Модуляция - преобразование сигнала из цифровой формы в аналоговую

Демодуляцией - преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую.

Отсюда и название устройства - МОДЕМ (МОдулятор-ДЕМодулятор). Итак, передающему модему от компьютера передается поток бит. В зависимости от физического протокола передачи данных, по которому работает модем, при модуляции модем ставит в соответствие каждому биту или последовательности бит цифровой информации некий аналоговый сигнал. Единицей скорости изменения сигнала (т.е. скорости передачи в канале) является бод. Эту скорость называют модуляционной, или линейной, или бодовой. Существует также и другая скорость - скорость передачи цифровых данных, которую называют информационной. Информационная скорость измеряется в bps (бит/с).

Способы модуляции

1) Частотная модуляция - элементы передаются различными частотами несущего сигнала. Это наиболее надежный и помехоустойчивый способ модуляции однако наименее скоростной.

2) Относительная фазовая модуляция - информация передается путем сдвига фазы несущего сигнала.

3) Квадратурно-амплитудная сочетает изменение фазы и амплитуды сигнала.

Для увеличения помехоустойчивости при многопозиционной модуляции применяется предварительное кодирование информации. Без кодирования появление в сигнале каждой очередной позиции модуляции равновероятно, и при большом количестве позиций сильно возрастает вероятность ошибки демодулятора.

Режимы работы модема

1) Синхронный и асинхронный режим работы

Существует два метода обмена данными: синхронный и асинхронный.

При асинхронном методе передачи данные передаются побайтно. Каждый байт помимо бит данных содержит так называемые служебные биты: стартовый бит, стоповые биты, иногда биты контроля четности. Таким образом, минимальной единицей передачи является байт. Этот режим удобен с точки зрения надежности выделения сигналов в линии, однако требует упаковки/распаковки битовых данных в байты, а также снижает скорость передачи в канале за счет избыточных бит

Таким образом, наименьшая единица передачи данных в сигнале состоит:

1)      Биты данных: собственно данные

2)      Стартовый бит: указывает начало байта данных

3)      Стоповые биты: один или два бита, означающих конец передаваемого байта

4)      Бит четности: проверочный бит

В синхронном режиме данные передаются побитно, без группировки в байты. В этом случае нет накладных расходов на группировку бит, и единицей передачи является отдельный бит. Тем не менее, чтобы приемник имел возможность пересинхронизации в случае потери части потока, биты часто оформляются в пакеты различной длины. Минимальной информационной единицей в этом случае является пакет. Поскольку длина пакета значительно превышает длину его служебной части, накладные расходы оказываются намного меньше.


2) Полудуплексный и полнодуплексный режим работы

Под полудуплексным методом передачи понимается передача данных в каждый момент времени только в одном направлении, под дуплексным - возможность передачи данных одновременно в двух направлениях. Обычный телефонный канал -типичный пример дуплексного канала. Он позволяет вам говорить что-то своему собеседнику в то же самое время, когда тот пытается что-то сообщить Вам.

3) Режим данных и режим команд

Модем может находиться в одном из двух основных режимов - командном режиме или режиме данных. В командном режиме модем исполняет команды, выдаваемые оператором. В режиме данных модем воспринимает все, что может быть получено от компьютера как данные, которые должны быть переданы в линию. Таким образом, бесполезно вводить команды в режиме данных, так как модем не воспримет их как команды.

Классификация модемов

1) По исполнению (внешнему виду):

- внутренние подключаются к материнской карте компьютера как плата расширения;

- внешние (настольные) имеют отдельный корпус и размещаются рядом с компьютером, соединяясь кабелем с портом компьютера;

2) По типу:

- асинхронный модем может выполнять только передачу по аналоговой телефонной сети и работает только с асинхронными коммуникационными портами терминальных устройств;

- факс-модем - это классический модем с добавленной факс возможностью, что позволяет обмениваться факсами с факс-аппаратами и другими факс-модемами;

- голосовой модем - это модем способный не только выполнять функции факс-модема, но и принимать из телефонной сети голосовые сообщения, записывая их в файл;

- модем с подстраховкой выделенной линии используется, когда требуется надежность связи. У них имеется два независимых входа для линии (один соединяется с выделенной линией, а второй - с коммутируемой);

