Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Вспомогательная память
Не важно, каков объем основной памяти: он все равно всегда будет слишком мал. Мы всегда хотим хранить в памяти компьютера больше информации, чем она может вместить
Иерархическая структура памяти
Иерархическая структура памяти является традиционным решением проблемы хранения большого количества данных Она изображена на рис. 2.15. На самом верху находятся регистры процессора. Доступ к регистрам осуществляется быстрее всего. Дальше идет кэш-память, объем которой сейчас составляет от 32 Кбайт до нескольких мегабайт. Затем следует основная память, которая в настоящее время может вмещать от 16 Мбайт до десятков гигабайтов. Далее идут магнитные диски и, наконец, накопители на магнитной ленте и оптические диски, которые используются для хранения архивной информации.
Рис. 2.15. Пятиуровневая организация памяти.
По мере продвижения по структуре сверху вниз возрастают три параметра. Во-первых, увеличивается время доступа. Доступ к регистрам занимает несколько наносекунд, доступ к кэш-памяти — немного больше, доступ к основной памяти — несколько десятков наносекунд. Дальше идет большой разрыв: доступ к дискам занимает по крайней мере 10 мкс, а время доступа к магнитным лентам и оптическим дискам вообще может измеряться в секундах (поскольку эти накопители информации еще нужно взять и поместить в соответствующее устройство).
Во-вторых, увеличивается объем памяти. Регистры могут содержать в лучшем случае 128 байтов, кэш-память — несколько мегабайтов, основная память — несколько гигабайтов, магнитные диски — от нескольких гигабайтов до нескольких терабайтов. Магнитные ленты и оптические диски хранятся автономно от компьютера, поэтому их объем ограничивается только финансовыми возможностями владельца.
В-третьих, увеличивается количество битов, которое вы получаете за 1 доллар.
Магнитые диски
Магнитный диск состоит из одного или нескольких тонких дисков с магнитным слоем. Изначально они были 50 см в диаметре, но сейчас их диаметр составляет от 3 до 12 см, а у портативных компьютеров — меньше 3 см, причем этот параметр продолжает уменьшаться. Головка диска, содержащая индукционную катушку, двигается над поверхностью диска, опираясь на воздушную подушку. Отметим, что у дискет головка касается поверхности. Когда через головку проходит положительный или отрицательный ток, он намагничивает поверхность под головкой. При этом магнитные частицы намагничиваются направо или налево в зависимости от полярности тока. Когда головка проходит над намагниченной областью, в ней (в головке) возникает положительный или отрицательный ток, что дает возможность считывать записанные ранее биты. Поскольку диск вращается под головкой, поток битов может записываться, а потом считываться. Конфигурация дорожки диска показана на рис. 2.16.
Рис. 2.16. Кусок дорожки диска (2 сектора)
Дорожкой называется круговая последовательность битов, записанных на диск за его полный оборот. Каждая дорожка делится на секторы фиксированной длины. Каждый сектор обычно содержит от 512 байтов до 8Кб данных. Перед данными располагается преамбула (preamble), которая позволяет головке синхронизироваться перед чтением или записью. После данных идет код с исправлением ошибок. Между соседними секторами находится межсекторный интервал.
У всех дисков есть кронштейны, они могут перемещаться туда и обратно по радиусу на разные расстояния от шпинделя, вокруг которого вращается диск. На разных расстояниях от оси записываются разные дорожки. Таким образом, дорожки представляют собой ряд концентрических кругов, расположенных вокруг шпинделя. Ширина дорожки зависит от величины головки и от точности ее перемещения.
Плотность записи битов на концентрических дорожках различная, в зависимости от расстояния от центра диска. Плотность записи зависит главным образом от качества поверхности диска и чистоты воздуха. Большинство магнитных дисков состоит из нескольких пластин, расположенных друг под другом. Каждаяповерхность снабжена рычагом и головкой. Рычаги скреплены таким образом, что одновременно могут перемещаться на разные расстояния от оси. Совокупность дорожек, расположенных на одном расстоянии от центра, называется цилиндром.
Производительность диска зависит от многих факторов. Чтобы считать или записать сектор, головка должна переместиться на нужное расстояние от оси. Этот процесс называется поиском. Среднее время поиска между дорожками, взятыми наугад, составляет от 5 до 15 мс, а поиск между последовательными дорожками занимает около 1 мс. Когда головка помещается на нужное расстояние от центра, выжидается некоторое количество времени (оно называется временем ожидания сектора), пока нужный сектор не оказывается иод головкой. Большинство дисков вращаются со скоростью 5400, 7200 или 10000 оборотов в минуту.