- SVD-модем (simultaneous voice and data - одновременно голос и данные) позволяют одновременно с передачей данных вести разговор с помощью телефонной трубки, подключенной к модему;

- синхронный модем поддерживает синхронный и асинхронный режим передачи;

- четырехпроходный модем работает по двум выделенным линиям (одна используется только для передачи, вторая только для приема) в дуплексном режиме;

- сотовый модем используются для мобильной радиотелефонии, к которой относится и сотовая связь;

- радиомодем использует эфир как среду передачи вместо телефонных проводов;

- сетевой модем - это модем со встроенным сетевым адаптером локальной сети для совместного использования в локальной сети;

- кабельный модем позволяет использовать для передачи каналы кабельного телевидения (10 Мб\с).

3) По области применения:

- модемы для коротких линий (short range);

- модемы для голосовых линий (voice grade);

- модемы для широкополосных линий (wideband).


4) По типу используемой линии:

- коммутируемые;

- арендованные (выделенные);

- частные.

5) По режиму работы:

- полудуплексный;

- полнодуплексный;

- симплексный.


6) По типу модуляции:

- частотная;

- фазоразностная;

- многопозиционная амплитудно-фазовая;

7) По скорости передачи данных:

300 bps - 56000 bps


 
Внутренний модем
Достоинства:

1)        Меньшая сложность и цена за счет отсутствия корпуса, преобразователя питания, индикаторов и интерфейсных схем

2)        Отсутствие проблем с питанием в случае использования UPS

3)        Отсутствие необходимости в свободном порте

4)        Меньшее количество внешних соединений и разъемов питания

Недостатки:

1)        Внесение в систему дополнительного порта, что может быть чревато конфликтами с другими системными устройствами

2)        Большая подверженность помехам, как от компьютерного источника питания, так и от соседних блоков компьютера, что может сказываться на качестве связи

3)        Отсутствие индикаторов режимов работы, что затрудняет контроль состояния модема и сеанса связи

4)        Необходимость вскрытия компьютера для установки и снятия модема, а также для настройки конфигурации порта

5)        Невозможность использования модема с компьютером другого типа или другим интеллектуальным устройством

6)        Невозможность надежного сброса модема в случае <зависания> встроенной микропрограммы, кроме как через глобальный сброс компьютера

7)        Невозможность использования синхронного режима работы

Внешний модем

Достоинства:

1)        Оптимальное по помехозащищенности исполнение с собственным источником питания

2)        Наличие индикаторов

3)        Возможность аварийного сброса в любой момент путем отключения питания

4)        Возможность использования с любым типом оконечных устройств - компьютерами, терминалами, принтерами, кассовыми аппаратами и прочее

5)        Возможность использования синхронного режима работы, при котором данные передаются на уровне битов, а не байтов

6)        Простое и быстрое подключение

Недостатки:

1)      Более высокая сложность и цена

2)      Большее количество внешних устройств (модем и блок питания)

3)      Необходимость дополнительной розетки питающей сети, а в случае подключения к UPS - специального переходника

4)      Необходимость свободного порта и интерфейсного кабеля


Внутреннее устройство модема

Состав функциональной схемы модема:

- основной процессора;

- сигнальный процессора;

- оперативное запоминающего устройства (ОЗУ);

- постоянное запоминающего устройства (ПЗУ);

- перепрограммируемое запоминающего устройства (NVRAM);

- модулятор/демодулятор;

- схема согласования с линией;

- динамик.

Основной процессор фактически является встроенным микрокомпьютером, отвечающим за прием и выполнение команд, буферизацию и обработку данных - кодирование, декодирование, сжатие/распаковку и прочее, а также за управление сигнальным процессором.

Сигнальный процессор (DSP, Digital Signal Processor - цифровой сигнальный процессор) и модулятор/демодулятор занимаются непосредственно операциями с сигналом - модуляцией/демодуляцией, разделением частотных полос, подавлением эхо и прочее.

В ПЗУ хранятся программы для основного и сигнального процессоров.

ОЗУ используется в качестве временной памяти при работе основного и сигнального процессоров; оно может быть как раздельным, так и общим. В ОЗУ хранится также текущий набор параметров модема.

В NVRAM хранятся сохраненные наборы параметров модема, один из которых загружается в текущий набор при каждом включении или сбросе. Обычно имеется два сохраненных набора - основной и дополнительный.

Схемы согласования с линией включают разделительный трансформатор для передачи сигнала, опто-пару для опознания сигнала звонка, реле подключения к линии и набора номера, а также элементы создания нагрузки в линии и защиты от перенапряжений.

На динамик (speaker) выводится усиленный сигнал с линии для слухового контроля ее состояния. Динамик может быть включен на время набора номера и соединения, во время всего соединения, а также отключен совсем.

Протоколы обмена данными

Для начала стоит отметить, что протоколы могут быть как аппаратными (физическими), так и программными. Разница заключается в том, где протокол совершает обработку потока данных. Если работу с данными производит сам компьютер, то протокол является программным, если модем, то аппаратным (или физическим).

Протоколы коррекции ошибок и сжатия данных

При передаче данных по зашумленным телефонным линиям всегда существует вероятность, что данные, передаваемые одним моде-мом, будут приняты другим модемом в искаженном виде. Например, некоторые передаваемые байты могут изменить свое значение или даже просто исчезнуть.

Для того чтобы пользователь имел гарантии, что его данные переданы без ошибок, используются протоколы коррекции ошибок.

Общая форма передачи данных по протоколам с коррекцией ошибок следующая: данные передаются отдельными блоками (пакета-ми) по 16-20000 байт, в зависимости от качества связи. Каждый блок снабжается заголовком, в котором указана проверочная ин-формация, например контрольная сумма блока. Принимающий компь-ютер самостоятельно подсчитывает контрольную сумму каждого бло-ка и сравнивает ее с контрольной суммой из заголовка блока. Если эти две контрольные суммы совпали, принимающая программа считает, что блок передан без ошибок. В противном случае прини-мающий компьютер передает передающему запрос на повторную пере-дачу этого блока.

1) MNP-протоколы обеспечивают автомати-ческую коррекцию ошибок и компрессию передаваемых данных. К примеру, MNP10 предназначен для обеспечения связи на сильно зашум-ленных линиях, таких, как линии сотовой связи, междугородние линии, сельские линии. Это достигается при помощи следующих методов:

- многократного повторения попытки установить связь;

- изменения размера пакетов в соответствии с изменением уровня помех на линии;

- динамического изменения скорости передачи в соответствии с уровнем помех линии.

MNP-модем обеспечивает следующие режимы передачи данных:

a.        Стандартный режим обеспечивает буферизацию данных, что позволяет работать с различными скоростями передачи данных меж-ду компьютером и модемом, между двумя модемами

b.        Режим прямой передачи соответствует обыч-ному модему, не поддерживающему MNP-протокол: буферизация дан-ных не производится и аппаратная коррекция ошибок не выполня-ется.

c.        Режим с коррекцией ошибок и буферизацией - стандарт-ный режим работы при связи двух MNP-модемов. Если удаленный мо-дем не поддерживает протокол MNP, связь не устанавливается.

d.       Режим с коррекцией ошибок и автоматической настройкой используется, когда заранее не известно, поддерживает ли удаленный модем протокол MNP.

2) LAMP-протоколы и ARQ-протоколы обеспечивают только коррекцию ошибок.

Протоколы передачи данных

Данные протоколы собственно и отвечают за организацию приема и отправки данных и реализуются на программном уровне.

1) ASCII работает без коррекции ошибок. В результате при передаче файлов по телефонным каналам из-за шума принятый файл сильно отличается от передаваемого.

2) XModem: формат передачи файлов выглядит следующим образом: 8-битовые данные, один стоповый бит и отсутствие проверки на четность. Для передачи использу-ется полудуплексный метод, т. е. данные могут передаваться в каждый момент времени только в одном направлении.

3) YModem: может передавать или принимать за один заход несколько файлов.

4) ZModem: осуществляет передачу данных пакетами по несколько штук в окне. При этом принимающий данные компьютер не передает сигнал подтверждения или сигнал переспроса неправиль-ного пакета, пока не получит все пакеты в окне.

5) BiModem: возможность однов-ременной передачи двух файлов в разных направлениях.

6) Kermit использует для передачи данных пакеты переменной дли-ны и максимальным размером 94 байта, может передавать или принимать несколько файлов за один сеанс, использует предварительную комп-рессию данных для увеличения эффективной скорости обмена данны-ми.