С диском связан так называемый контроллер — микросхема, которая управляет диском. Некоторые контроллеры содержат целый процессор. В задачи контроллера входит получение от программного обеспечения таких команд, как READ , WRITE и FORMA T (то есть запись всех преамбул), управление перемещением рычага, обнаружение и исправление ошибок, преобразование 8-битных байтов, считываемых из памяти, в непрерывный поток битов и наоборот. Некоторые контроллеры производят буферизацию совокупности секторов и кэширование секторов для дальнейшего потенциального использования, а также устраняют поврежденные секторы.
Дискеты
Дискеты обладают теми же общими характеристиками, что и диски, которые мы только что рассматривали, с тем лишь различием, что головки жестких дисков перемещаются над поверхностью диска на воздушной подушке, а у дискет головки касаются поверхности. В результате и сами дискеты, и головки очень быстро изнашиваются. Поэтому когда не происходит считывание и запись информации, головки убираются с поверхности, а компьютер останавливает вращение диска. Это позволяет продлить срок службы дискет. Но при этом, если поступает команда считывания или записи, происходит небольшая задержка (примерно полсекунды) перед тем, как мотор начнет работать.
Диски IDE
Диски современных персональных компьютеров развились из диска машины IBM PC XT. Контроллер мог управлять двумя дисками. Операционная система считывала с диска и записывала на диск информацию. Для этого она передавала параметры в регистры процессора и вызывала систему BIOS (Basic Input Output System — базовую систему ввода-вывода), расположенную во встроенном ПЗУ. Система BIOS запрашивала машинные команды для загрузки регистров контроллера, которые начинали передачу данных.
Сначала контроллер помещался на отдельной плате, а позже, начиная с IDE-дисков (Integrated Drive Electronics — устройство со встроенным контроллером), которые появились в середине 80-х годов, стал встраиваться в материнскую плату. Однако соглашения о вызовах системы BIOS не изменялись, поскольку необходимо было обеспечить совместимость с более старыми версиями. Обращение к секторам производилось по номерам головки, цилиндра и сектора, причем головки и цилиндры нумеровались с 0, а секторы — с 1. Вероятно, такая ситуация сложилась из-за ошибки одного из программистов BIOS
В конце концов на смену IDE дискам пришли EIDE-диски (Extended IDE — усовершенствованные IDE), поддерживающие дополнительную схему адресации LBA (Logical Block Adressing), которая просто нумерует секторы от 0 до 224 -1. Контроллер должен переделывать адреса LBA в адреса головки, сектора и цилиндра, но зато объем диска превышает 528 Мбайт. EIDE диски и контроллеры также имеют другие усовершенствования. Например, они способны контролировать 4 диска вместо двух, у них более высокая скорость передачи данных, и они могут управлять приводом для чтения CD-ROM.
Диски SCSI
SCSI-диски не отличаются от IDE-дисков с точки зрения расположения цилиндров, дорожек и секторов, но они имеют другой интерфейс и более высокую скорость передачи данных, SCSI-диски восходят к изобретателю дискеты Говарду Шугарту (Hovard Shugart). В 1979 году его компания выпустила диск SASI (Shugart Associates System Interface). В 1986 году Институт американских государственных стандартов после длительных обсуждений внес некоторые преобразования в этот диск и изменил его название на SCSI (Small Computer System Interface — интерфейс малых вычислительных систем).
SCSI — это не просто интерфейс жесткого диска. Это шина, к которой могут подсоединяться контроллер SCSI и до семи дополнительных устройств. Ими могут быть один или несколько жестких дисков SCSI, компакт-диски, устройства для записи компакт-дисков, сканеры, накопители на магнитной ленте и другие периферийные устройства. Каждое устройство имеет свой идентификационный код от О до 7 (до 15 для 16-битных версий). У каждого устройства есть два разъема: один — входной, другой — выходной. Кабели соединяют выходной разъем одного устройства с входным разъемом следующего устройства и т. д. Это похоже на соединение лампочек в елочной гирлянде. Последнее устройство в цепи должно завершать цепь, чтобы отражения от концов шины не искажали другие данные в шине. Обычно контроллер помещается на встроенной карте и является первым звеном цепи, хотя это не обязательно.
RAID-массивы
В 1988 году Паттерсон, Гибсон и Кате в своей статье предложили 6 разных типов организации дисков, которые могли использоваться для увеличения производительности, надежности или того и другого. Эти идеи были сразу заимствованы производителями компьютеров, что привело к появлению нового класса устройств ввода-вывода под названием RAID. Паттерсон, Гибсон и Кате определили RAID как Redundunt Array of Inexpensive Disks — «избыточный массив недорогих дисков», но позже буква I в аббревиатуре стала заменять слово Independent (независимый) вместо изначального слова Inexpensive (недорогой). RAID-массиву противопоставлялся SLED (Single Large Expensive Disk — «один большой дорогостоящий диск»).
Основная идея RAID состоит в следующем Рядом с компьютером (обычно большим сервером) устанавливается бокс с дисками, контроллер диска замещается RAID-контроллером, данные копируются на RAID-массив, а затем производятся обычные действия. Иными словами, операционная система воспринимает RAID как SLED, при этом у RAID-массива выше производительность и надежность. Таким образом, чтобы использовать RAID-массив, не требуется никаких изменений в программном обеспечении, что очень выгодно для многих системных администраторов.
Системы RAID имеют несколько преимуществ. Во-первых, как мы уже сказали, программное обеспечение воспринимает RAID как один большой диск. Во-вторых, данные на всех RAID распределены по дискам таким образом, чтобы можно было осуществлять параллельные операции. Несколько различных способов распределения данных были предложены Паттерсоном, Гибсоном и Катсом. Сейчас они известны как RAID-массив нулевого уровня, RAID-массив первого уровня и до RAID-массива пятого уровня. Кроме того, существует еще несколько уровней, которые мы не будем обсуждать.
RAID-массив нулевого уровня показан на рис 2 18, а Он представляет собой виртуальный диск, разделенный на полосы, зоны (strips) no k секторов каждая. RAID-массив нулевого уровня последовательно записывает полосы по кругу, как показано на рис 2 18, а На этом рисунке изображен RAID-массив с 4 дисками. Такое распределение данных по нескольким дискам называется разметкой (striping).
RAID-массив нулевого уровня лучше всего работает с большими запросами, чем больше запрос, тем лучше. Если полосок в запросе больше, чем дисков в RAID-массиве, то некоторые диски получают по несколько запросов, и как только такой диск завершает выполнение первого запроса, он приступает к следующему. Задача контроллера состоит в том, чтобы разделить запрос должным образом, послать нужные команды соответствующим дискам в правильной последовательности, а затем правильно записать результаты в память. Производительность при таком подходе очень высокая, и осуществить его несложно.
RAID-массив нулевого уровня хуже всего работает с операционными системами, которые время от времени запрашивают данные по одному сектору за раз. В этом случае результаты будут, конечно, правильными, но не будет никакого параллелизма и, следовательно, никакого выигрыша в производительности. Другой недостаток такой структуры состоит в том, что надежность у нее потенциально ниже, чем у SLED. Рассмотрим RAID-массив, состоящий из четырех дисков, на каждом из которых могут происходить сбои в среднем каждые 20 000 часов. Сбои в таком RAID-массиве будут случаться примерно через каждые 5000 часов, при этом все данные могут быть утеряны.
Рис. 2.18. RAID-массивы с нулевого по пятый уровни.
Следующая разновидность — RAID-массив первого уровня. Он показан на рис. 2.18, б и, в отличие от RAID-массива нулевого уровня, является настоящим RAID-массивом. Он дублирует все диски, таким образом получается 4 изначальных диска и 4 резервные копии. При записи информации каждая полоса записывается дважды. При считывании может использоваться любая из двух копий, при этом одновременно может происходить загрузка информации с большего количества дисков, чем у RAID-массива нулевого уровня. Следовательно, производительность при записи будет такая же, как у обычного диска, а при считывании — гораздо выше (максимум в два раза). Отказоустойчивость отличная: если происходит сбой на диске, вместо него используется копия.
В отличие от нулевого и первого уровней, которые работают с полосами секторов, RAID-массив второго уровня имеет дело со словами, а иногда даже с байтами. Представим, что каждый байт виртуального диска разбивается на два кусочка по 4 бита, затем к каждому из них добавляется код Хэмминга, и таким образом получается слово из 7 битов, у которого 1,2 и 4 — биты четности. Затем представим, что 7 дисков, изображенные на рис. 2.18, в, были синхронизированы по позиции рычага и позиции вращения. Тогда было бы возможно записать слово из 7 битов с кодом Хэмминга на 7 дисков, по 1 биту на диск. При утрате одного из дисков проблем также не возникало, поскольку потеря одного диска означала потерю одного бита, а с этим код Хэмминга справлялся моментально.
С другой стороны, эта схема требует, чтобы все диски были синхронизированы по вращению. Кроме того, она имеет смысл, только если имеется достаточно большое количество дисков (даже при наличии 32 дисков для данных и 6 дисков для битов четности накладные расходы составляют 19 процентов). К тому же требуется большая работа контроллера, поскольку он должен вычислять контрольную сумму кода Хэмминга каждый раз при передаче бита.
RAID-массив третьего уровня представляет собой упрощенную версию RAID-массива второго уровня. Он изображен на рис. 2.18, г. Здесь для каждого слова данных вычисляется 1 бит четности и записывается на диск четности. Как и в RAID-массиве второго уровня, диски должны быть точно синхронизированы, поскольку каждое слово данных распределено на несколько дисков.
RAID-массиавы четвертого и пятого уровней опять работают с полосами, а не со словами с битами четности, и не требуют синхронизации дисков. RAID-массив четвертого уровня (см. рис. 2.18, д) устроен так же, как RAID-массив нулевого уровня, с тем различием, что у RAID-массива четвертого уровня имеется дополнительный диск, на который записываются полосы четности. Например, пусть каждая полоса состоит из к байтов. Все полосы должны находиться в отношении «исключающего ИЛИ», и полоса четности для проверки этого отношения также должна состоять из к байтов. Если происходит сбой на диске, утраченные байты могут бытьвычислены заново при использовании информации с диска четности
Такая разработка предохраняет от потерь на диске, но обладает очень низкой производительностью в случае небольших исправлений. Если изменяется 1 сектор, необходимо считывать информацию со всех дисков, для того чтобы опять вычислить четность, которая должна быть записана заново. Вместо этого можно считать с диска прежние данные и прежнюю четность и из них вычислить новую четность. Но даже с такой оптимизацией процесса при наличии небольших исправлений требуется произвести два считывания и две записи.
Такие трудности при загрузке на диск четности могут быть препятствием высокой производительности. Эта проблема устраняется в RAID-массиве пятого уровня, в котором биты четности распределяются равномерно по всем дискам и записываются по кругу, как показано на рис. 2.18, е. Однако в случае сбоя на диске восстановить содержание утраченного диска достаточно сложно, хотя и возможно.
Компакт-диски
Первые оптические диски были изобретены голландской корпорацией Philips для хранения кинофильмов. Они имели 30 см в диаметре, выпускались под маркой LaserVision, но нигде, кроме Японии, не пользовались популярностью.
В 1980 году корпорация Philips вместе с Sony разработала CD (Compact Disc — компакт-диск), который быстро вытеснил виниловые диски, использовавшиеся для музыкальных записей. Описание технических деталей компакт-диска было опубликовано в официальном Международном Стандарте (IS 10149), который часто называют Красной книгой (по цвету обложки).
Компакт-диск изготавливается с использованием очень мощного инфракрасного лазера, который выжигает отверстия диаметром 0,8 микрон в специальном стеклянном контрольном диске. По этому контрольному диску делается шаблон с выступами в тех местах, где лазер прожег отверстия. В шаблон вводится жидкая смола (поликарбонат), и таким образом получается компакт-диск с тем же набором отверстий, что и в стеклянном диске. На смолу наносится очень тонкий слой алюминия, который в свою очередь покрывается защитным лаком. После этого наклеивается этикетка. Углубления в нижнем слое смолы в английском языке называются термином «впадина» (pit), а ровные пространства между впадинами называются термином «площадка»- (land).
Во время воспроизведения лазерный диод небольшой мощности светит инфракрасным светом с длиной волны 0,78 микрон на сменяющиеся впадины и площадки. Лазер находится на той стороне диска, где слой смолы, поэюму впадины для лазера оказываются выступами на ровной поверхности. Так как впадины имеют высоту в четверть длины волны света лазера, длина волны света, отраженного от впадины, составляет половину длины волны света, отраженного от окружающей выступ ровной поверхности. В результате, если свет отражается от выступа, фотодетектор проигрывателя получает меньше света, чем при отражении от площадки. Именно таким образом проигрыватель отличает впадину от площадки. Хотя, казалось бы, проще всего использовать впадину для записи 0, а площадку для записи 1, более надежно использовать переход впадина/площадка или площадка/впадина для 1 и его отсутствие для 0.
Впадины и площадки записываются по спирали. Чтобы музыка звучала нормально, впадины и площадки должны сменяться с постоянной линейной скоростью. Следовательно, скорость вращения компактдиска должна постепенно снижаться по мере продвижения считывающей головки от центра диска к внешнему краю. Когда головка находится на внутренней стороне диска, скорость вращения составляет 530 оборотов в минуту, чтобы достичь желаемой скорости 120 см/с. Когда головка находится на внешней стороне диска, скорость вращения падает до 200 оборотов в минуту, чтобы обеспечить такую же линейную скорость. Диск с постоянной линейной скоростью отличается от магнитного диска, который работает с постоянной угловой скоростью, независимо от того, где находится головка в настоящий момент.
В 1984 году Philips и Sony начали использовать компакт-диски для хранения компьютерных данных. Они опубликовали Желтую книгу, в которой определили точный стандарт того, что они назвали CD-ROM (Compact Disc - Read Only Memory — компакт-диск — постоянное запоминающее устройство). Чтобы влиться в широко развернувшийся к тому времени рынок аудио-компакт-дисков, компьютерные компакт-диски должны были быть такого же размера, как аудио-диски, механически и оптически совместимыми с ними и производиться по той же технологии. Вследствие такого решения потребовались моторы, работающие с низкой скоростью и способные менять скорость.
В Желтой книге определено форматирование компьютерных данных. В ней также описаны усовершенствованные приемы исправления ошибок, что является существенным шагом, поскольку компьютерщики, в отличие от любителей музыки, придают очень большое значение ошибкам в битах. Разметка компакт-диска состоит в кодировании каждого байта 14-битным символом. Как мы видели выше, 14 битов достаточно для того, чтобы закодировать кодом Хэмминга 8-битный байт, при этом останется два лишних бита.
У компьютерных компакт-дисков каждые 98 фреймов группируются в сектор. Каждый сектор начинается с преамбулы из 16 байтов, первые 12 из которых- O0FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFO0 (в шестнадцатеричной системе), что дает возможность проигрывателю определять начало сектора. Следующие 3 байта содержат номер сектора, который необходим, поскольку поиск на компакт-диске, на котором данные записаны по спирали, гораздо сложнее, чем на магнитном диске, где данные записаны на концентрических дорожках. Чтобы найти определенный сектор, программное обеспечение подсчитывает, куда приблизительно нужно направляться; туда помещается считывающая головка, а затем начинается поиск преамбулы, чтобы установить, насколько верен был подсчет. Последний байт преамбулы определяет тип диска.
В 1986 году корпорация Philips опубликовала Зеленую книгу, добавив графику и возможность помещать аудио-, видео- и обычные данные в одном секторе, что было необходимо для мультимедийных компакт-дисков.
Последняя проблема, которую нужно было разрешить при разработке компакт дисков, — совместимость файловой системы. Чтобы можно было использовать один и тот же компакт-диск на разных компьютерах, необходимо было соглашение по поводу файловой системы компакт-дисков.
Чтобы выпустить такое соглашение, представители разных компьютерных компаний встретились на озере Тахо в Хай Сьерраз (the High Sierras) на границе Калифорнии и Невады и разработали файловую систему, которую они назвали High Sierra. Позднее эта система превратилась в Международный Стандарт (IS 9660)
CD-R
Вначале оборудование, необходимое для изготовления контрольных компакт-дисков (как аудио-, так и компьютерных), было очень дорогим Но, как это обычно происходит в компьютерной промышленности, ничего не остается дорогим долгое время. Кроме того, отдельные лица и начинающие компании могли выпускать свои собственные компакт-диски небольшими партиями или производить контрольные диски и отправлять их на крупные коммерческие предприятия, занимающиеся изготовлением копий. Такие диски называются CD-R (CD-Recordable).
Ни один новый вид компакт-дисков не обходился без публикации параметров в книге определенного цвета. В случае с CD-R это была Оранжевая книга, вышедшая в 1989 году. Этот документ определяет диск CD-R, а также новый формат, CD-ROM XA, который позволяет записывать информацию на CD-R постепенно: несколько секторов сегодня, несколько секторов завтра, несколько секторов через месяц. Группа последовательных секторов, записываемых за 1 раз, называется дорожкой компакт-диска.
Однако с появлением такого типа записи возникла новая проблема. До появления Оранжевой книги у всех компакт-дисков был единый VTOC (Volume Table of Contents — оглавление диска). При такой системе дозаписывать диск было невозможно. Решением данной проблемы стало предложение давать для каждой дорожки компакт-диска отдельный VTOC. В список файлов VTOC могут включаться все файлы из предыдущих дорожек или некоторые из них. После того как диск CD-R вставлен в считывающее устройство, операционная система начинает искать среди дорожек самый последний VTOC, который выдает текущее состояние диска. Если в текущий VTOC включить только некоторые, а не все файлы из предыдущих дорожек, может создаться впечатление, что файлы были удалены. Дорожки можно группировать в сессии. В этом случае мы говорим о многосессионных компакт-дисках. Стандартные аудио-проигрыватели не могут работать с многосекционными компакт-дисками, поскольку они ожидают единый VTOC в начале диска.
CD-RW
Хотя люди и привыкли к таким носителям информации, которые нельзя перезаписывать (такими носителями являются, например, бумага или фотопленка), все равно существует спрос на перезаписываемые компакт-диски. В настоящее время появилась технология CD-RW (CD-Rewritable — перезаписываемый компакт-диск). При этом используется носитель такого же размера, как и CD-R. Однако вместо красителя (цианина или пталоцианина) при производстве CD-RW используется сплав серебра, индия, сурьмы и теллура для записывающего слоя. Этот сплав имеет два состояния: кристаллическое и аморфное, которые обладают разной отражательной способностью.
Устройства для записи компакт-дисков снабжены лазером с тремя вариантами мощности. При самой высокой мощности лазер расплавляет сплав, переводя его из кристаллического состояния с высокой отражательной способностью в аморфное состояние с низкой отражательной способностью, так получается впадина. При средней мощности сплав расплавляется и возвращается обратно в естественное кристаллическое состояние, при этом впадина превращается снова в площадку. При низкой мощности лазер определяет состояние материала (для считывания информации), никакого перехода состояний при этом не происходит.
DVD
Основной формат компакт-дисков использовался с 1980 года. С тех пор технологии продвинулись вперед, поэтому оптические диски с высокой емкостью сейчас вполне доступны по цене и пользуются большим спросом.
Развитие технологий и спроса на продукцию трех чрезвычайно богатых и мощных индустрии привело к появлению DVD (изначально сокращение от Digital Video Disk — цифровой видеодиск, а сейчас официально Digital Versatile Disk — цифровой универсальный диск). Диски DVD в целом похожи на компакт-диски. Как и обычные компакт-диски, они имеют 120 мм в диаметре, создаются на основе поликарбоната и содержат впадины и площадки, которые освеща ются лазерным диодом и считываются фотодетектором. Однако существует несколько различий:
Также было разработано 4 различных формата, различающихся по объему:
Еще одна особенность, которая, вероятно, никогда не пришла бы в голову разработчикам компьютерных технологий, — намеренная несовместимость дисков для Соединенных Штатов и для европейских стран и другие стандарты для других континентов. Голливуд ввел такую систему, потому что новые фильмы всегда сначала выпускаются на экраны в Соединенных Штатах и только после появления видеокассет отправляются в Европу. Это делается для того, чтобы европейские магазины видеопродукции не могли покупать видеозаписи в Америке слишком рано.
Процесс ввода-вывода
Шины
Обычное устройство представляет собой металлический корпус с большой интегральной схемой на дне, которая называется материнской платой. Материнская плата содержит микросхему процессора, несколько разъемов для модулей DIMM и различные микросхемы поддержки Она также содержит шину, протянутую вдоль нее, и несколько разъемов для подсоединения плат устройств ввода-вывода. Иногда может быть две шины одна с высокой скоростью передачи данных (для современных плат устройств ввода-вывода), а другая с низкой скоростью передачи данных (для старых плат устройств в вода-вывода).
Логическая структура обычного персонального компьютера показана на рис. 2.24. У данного компьютера имеется одна шина для соединения центрального процессора, памяти и устройств ввода-вывода, однако большинство систем содержат две и более шин. Каждое устройство ввода-вывода состоит из двух частей: одна из нихсодержит большую часть электроники и называется контроллером, а другая представляет собой само устройство ввода-вывода, например дисковод. Контроллер обычно содержится на плате, которая втыкается в свободный разъем. Исключение представляют контроллеры, являющиеся обязательными (например, клавиатура), которые иногда располагаются на материнской плате.
Рис. 2.24. Логическая структура обычного персонального компьютера
Контроллер управляет своим устройством ввода-вывода и регулирует доступ к шине для этого. Если контроллер считывает данные из памяти или записывает их в память без участия центрального процессора, то говорят, что осуществляется прямой доступ к памяти (Direct Memory Access, сокращенно DMA). Когда передача данных заканчивается, контроллер вызывает прерывание, вынуждая центральный процессор приостановить работу текущей программы и начать выполнение особой процедуры. Эта процедура называется программой обработки прерывания и нужна, чтобы проверить ошибки, произвести необходимые действия в случае их обнаружения и сообщить операционной системе, что процесс ввода-вывода завершен.
Шина используется не только контроллерами ввода-вывода, но и процессором для передачи команд и данных. А что происходит, если процессор и контроллер ввода-вывода хотят получить доступ к шине одновременно? В этом случае особая микросхема, которая называется арбитром шины, решает, чья очередь первая. Обычно предпочтение отдается устройствам ввода-вывода, поскольку работу дисков и других движущихся устройств нельзя прерывать, так как это может привести к потере данных. Если какое-нибудь устройство ввода-вывода находится в действии, оно будет запрашивать доступ к шине и получать его каждый раз, когда ему это необходимо. Такой процесс называется занятием цикла памяти и замедляет работу компьютера.
Одним из первых вариантов шины была шина ISA (Industry Standard Architecture — стандартная промышленная архитектура). Несмотря на то, что из-за влияния рынка никаких изменений не произошло, старая шина работала слишком медленно, поэтому что-то нужно было предпринять. Данная ситуация привела к тому, что другие компании начали производить компьютеры с несколькими шинами, одна из которых была старой шиной ISA или EISA (Extended ISA — расширенная архитектура промышленного стандарта). EISA — последователь ISA, совместимый со старыми версиями. В настоящее время одними из самых популярных из них являются шины PCI (Peripheral Component Interconnect — взаимодействие периферийных компонентов) и PCI-E. Они были разработана компанией Intel, при этом было решено сделать все патенты всеобщим достоянием, чтобы вся компьютерная промышленность могла перенять эту идею.
Клавиатуры
Существует несколько видов клавиатур. У первых компьютеров IBM PC под каждой клавишей находился переключатель, который давал ощутимую отдачу и щелкал при нажатии клавиши. Сегодня у самых дешевых клавиатур при нажатии клавиш происходит лишь механический контакт с печатной платой. У клавиатур получше между клавишами и печатной платой кладется слой из эластичного материала (особого типа резины). Под каждой клавишей находится небольшой купол, который прогибается в случае нажатия клавиши. Проводящий материал, находящийся внутри купола, замыкает схему.
В персональных компьютерах при нажатии клавиши происходит процедура прерывания и запускается программа обработки прерывания (эта программа является частью операционной системы). Программа обработки прерывания считывает регистр аппаратного обеспечения в контроллер клавиатуры, чтобы получить номер клавиши, которая была нажата (от 1 до 102). Когда клавишу отпускают, происходит второе прерывание. Так, если пользователь нажимает клавишу SHIFT ,затем нажимает и отпускает клавишу «М», а затем отпускает клавишу SHIFT, операционная система понимает, что ему нужна заглавная, а не строчная буква «М». Обработка совокупности клавиш SHIFT, CTR L и AL T совершается только программ-ным обеспечением (сюда же относится известное сочетание клавиш CTRL-ALT-DEL).
Мыши
Существует три типа мышей: механические, оптические и оптомеханические.
У мышей первого типа снизу торчат резиновые колесики, оси которых расположены перпендикулярно друг к другу. Если мышь передвигается в вертикальном направлении, то вращается одно колесо, а если в горизонтальном, то другое. Каждое колесико приводит в действие резистор (потенциометр). Если измерить изменения сопротивления, можно узнать, на сколько провернулось колесико, и таким образом вычислить, на какое расстояние передвинулась мышь в каждом направлении.
Следующий тип — оптическая мышь. У нее нет ни колес, ни шарика. Вместо этого используются светодиод и фотодетектор, расположенный в нижней части мыши. Оптическая мышь перемещается по поверхности, которая не является абсолютно гладкой и представляет собой некое подобие решетки. Когда мышь двигается по решетке, фотодетектор воспринимает пересечения линий, наблюдая изменения в количестве света, отражаемого от светодиода. Электронное устройство внутри мыши подсчитывает количество пересеченных линий в каждом направлении.
Третий тип — оптомеханическая мышь. У нее, как и у более современной механической мыши, есть шарик, который вращает два вывода, расположенных перпендикулярно друг к другу. Выводы связаны с кодировщиками. В каждом кодировщике имеются прорези, через которые проходит свет. Когда мышь двигается, выводы вращаются и световые импульсы воздействуют на детекторы каждый раз, когда между светодиодом и детектором появляется прорезь. Число воспринятых детектором импульсов пропорционально количеству перемещения.
Мониторы с электронно-лучевой трубкой
Монитор представляет собой коробку, содержащую электронно-лучевую трубку и ее источники питания. Электронно-лучевая трубка включает в себя электронную пушку, которая выстреливает пучок электронов на фосфоресцентный экран в передней части трубки, как показано на рис. 2.26, а. (Цветные мониторы содержат три электронные пушки: одну для красного, вторую для зеленого и третью для синего цвета.) При горизонтальной развертке пучок электронов (луч) развертывается по экрану примерно за 50 мкс, образуя почти горизонтальную полосу на экране. Затем луч совершает горизонтальный обратный ход к левому краю, чтобы начать следующую развертку. Устройство, которое так, линия за линией, создает изображение, называется устройством растровой развертки.
Горизонтальная развертка контролируется линейно возрастающим напряжением, которое воздействует на пластины горизонтального отклонения, расположенные слева и справа от электронной пушки. Вертикальная развертка контролируется более медленно возрастающим напряжением, которое воздействует на пластины вертикального отклонения, расположенные под и над электронной пушкой. После определенного количества разверток (от 400 до 1000) напряжение на пластинах вертикального и горизонтального отклонения спадает, и луч возвращается в верхний левый угол экрана. Полное изображение возобновляется от 60 до 150 раз в секунду. Движения луча показаны на рис. 2.26, 6. Хотя мы описали работу электронно-лучевых трубок, в которых для развертки луча по экрану используются электрические поля, во многих моделях вместо электрических используются магнитные поля (особенно в дорогостоящих мониторах).
Рис. 2.26. Поперечное сечение электронно-лучевой трубки (а); схема развертки электронно-лучевой трубки (б)
Для получения на экране изображения из точек внутри электронно-лучевой трубки находится сетка. Когда на сетку воздействует положительное напряжение, электроны возбуждаются, луч направляется на экран, который через некоторое время начинает светиться.
Жидкокристаллические мониторы
Электронно-лучевые трубки слишком громоздкие и тяжелые для использования в портативных компьютерах, поэтому для таких экранов необходима совершенно другая технология. В таких случаях чаще всего используются жидкокристаллические дисплеи. Эта технология чрезвычайно сложна, имеет несколько вариантов воплощения и быстро меняется.
Жидкие кристаллы представляют собой вязкие органические молекулы, которые двигаются, как молекулы жидкостей, но при этом имеют структуру, как у кристалла. Когда молекулы расположены в одну линию, оптические качества кристалла зависят от направления и поляризации воздействующего света. При использовании электрического поля линия молекул, а следовательно, и оптические свойства могут изменяться. Если воздействовать лучом света на жидкий кристалл, интенсивность света, исходящего из самого жидкого кристалла, может контролироваться с помощью электричества. Это свойство используется при создании индикаторных дисплеев.
Экран жидкокристаллического дисплея состоит из двух стеклянных параллельно расположенных пластин, между которыми находится герметичное пространство с жидким кристаллом. К обеим пластинам подсоединяются прозрачные электроды. Искусственный или естественный свет за задней пластиной освещает экран изнутри. Электроды, подведенные к пластинам, используются для того, чтобы создать электрические поля в жидком кристалле. На различные части экрана воздействует разное напряжение, и таким образом можно контролировать изображение. К передней и задней пластинам экрана приклеиваются поляроиды, поскольку технология дисплея требует использования поляризованного света. Общая структура показана на рис. 2.27, а.
В настоящее время используются различные типы жидкокристаллических дисплеев, но мы рассмотрим только один из них — дисплей со скрученным нематиком. В этом дисплее на задней пластине находятся крошечные горизонтальные желобки, а на передней — крошечные вертикальные желобки, как показано на рис. 2.27, б. При отсутствии электрического поля молекулы направляются к этим желобкам. Так как они (желобки) расположены перпендикулярно друг к другу, молекулы жидкого кристалла оказываются скрученными на 90°.
Рис. 2.27. Структура экрана на жидких кристаллах (а); желобки на передней и задней пластинах, расположенные перпендикулярно друг к другу (б)
Для подачи напряжения обычно используются два подхода. В дешевом пассивном матричном индикаторе оба электрода содержат параллельные провода. Например, на дисплее размером 640x480 электрод задней пластины содержит 640 вертикальных проводов, а электрод передней пластины — 480 горизонтальных проводов. Если подавать напряжение на один из вертикальных проводов, а затем посылать импульсы на один из горизонтальных, можно изменить напряжение в определенной позиции пиксела и, таким образом, сделать нужную точку темной.
Второй подход — применение активного матричного индикатора. Он стоит гораздо дороже, чем пассивный матричный индикатор, но зато дает изображение лучшего качества, что является большим преимуществом. Вместо двух наборов перпендикулярно расположенных проводов у активного матричного индикатора имеется крошечный элемент переключения в каждой позиции пиксела на одном из электродов. Меняя состояние переключателей, можно создавать на экране произвольную комбинацию напряжений в зависимости от комбинации битов.
До сих пор мы описывали, как работают монохромные мониторы. Достаточно сказать, что цветные мониторы работают на основе тех же общих принципов, что и монохромные, но детали гораздо сложнее. Чтобы разделить белый цвет на красный, зеленый и синий, в каждой позиции пиксела используются оптические фильтры, поэтому эти цвета могут отображаться независимо друг от друга. Из сочетания этих трех основных цветов можно получить любой цвет.