Протоколы модуляции

Данные протоколы отвечают за метод модуляции данных и практически определяют скорость модема.

1) Bell - 300-1200 bps

2) V - 300-56000 bps

3) HST - более 56000 bps



 


21) Современная телефония, сотовая связь

 

Сотовая связь

Свое название сотовые сети получили в соответствии с сотовым принципом организации связи, который заключается в следующем. В зоне обслуживания сети устанавливается необходимое количество базовых приемо-передающих станций. Именно соты потому, что зона радиопокрытия вокруг базовой станции в общем случае представляет собой окружность. Известно, что из равносторонних фигур, вписанных в окружность, только шестиугольники могут без разрывов покрыть какую-либо поверхность. Вот почему они используются в качестве математической модели сотовой сети.

Современный мобильный телефон - очень сложный и совершенный прибор, в котором реализованы новейшие научно-технические достижения. Переносной сотовый телефон состоит из двух частей: собственно <трубки> и смарт-карты, получаемой при заключении договора с оператором сотовой связи.

Карточка представляет собой обычную микросхему, выполненную по смарт-технологии и имеющий необходимый внешний интерфейс. Посмотреть его можно, сняв аккумулятор.

Аналоговые стандарты (первого поколения)

1) NMT (Nordic Mobile Telephone) - 450/900

NMT-900 в России не применяется, его использовали только в Скандинавии. Стандарт является абсолютным чемпионом по <дальнобойности>. Аналоговый звук в большинстве случаев гораздо лучше цифрового. Минусом стандарта является <привязанность> трубки к оператору, что фактически означает невозможность перехода в другую компанию, и большая мощность трубки конечно.

2) AMPS (Advanced Mobile Phone Service)

Данный аналоговый стандарт впервые появился в США на два года позже, чем NMT-450. Работает на частоте 850 МГц. Вымирающий стандарт.

Цифровые стандарты (второго поколения)

1) GSM-450/900/1800/1900

Стандарты GSM на сегодняшний день являются самыми распространенными в мире (особенно в Европе). По статистике, доля стандартов GSM в Европе более 80%, в мире - 43%. Распространен он только потому, что <трубки> стандарта GSM являются абсолютно <независимыми> от оператора.

2) D-AMPS-800/1900

Цифровая вариация AMPS. Из плюсов можно выделить довольно большую зону покрытия.

3) TDMA

Если у европейцев - GSM, то у американцев - TDMA. Многие считают, что TDMA превосходит аналогичный GSM-900. И это действительно не без оснований: в экстремальных условиях абоненты GSM нередко начинают <заикаться>, а вот TDMA трещит, шипит, но держит голос таким, каким он есть.

4) CDMA

Самый прогрессивный стандарт на сегодняшний момент, знаменит высоким качеством звука, мощной защитой от двойников, низкой мощностью трубок. Единственный минус - плохой звук во время движения

Концепции цифровых систем связи

Рассмотрим, как осуществляется звонок по мобильному телефону.

Лишь только пользователь набирает номер, телефонная трубка начинает поиск ближайшей базовой станции. Благодаря сотовой структуре, ретрансляторы покрывают местность зоной уверенного приема в одном или нескольких радиоканалах с дополнительным служебным каналом, по которому происходит синхронизация. Происходит согласование протокола обмена аппарата и базовой станции по аналогии с процедурой модемной синхронизации, в процессе которой устройства договариваются о скорости передачи, канале и прочем.

Когда мобильный аппарат находит базовую станцию и происходит синхронизация, контроллер базовой станции формирует полнодуплексный канал на мобильный коммутирующий центр. На основании этих данных формируется представление системы о мобильном пользователе (его местоположение, статус в сети и прочем) и происходит соединение.

При разработке стандарта протокола сотовой связи момент двойников изначально учтен, и теперь каждый абонент имеет свой уникальный и единственный в мире идентификационный номер, кодирующийся при передаче 64-битным ключом.

Физиология

Важное явление, которое приходится учитывать при создании сотовых систем подвижной радиосвязи - отражение радиоволн, и, как следствие, их многолучевое распространение. С одной стороны, это явление полезно, так как оно позволяет радиоволнам огибать препятствия и распространяться за зданиями, в подземных гаражах и тоннелях. Но с другой стороны, многолучевое распространение порождает такие трудные для радиосвязи проблемы, как растягивание задержки сигнала.

Преодолеть эти трудности удалось с помощью цифровой техники, которая позволила создать новые методы кодирования, модуляции и выравнивания характеристик каналов.

Грядущие мобильные технологии

Технология третьего поколения обеспечивает высококачественную передачу речи и изображений, скорость предположительно будет достигать 2 Мбит/с, содержание  мультимедиа и доступ в интернет, а также обмен данными между мобильным телефоном и компьютером.

Спецификация технологии третьего поколения все еще в процессе развития. Одной из ступеней её развития является GPRS (General Packet Radio System).

GPRS - одна из важнейших технологий в переходном периоде от систем второго поколения к третьему. GPRS - технология, предлагающая абоненту GSM прямой доступ к провайдеру интернета со скоростью до 115 Кбит/с. Еще одной отличительной особенностью GPRS от систем старого поколения является то, что GPRS позволяет абоненту иметь пребывать в так называемом режиме on-line.

Спутниковая связь

Спутник - устройство связи, которое принимает сигналы от земной станции, усиливает и транслирует в широковещательном режиме одновременно на все земные станции, находящиеся в зоне видимости спутника. Спутник не инициирует и не терминирует никакой пользовательской информации за исключением сигналов контроля и коррекции возникающих технических проблем и сигналов его позиционирования. Спутниковая передача начинается в некоторой земной станции, проходит через спутник, и заканчивается в одной или большем количестве земных станций.

Спутниковая связь состоит из трех базисных частей:

- космического сегмента;

Охватывает вопросы проектирования спутника, расчета орбиты и запуска спутника.

- сигнальной части;

Включает вопросы используемого спектра частоты, влияния расстояния на организацию и поддержание связи, источники интерференции сигнала, схем модуляции и протоколов передачи


- наземного сегмента;

включает размещение и конструкцию земных станций, типы антенн, используемых для различных приложений

Достоинства:

1)        Устойчивые издержки (стоимость передачи через спутник по одному соединению не зависит от расстояния между передающей и принимающей земной станцией)

2)        Широкая полоса пропускания

3)        Малая вероятность ошибки

4)        Защита от несанкционированного доступа к информации

Недостатки:

1)        Значительная задержка (большое расстояние от земной станции до спутника на геосинхронной орбите приводит к задержке распространения, длиной почти в четверть секунды)

2)        Размеры земных станции (увеличенный диаметр антенны для маленьких частот)

3)        Интерференция (спутниковые сигналы, крайне чувствительны к плохой погоде)

IP-Телефония

Это технология, которая использует IP-протокол для передачи голоса и данных.

IP-протокол - протокол, описывающий правила адресации и передачи данных в сети интернет, применяющийся как в глобальной сети интернет, так и во внутренних сетях.

Система передачи пакетных голосовых сообщений работает следующим образом. Абонент набирает со своего телефонного аппарата номер доступа в сеть IP-телефонии и в тоновом режиме вводит необходимый внутренний номер. Голосовой шлюз сети IP-телефонии, находящийся в вызываемом регионе, инициирует звонок, используя местную телефонную сеть или внутреннюю АТС. Речевой сигнал от абонентов поступает на шлюзы, оцифровывается без потери качества, с одновременным подавлением пауз, свойственных любому разговору. Полученный цифровой поток разбивается на пакеты протокола IP, при необходимости шифруется и передаётся по сети к заданным шлюзам. Маршрутизация пакетов осуществляется согласно алгоритмам работы сетей IP по наикратчайшему пути и с наименьшими задержками.

Таким образом, междугородный или международный телефонный вызов осуществляется через местные телефонные сети абонентов и глобальную сеть интернет.

Достоинства:

1)        Дешевизна (пропускная способность каналов связи во много раз превышает традиционные (каналы одновременно используются сразу многими абонентами))

2)        Простота пользования услугой


На благо человечества старались день и ночь:

Ильюшенков Михаил

Шледевиц Павел

Анохин Алексей

16.02.2005

 

Добавьтe Ваш комментарий

Ваше имя (псевдоним):
Ваш адрес почты:
Заголовок:
Комментарий: