close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

2718.Аппаратные средства вычислительной техники

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Книга 2
Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов
Российской Федерации по образованию в области
историко-архивоведения в качестве учебника
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по специальностям
090103 «Организация и технология защиты информации»
и 090104 «Комплексная защита объектов информатизации»
Орел 2009
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 004.3 (075)
ББК 32.973 – 018.2я7
А76
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор учебно-научного комплекса
«Автоматизированные системы и информационные технологии»
Академии Государственной противопожарной службы МЧС России
Н.Г. Топольский,
доктор физико-математических наук, декан факультета «Компьютерные
системы и информационные технологии» Российского нового университета
А.С. Крюковский
А76
Аппаратные средства вычислительной техники. Книга 2:
учебник для вузов / В.А. Минаев, А.П. Фисун, В.А. Зернов, В.Т.
Еременко, И.С. Константинов, А.В. Коськин, Ю.А. Белевская,
С.В. Дворянкин; под общей научной редакцией В.А. Минаева,
В.А. Зернова, А.П. Фисуна. – Орел: ОрелГТУ, ОГУ, 2009. – 151 с.
ISBN 978-5-93932-313-0
Системно изложены фундаментальные знания по современным
про-цедурам обработки информации и основные принципы построения вычислительных средств и систем. Впервые раскрыты основы
построения
и перспективы развития аппаратных средств вычислительной техники во взаимосвязи с направлениями развития элементной базы вычислительной техники на основе внедрения нанотехнологий.
Учебник предназначен для студентов, обучающихся по специальностям 090104 «Комплексная защита объектов информатизации»,
090103 «Организация и технология защиты информации» и аспирантов, изучающих дисциплины «Аппаратные средства вычислительной
техники» и «Вычислительная техника и программирование». Может
быть использован студентами и аспирантами, изучающими автоматизированные системы обработки информации и управления, информационные телекоммуникационные системы и обеспечение их информационной безопасности, а также будет полезен преподавателям и
специалистам этих систем.
УДК 004.3 (075)
БББК 32.973 – 018.2я7
 ОрелГТУ, 2009
 ОГУ, 2009
ISBN 978-5-93932-313-0
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СОДЕРЖАНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
5
6
9
ПРЕДИСЛОВИЕ
ВВЕДЕНИЕ
РАЗДЕЛ 4
ВНУТРЕННЯЯ КОММУНИКАЦИОННАЯ СИСТЕМА
И СИСТЕМА ВВОДА-ВЫВОДА ЭВМ
11
Глава 14. ВНУТРЕННЯЯ КОММУНИКАЦИОННАЯ
СИСТЕМА ЭВМ
14.1. Основные понятия
14.2. Стандартный интерфейс
14.3. Классификация интерфейсов
14.4. Функциональная организация интерфейсов
14.4.1. Арбитраж информационного канала
14.4.2. Синхронизация обмена информацией
14.4.3. Координация взаимодействия
14.4.4. Обмен и преобразование формы представления информации
14.5. Система шин
14.6. Иерархия шин
14.6.1. ЭВМ с одним видом шин
14.6.2. ЭВМ с двумя видами шин
14.6.3. ЭВМ с тремя видами шин
14.6.4. Микросхемы системной логики современных ЭВМ
14.7. Реализация стандартных шин и интерфейсов
Глава 15. СИСТЕМА ВВОДА-ВЫВОДА
15.1. Классификация систем ввода-вывода
15.2. Модули ввода-вывода
15.3. Методы управления вводом-выводом
15.3.1. Система прерываний (синхронный метод обмена)
15.4. Конструктивное исполнение модулей
ввода-вывода
15.5. Внешние устройства
15.5.1. Устройства ввода
3
11
11
13
15
17
17
22
24
25
25
27
28
29
29
30
37
47
47
48
50
51
53
56
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
15.5.2. Системы и устройства вывода
Контрольные вопросы
74
100
РАЗДЕЛ 5
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ АППАРАТНЫХ
СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Глава 16 НАНОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕМЕНТЫ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
16.1. Основные понятия, содержание, особенности
и перспективы использования нанотехнологий
в информационной сфере
16.2. Использование нанотехнологий в решении
проблем записи и хранения информации
16.3. Управление доменной структурой вещества
с помощью электрического поля
16.4. Управление структурами вещества
на основе «квантовой точки»
16.5. Электронные наноэлементы
и наноустройства
16.5.1. Одноэлектронные транзисторы
16.5.2. Наностекла для запоминающих устройств
16.5.3. Одноэлектронные запоминающие устройства
16.5.4. Биодатчики и информационные терминалы
16.6. Практические достижения в области
нанотехнологий
16.6.1. Наносеть
16.6.2. Гибкая электроника и чип с интегрированными
наносенсорами
16.6.3. Самособирающиеся источники электропитания
16.6.4. Энергонезависимое нанозапоминающее устройство (нанопамять)
16.6.5. Молекулярный компьютер
16.6.6. Нанотелефон
Контрольные вопросы
Литература
4
105
105
105
107
112
116
117
117
119
121
122
125
125
127
130
131
132
133
135
138
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
АВМ
АЛУ
АРМ
БИС
ВЗУ
ВМ
ВС
ГВМ
ЕС ЭВМ
ИЗУ
КПК
МВВ
МПП
НГМД
НЖМД
НМД
НМЛ
ОЗУ
ОП
ОС
ПЗУ
ПК
ППО
ПФУ
ПЭВМ
Рег
РК
СБИС
СК
СМ
СП
УВВ
УУ
ЦП
ША
ШД
ШП
ШУ
ЭВМ
ЯВУ
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
аналоговая вычислительная машина
арифметическое и логическое устройство
автоматизированное рабочее место
большая интегральная схема
внешнее запоминающее устройство
вычислительная машина
вычислительная система
гибридная вычислительная машина
единая система электронных вычислительных машин
иерархия запоминающих устройств
карманный персональный компьютер
модуль ввода-вывода
микропроцессорная память
накопитель на гибком магнитном диске
накопитель на жестком магнитном диске
накопитель на магнитном диске
накопитель на магнитной ленте
оперативное запоминающее устройство
оперативная память
операционная система
постоянное запоминающее устройство
персональный компьютер
прикладное программное обеспечение
периферийное устройство
персональная электронная вычислительная машина
регистр
регистр команд
сверхбольшая интегральная схема
счетчик команд
системная магистраль
системная плата
устройство ввода-вывода
устройство управления
центральный процессор
шина адреса
шина данных
шина питания
шина управления
электронная вычислительная машина
язык высокого уровня
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебник разработан в рамках программы учебной дисциплины
«Аппаратные средства вычислительной техники» действующего государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования 090104 – «Комплексная защита объектов информатизации» и на основе научных, учебных, методических материалов, публикаций известных отечественных и зарубежных ученых и специалистов, приведенных в библиографии, а также на основе научных результатов, практического опыта по подготовке специалистов, прочитанных лекций и разработанных авторами учебных, учебнометодических материалов в области вычислительной техники, информационных систем и обеспечения их информационной безопасности.
Учебник можно использовать также при подготовке студентов
по специальности 090103 – «Организация и технология защиты информации», а также по такой дисциплине, как «Вычислительная техника и программирование», где рассматриваются вопросы по аппаратным средствам вычислительной техники.
Основной целью учебника является представление системных
знаний по аппаратным средствам вычислительной техники, составляющих материальную основу построения современных информационных телекоммуникационных систем и, в целом, объектов информатизации развивающегося информационного общества.
Содержание учебника раскрывает основы построения направления развития современных средств вычислительной техники, являющихся материально-технической основой создания и развития информационных систем различных классов. В целом содержание учебника представляет системное изложение фундаментальных знаний
отечественной и зарубежной науки и практики по современным процедурам обработки информации и основным принципам построения
вычислительных средств и систем, перспективным направлениям развития элементной базы вычислительной техники, в том числе и на основе внедрения нанотехнологий.
Представленный учебник содержит систематизированную, педагогически отобранную и представленную в виде учебного материала научно-практическую информацию по фундаментальным и прикладным вопросам создания аппаратных средств вычислительной
техники и обработки ими информации и характеризуется:
 Углубленной методической систематизацией результатов
существующих научных направлений основ построения вычислительной техники;
 учетом методологических аспектов фундаментальной информатики, тесно связанной с искомой дисциплиной, определяющих
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
характер научного мышления, становления, развития мировоззрения
обучающихся;
 отражением логических причинно-следственных связей
изучаемой дисциплины с другими научными направлениями информационной науки, а также учебными дисциплинами рассматриваемой
специальности;
 структурированностью
изложенного
учебнометодического материала на уровне принципов, методов, моделей, алгоритмов, практических примеров и задач.
Структура книги включает 5 разделов, разбитых на главы,
представляющих минимальные по объему и замкнутые по содержанию модули, включающие теоретический прикладной материал, контрольные и проблемные вопросы, составленные в последовательности, отражающей содержание излагаемого материала главы, и обеспечивающей быстрый поиск соответствующих ответов в тексте главы.
Первый раздел «ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ В ЭВМ
И СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ» знакомит студентов с основами представления информации в ЭВМ. Рассматриваются вопросы кодирования и представления информации в цифровом виде, применения систем счисления для представления информации в ЭВМ. Подробно излагаются основные характеристики и методы перевода чисел системы
счисления, формы представления чисел и выполнение арифметических операций с числами.
Во втором разделе «ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ
ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ» дано систематическое изложение ретроспективы развития средств вычислительной техники четырех поколений, в
том числе и отечественных ЭВМ. Представлен терминологический
базис по ЭВМ, вычислительным машинам и системам, архитектуре,
структуре, узлам и элементам ЭВМ. Рассмотрены основные характеристики ЭВМ, классификация средств вычислительной техники и систем. Изложены базовые функции, основные операции, структурная и
функциональная организации ЭВМ, концепция машины с хранимой в
памяти программой, модель функционирования ЭВМ. Описаны особенности построения и функционирования элементов и узлов ЭВМ, а
также особенности организации ЭВМ различных классов, в том числе
и защищенных ЭВМ, обеспечивающих безопасность обрабатываемой
информации.
Третий раздел учебника – «ПРОЦЕССОРЫ» – посвящен основным понятиям, обобщенной архитектуре и модели функционирования процессора. Дается описание технологии повышения производительности процессора, системы памяти ЭВМ, системам и сетям
хранения данных.
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В четвертом разделе «ВНУТРЕННЯЯ КОММУНИКАЦИОННАЯ СИСТЕМА И СИСТЕМА ВВОДА-ВЫВОДА ЭВМ» излагаются
основные понятия коммуникационных систем ЭВМ, приводятся сведения о стандартном интерфейсе, классификации, функциональной
организации интерфейсов ЭВМ, системе и иерархии шин и их реализации. Описываются классификация, модули системы ввода-вывода
информации в ЭВМ, особенности конструктивного исполнения модулей и устройств ввода-вывода информации в ЭВМ.
Пятый раздел «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ АППАРАТНЫХ
СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ» завершает курс аппаратных средств вычислительной техники и представлен как его заключение. Он содержит сведения об основных понятиях, содержании,
особенностях и перспективах использования нанотехнологий в информационной сфере в целом и в аппаратных средствах вычислительной техники в частности.
Каждая из глав учебника соответствует отдельной теме лекционного курса. Большинство параграфов и глав приближается по своему объему к отдельной лекции, а пункты ряда параграфов содержат
определенный завершающий вопрос. Однако строгой зависимости
здесь нет. Для активизации самоконтроля полученных знаний по каждому разделу предлагаются контрольные и проблемные вопросы, ответы на которые помогут обучаемым систематизировать свои знания.
В ходе изложения вопросов, указанных в оглавлении учебника,
использовались труды как отечественных, так и зарубежных авторов в
искомой области, представленные в библиографии, а также материалы
ранее изданных авторами монографий, учебных изданий, научных
статей. С учетом этого, содержание учебника отражает требования
государственных образовательных стандартов и охватывает теоретические и прикладные вопросы программ обучения в области информационной безопасности объектов информатизации.
Авторы благодарят за участие в совместной работе над учебником: Баранова И.Ю. (введение, п. 2.1– 2.9, 3.1 – 3.2, 4.1 – 4.2), Джевагу К.А. (п. 2.6, 2.8, 3.1, 4.1) Третьякова О.В. (раздел 5), Агаркова
Д.В. (раздел 5), Лобанову В.А. (раздел 5), Фисуна Р.А. (п. 2.1 – 2.3),
Лазарева С.Н. (п. 5.6), И.В. Иванова (глава 9), С.П. Коробовского (глава
8), А.П. Ступина (глава 7), И.Г. Кочергина (глава 10).
Авторский коллектив: Минаев В.А. (предисловие, введение,
главы 1, 2, 8, 11 – 13, 15, 16 ), Фисун А.П. (предисловие, введение,
главы1 – 3, 5, 6, 11 – 13, 15, 16 ), Зернов В.А. (главы 2, 13), Еременко
В.Т. (главы 1, 2, 12 – 16), Константинов И. С. (главы 1, 7, 10 – 16),
Коськин А.В. (главы 1, 2, 9 – 16), Дворянкин С.В. (главы 2, 3, 6, 10,
12 – 15), Белевская Ю. А.(главы 3, 4, 6, 13 – 16).
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
Широкое использование современных вычислительных
средств во всех сферах и видах деятельности общества, личности
и государства характеризуется резким изменением их потребительских свойств, наиболее востребованным среди которых является высокая вычислительная способность. На сегодня эта характеристика
является еще недостаточной для решения перспективных задач, решаемых современным развивающимся информационным обществом.
Тенденция развития современной науки и практики такова, что увеличение производительности вычислительной системы на порядок относительно предыдущей, влечет незамедлительное появление задач и
разработку соответствующих моделей социотехнических систем
и процессов в ряде предметных областей, которые являются в десять
раз более сложными, требуют большей точности решения и обеспечивают эффект более мелкого масштаба.
Так, известно, что в 90-х годах прошлого века потребность
в решении задач составляла объемы вычислений в 1014 – 1015 операций при объеме хранимых данных 1011 – 1012 бит [37]. На современном этапе ежегодные объемы хранимых данных на несколько порядков выше. Например, для поддержки экспериментов в физике высоких
энергий только для одного Большого андронного коллайдера
в Европейской организации ядерных исследований (CERN) предполагается ежегодно в течение 15 – 20 лет собирать данные объемом в несколько петабайт (1015 байт) [10].
Как в физике с зависимостью максимальной энергии от единицы массы вещества (E = mc2), так и для компьютеров были подсчитаны предельные возможности окружающей нас материи по преобразованию информации [39]. Так называемый теоретический предельный
компьютер, в качестве которого рассматривается материя массой 1 кг
в объеме 1 л, обеспечивает 1051 преобразований в секунду при объеме
хранимой информации в 1031 бит. Все вещество нашей Вселенной
в пределах наблюдаемых границ обладает быстродействием 10106 операций в секунду при объеме хранимой информации 1092 бит [41]. Задействовать эту теоретическую вычислительную мощность материи
сегодня не представляется возможным – не имеется даже предпосылок видения того, как может выглядеть вычислительная система подобной мощности и на каких принципах она будет работать. Для
сравнения: в настоящее время усредненная по производительности
современная ЭВМ показывает лишь 109 операций в секунду при объеме памяти в 1012 бит, а суперЭВМ – на три-четыре порядка выше.
Круг задач, для которых требуются ЭВМ, довольно широк – от
бытовых потребностей человека (калькуляторы, телевизоры, микро-
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
волновые печи, холодильники, автомобили и т.п.), до решения следующих вычислительных проблем:
– моделирования климатической системы;
– моделирования ядерного оружия и последствий его применения;
– исследования обтекания летательных аппаратов;
– моделирования новых лекарств;
– исследования генома человека;
– прочностных расчетов в гидро- и электродинамике физики
сплошных сред;
– поиска в больших объемах данных в информационнопоисковых системах;
– криптоанализа для вскрытия криптографических текстов.
С учетом необходимости решения этих и других актуальных
задач развития сфер и видов деятельности человека, идет и развитие
современной электроники и, в целом, новых информационных технологий. Одним из основных направлений этого развития продолжает
оставаться традиционная минимизация размеров составляющих компонентов. Однако сегодня классические методы такого производства
подходят к своему естественному технологическому барьеру. Уменьшение размеров устройств происходит незначительно при экспоненциальном увеличении сложности и объемов решаемых задач и экономических затрат на реализацию. Сегодня преодоление этих недостатков возможно только на пути внедрения нанотехнологий, которые являются одним из важных направлений экономического и социального
развития государств и всего мирового сообщества, а также следующим логическим шагом развития электроники и других наукоёмких
производств.
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
РАЗДЕЛ 4
ВНУТРЕННЯЯ КОММУНИКАЦИОННАЯ
СИСТЕМА И СИСТЕМА
ВВОДА-ВЫВОДА ЭВМ
ГЛАВА 14. ВНУТРЕННЯЯ КОММУНИКАЦИОННАЯ
СИСТЕМА ЭВМ
14.1. Основные понятия
Неотъемлемой частью современных ЭВМ является внутренняя
коммуникационная система (ВКС), обеспечивающая практически весь
комплекс процессов взаимодействия блоков ЭВМ (рис. 14.1).
Центральный процессор
АЛУ
Ри Ру
Ру
УУ
ОП
Ри Ру
Ри Ру
ВКС
Ри Ру
Ри Ру
ВЗУ
УВВ
Ри Ру
...
УВВ
Ру протоколы управления
Ри протоколы информационного
взаимодействия
Рис. 14.1. Внутренняя коммуникационная система
как неотъемлемая часть современных ЭВМ
ВКС характеризуется:
– совокупностью сигнальных линий с их физическими, механическими и электрическими характеристиками;
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– используемыми сигналами арбитража, состояния, управления
и синхронизации;
– протоколами взаимодействия подключенных к ВКС
устройств.
Объединение различных блоков ЭВМ в единый комплекс осуществляется через унифицированные системы сопряжения – интерфейсы, как системы передачи данных между узлами системы или разными системами, описанными стандартами (рис. 14.2).
Функциональный
блок ЭВМ
Интерфейсная
часть функционального
блока
ША ШУ ШД
Функциональный
блок ЭВМ
Интерфейсная
часть функционального
блока
Интерфейс
Линия
интерфейса
Шина
Магистраль
Рис. 14.2. Структурная схема интерфейса
Интерфейс – это совокупность логических и физических
принципов взаимодействия компонентов ЭВМ, т.е. совокупность правил, алгоритмов и временных соотношений по обмену данными между этими компонентами (логический интерфейс), а также совокупность физических, механических и функциональных характеристик
средств подключения, реализующих такое взаимодействие (физический интерфейс).
Интерфейсом называют также технические и программные
средства, реализующие сопряжение между устройствами или их узлами [17]. Задачами интерфейса являются определение параметров,
процедур и характеристик взаимодействия любых партнеров (пользователей, сетей, систем, уровней, функциональных блоков, устройств,
программ и т.д.) [12].
В связи с понятием интерфейса рассматривают также понятие
шины (магистрали) как среды передачи сигналов, к которой может
параллельно подключаться несколько компонентов ЭВМ или вычислительной системы и через которую осуществляется обмен данными.
Для аппаратных составляющих большинства интерфейсов применим
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
термин шина, поэтому зачастую эти два обозначения выступают как
синонимы, хотя интерфейс – понятие более широкое [18].
Под понятием «порт» понимают точку доступа к устройству
или программе. Различают физические и логические порты. Первые из
них являются местами подключения физических объектов. Логические порты создаются на границах программ, уровней, прикладных
процессов, функциональных блоков. В портах начинаются и заканчиваются логические каналы и соединения, проложенные на любом
уровне области взаимодействия [12].
Под термином «стык» понимается место соединения
устройств передачи сигналов данных, входящих в системы передачи
данных (ГОСТ 23633-79). Оно используется вместо понятия «интерфейс» для описания функций и средств сопряжения элементов связи и
сети передачи данных [16].
Под контроллером (controller) понимается устройство, управляющее интерфейсом, под адаптером (adapter) – устройство, обеспечивающее совместимость интерфейсов [6].
14.2. Стандартный интерфейс
Под стандартным интерфейсом понимается совокупность
унифицированных аппаратных, программных и конструктивных
средств, необходимых для реализации взаимодействия различных
функциональных элементов в автоматических системах сбора
и обработки информации при условиях, предписанных стандартом
и направленных на обеспечение информационной, электрической
и конструктивной совместимости указанных элементов [16].
Информационная совместимость – это согласованность взаимодействия функциональных элементов системы:
– по структуре и составу унифицированного набора соединительных линий;
– протоколу интерфейса – набору процедур по реализации взаимодействия и последовательность их выполнения для различных режимов функционирования;
– способу кодирования и форматам данных, команд, адресной
информации и информации состояний;
– временным соотношениям между управляющими сигналами,
ограничениями на их форму и взаимодействие.
Электрическая совместимость – это согласованность статических и динамических параметров электрических сигналов в системе
соединительных линий интерфейса с учетом ограничений на пространственное размещение частей интерфейса и техническую реали-
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
зацию приемопередающих блоков интерфейса. Условия электрической совместимости определяют:
– тип приемопередающих элементов,
– соотношения между логическими и электрическими состояниями сигналов и пределы их изменения;
– коэффициенты нагрузочной способности приемопередающих
элементов и значения допустимой емкостной и резистивной нагрузки
линии в устройстве;
– схему согласования линии;
– допустимую длину линии и порядок подключения линий
к соединительным элементам (разъемам);
– требования к источникам и цепям электрического питания;
– требования по помехоустойчивости и заземлению.
Конструктивная совместимость – это согласованность конструктивных элементов интерфейса, предназначенных для обеспечения
механического
контакта
электрических
соединений
и механической замены схемных элементов, блоков и устройств.
Условия конструктивной совместимости определяют:
– типы соединительных элементов (разъем, штекер, распределение соединительных линий внутри соединительного элемента);
– конструкцию платы, каркаса, стойки;
– конструкцию кабельного соединения.
В рекомендациях стандартизованных интерфейсов условия
конструктивной совместимости не всегда определяются полностью,
например, могут оговариваться лишь требования по использованию
разъемов и типа кабеля. Применение стандартизованного интерфейса
обеспечивает передачу данных между изделиями разных разработчиков и позволяет вести разработку блоков и узлов ЭВМ параллельно и
применять готовые узлы сторонних производителей [14].
Реализация стандартизованного интерфейса определяется
стандартом (документом), его описывающим. Стандарты реализуют
типовые, уже проверенные и реализованные решения, каждое из которых имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому организация
стандартизованного интерфейса не требует больших затрат времени и
не вызывает значительного увеличения массогабаритных характеристик оборудования. Разработчик системы, используя стандартизованные интерфейсы, может рассчитывать на получение заявленной пропускной способности, длины линий и других параметров. Важные составные части стандарта, описывающие интерфейс, содержат следующие сведения:
– назначение;
– области применения;
– краткое описание;
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– таблицу сигналов;
– таблицу адресов;
– протоколы обмена данными;
– схемную реализацию и др.
14.3. Классификация интерфейсов
В качестве классификационных признаков интерфейсов, характеризующих определенные аспекты их организации, выделяют следующие:
• способ соединения компонентов системы:
– магистральный (подразумевается наличие коллективной шины, к которой подключены все устройства ЭВМ, при этом обмен данными могут вести только два устройства);
– радиальный (наличие центрального контроллера или концентратора, связанного с каждым из устройств ЭВМ индивидуальной
группой однонаправленных линий);
– цепочечный (каждое устройство ЭВМ связано не более, чем
с двумя другими);
– смешанный;
• способ передачи информации:
– параллельный;
– последовательный;
– параллельно-последовательный;
• принцип обмена:
– синхронный;
– асинхронный;
• режим передачи информации:
– односторонняя передача;
– двусторонняя поочередная передача;
– двусторонняя одновременная передача.
Важным критерием классификации интерфейсов является последовательность или параллельность передачи данных. От этого зависит стоимость аппаратуры, кабельного хозяйства и производительность интерфейса. В параллельном интерфейсе каждый сигнал передается по отдельной линии, линии делятся на группы – шина адреса,
шина управления, шина данных. Главное ограничение для параллельных интерфейсов – длина линий. Большая длина линий (превышающих единицы метров) при высокой пропускной способности экономически невыгодна. Многослойные печатные платы и соединители
высокой плотности позволяют разводить большое число линий на небольшой площади.
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Применение последовательных интерфейсов целесообразно на
магистралях любой длины. В отличие от параллельных, последовательные интерфейсы не имеют шин адреса, данных и управления.
Данные и служебная информация передаются по единому информационному каналу, который может состоять из одной сигнальной линии и общего провода. Для работы последовательного интерфейса
применяются специальные меры по синхронизации. Фактор снижения
объемов на кабельное хозяйство, площадь печатных плат, разъемы является очень важным в условиях роста плотности информационных
потоков на единицу объема или веса аппаратуры [14].
Более полная характеристика и классификация интерфейсов
основываются на совокупности нескольких основных признаков: области распространения (функциональное назначение), логической организации, функциональной организации, физической реализации [9].
Например, классификация интерфейсов по признакам функционального назначения позволяет выделить следующие группы интерфейсов:
– системные интерфейсы (машинные или ввода-вывода);
– интерфейсы периферийного оборудования (общего назначения и специализированные);
– интерфейсы распределенных вычислительных систем.
Системные интерфейсы предназначены для организации связей между компонентами ЭВМ или ВС, т. е. непосредственно для их
внутренней структуры и взаимодействия с внешней средой. В современных ЭВМ в качестве системного интерфейса используется системная шина [6].
Интерфейсы периферийного оборудования выполняют
функции сопряжения процессоров, контроллеров с периферийными
устройствами, измерительными приборами, исполнительными механизмами, аппаратурой передачи данных и внешними запоминающими
устройствами. Данные интерфейсы представляют большую группу,
что объясняется широкой номенклатурой и разнообразием периферийного оборудования. По своему функциональному назначению такие интерфейсы могут быть разделены на группы интерфейсов радиальной структуры (обеспечивающие схему сопряжения «точкаточка») и магистральной структуры (обеспечивающие схему «многоточечного» подключения).
Интерфейсы распределенных ВС предназначены для интеграции средств обработки информации, территориально разнесенных
на значительное расстояние. Эта группа в зависимости от назначения
подразделяется на интерфейсы:
– локальных сетей (с длиной магистрали от десятков метров до
нескольких километров);
– распределенных систем управления;
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– территориально и географически распределенных сетей ЭВМ
(с длиной линии более десяти километров).
14.4. Функциональная организация интерфейсов
К основным функциям интерфейсов относят:
– арбитраж информационного канала;
– синхронизацию обмена информацией;
– координацию взаимодействия;
– обмен и преобразование формы представления информации.
14.4.1. Арбитраж информационного канала
Арбитраж информационного канала обеспечивает разрешение
конфликтов при доступе к шине нескольких устройств для взаимодействия между собой.
Существуют два вида арбитража:
– централизованный;
– децентрализованный (распределенный).
Основная задача арбитража состоит в решении вопроса: предоставлять или не предоставлять устройству доступ к шине. И при централизованном, и при децентрализованном арбитраже все устройства
рассматриваются одинаковым образом, но могут иметь различные
приоритеты доступа к шине.
Например, если одним из устройств взаимодействия на шине
является процессор, то ему может быть предоставлен наивысший
приоритет. Назначенный уровень приоритета может оставаться неизменным (статический или фиксированный приоритет) либо изменяться по какому-либо алгоритму (динамический приоритет).
Основной недостаток статических приоритетов в том, что
устройства, имеющие высокий приоритет, в состоянии полностью
блокировать доступ к шине устройств с низким уровнем приоритета.
Системы с динамическими приоритетами дают возможность каждому
из запросивших устройств получить право на доступ к шине.
Наибольшее распространение получили следующие алгоритмы
динамического изменения приоритетов [1]:
– простая циклическая смена приоритетов;
– циклическая смена приоритетов с учетом последнего запроса;
– смена приоритетов по случайному закону;
– схема равных приоритетов;
– алгоритм наиболее давнего использования.
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Централизованный арбитраж.
Централизованный арбитраж характеризуется наличием отдельного функционального узла управления операциями арбитража,
который фиксирует запрос и предоставляет доступ к шине запрашивающему устройству. Контроллер шины (другие названия – центральный арбитр, центральный контроллер) выполняет функции разрешения ситуации с одновременными запросами и назначения запросам
приоритетов.
При наличии центрального арбитра используются в основном
два варианта (с модификациями) подключения устройств вводавывода:
– последовательный арбитраж (цепочечное (гирляндное) подключение);
– параллельный арбитраж (арбитраж независимых запросов).
Последовательный централизованный арбитраж. В зависимости от того, какой из сигналов используется для целей арбитража, различают три основных типа схем последовательного арбитража:
с линией (цепочкой) для сигнала предоставления шины, с линией для
сигнала запроса шины и с линией для дополнительного сигнала разрешения. Наиболее распространена схема с цепочкой для сигнала
предоставления шины. В этом случае управляющая линия от контроллера шины проходит через все устройства последовательно (рис.
14.3).
Запрос шины
Контроллер
шины
Шина занята
Предоставление Устройство 1
шины
Устройство n
Шина
Рис. 14.3. Последовательный (цепочечный) арбитраж
Когда устройству требуется доступ к шине, оно посылает контроллеру шины запрос. Контроллер посылает ответный сигнал-запрос
о доступности шины в устройство 1 с целью определения его текущего состояния активности. Если устройство 1 не нуждается в доступе
к шине, то оно пересылает этот запрос следующему устройству и т.д.
до тех пор, пока запрашивающее устройство не отзовется на этот запрос сигналом занятости шины и не получит доступ к шине.
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Цепочечная реализация предполагает статическое распределение приоритетов. Наивысший приоритет имеет ближайшее к арбитру
устройство (устройство 1, на которое контроллер шины выдает сигнал
предоставления шины). Далее приоритеты устройств в цепочке последовательно понижаются.
Достоинства последовательного арбитража [1,15]:
– простота;
– малое количество используемых линий;
– низкая стоимость;
– расширяемость.
Недостатки:
– ненадежность (разрыв управляющей линии приводит к отключению всех устройств, подключенных за точкой разрыва);
– замедление арбитража (последовательное прохождение сигнала по цепочке устройств увеличивает время реакции для самого
дальнего из них);
– возможность блокирования устройств с низким уровнем приоритета (расположенных в конце цепочки).
Параллельный централизованный арбитраж (арбитраж независимых запросов). Сигналы запроса на занятие шины поступают на
вход контроллера по независимым (индивидуальным) линиям. Такие
сигналы могут рассматриваться процессором как сигналы прерывания. Информация о состоянии шины храниться в контроллере. Все
разрешения на доступ к шине выдаются с учетом этой информации по
таким же индивидуальным линиям. Когда контроллер определяет, что
устройство может использовать шину, этому устройству посылается
сигнал разрешения доступа к шине (рис. 14.4).
Шина занята
Контроллер
шины
Предоставление шины
Запрос шины
Предоставление шины
Запрос шины
Устройство 1
... Устройство n
Шина
Рис. 14.4. Параллельный арбитраж
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Достоинства схемы с параллельным арбитражем:
– гибкость (приоритеты могут задаваться программно);
– малое время запаздывания (сокращается обмен информацией
между контроллером и устройствами).
Недостатки [1]:
 высокая стоимость реализации относительно последовательной схемы за счет непосредственных связей с каждым устройством
шины;
 затрудненное подключение дополнительных устройств
(обычно максимальное число устройств не превышает восьми);
 сигналы запроса и подтверждения присутствуют только на
индивидуальных линиях, что затрудняет диагностику.
Децентрализованный арбитраж
При таком виде арбитража управляющие функции распределены между всеми устройствами. Каждое устройство содержит блок
управления доступом к шине, с помощью которых они взаимодействуют друг с другом при совместном использовании шины. Известны
три основных варианта построения системы с распределенным арбитражем (рис. 14.5) [15]:
– цепочечный (гирляндный);
– опросный;
– на основе независимых запросов.
При цепочечном арбитраже устройство посылает свой запрос
по линии запроса шины. Когда устройство получает сигнал доступности шины, то оно передает его следующему устройству, если только
оно само не является источником запроса. Запрос удовлетворяется,
когда сигнал доступности шины доходит до запрашивающего устройства. Если шина занята, то ни одно из устройств не может выдать запрос шины.
Опросный арбитраж обеспечивает возможность предоставления опроса всем устройствам шины. Если устройство завершило
использование шины, оно выставляет зависящий от устройства некоторый код на линию кода опроса и по линии доступности шины оповещает об этом остальные устройства. Если код опроса соответствует
коду устройства, которому требуется доступ к шине, то оно выставляет сигнал захвата шины. Первое устройство, которое перед этим занимало шину, снимает сигнал кода опроса и доступности шины, после
чего второе устройство, сняв сигнал захвата шины, использует шину
для передачи информации.
Если опрашивающее устройство не получает сигнал захвата
шины, то код опроса изменяется в соответствии с некоторым алго-
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ритмом (простым на основе счетчика или сложным, учитывающим
приоритеты), после чего опрос продолжается.
Шина
доступна
Запрос шины
Устройство 1
Устройство n
Шина
а) цепочечный
арбитраж
а)
Код опроса
Захват шины
Шина доступна
Устройство 1
...
Устройство n
Шина
б) опросный
арбитраж
б)
Шина занята
Запрос шины
Устройство 1
...
Устройство n
Шина
в) арбитраж
на основе независимых запросов
в)
Рис. 14.5. Варианты систем с децентрализованным арбитражем
При арбитраже на основе независимых запросов все устройства анализируют запросы шины, и устройство, которое опознает себя
как имеющее наивысший приоритет, берет на себя управление шиной
и выставляет сигнал об этом на линию занятия шины. Когда текущее
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
устройство завершает использование шины и освобождает ее, оно
снимает свой сигнал с линии занятия шины.
Другое устройство, нуждающееся в доступе к шине, выставляет на линию запроса свой запрос, включающий код приоритета.
Достоинством децентрализованного арбитража является высокая надежность за счет того, что отказ контроллера шины в одном из
устройств не выводит из строя работу всей шины. Основным недостатком является необходимость дополнительной логики в оборудовании каждого устройства [1].
В некоторых вычислительных машинах используют комбинирование схем арбитража. Все устройства шины разбиваются на группы, внутри которых используется последовательный арбитраж, а
между группами – параллельный.
14.4.2. Синхронизация обмена информацией
Пересылка адресов, управляющей информации и данных между двумя устройствами на шине может синхронизироваться тактовыми сигналами или выполняться асинхронно, с саморегулированием,
без тактовых сигналов [15]. Протоколы, реализующие тот или иной
способ обмена, называются синхронными или асинхронными.
Синхронный протокол
Синхронизация определяет согласование процессов взаимодействия между функциональными устройствами системы. Два или
более процесса являются синхронными, если смены состояний этих
процессов взаимонезависимы и выполняются через одинаковые фиксированные интервалы времени. Взаимодействие функциональных
устройств при этом рассматривается как совокупность процессов передачи информации источником и приема этой информации одним
или несколькими приемниками. Синхронизация процесса взаимодействия заключается в том, что интервал времени смены состояния процесса передачи заведомо не может быть меньше самого длительного
интервала времени изменения состояния процесса приема.
В синхронных шинах используется центральный генератор
тактовых импульсов. Тактовые импульсы передаются на все устройства шины по отдельной сигнальной линии (рис. 14.6). Один период
синхронной последовательности чередующихся единиц и нулей на
этой линии называется тактовым периодом шины. Все события на
шине отсчитываются от начала тактового периода.
Прием устройствами тактовых импульсов от генератора осуществляется не одновременно – он зависит от физической длины шины, характеристик отдельных сигнальных линий и возможных дополнительных преобразований сигналов. Такая ситуация называется пе-
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
рекосом сигналов. Для устранения перекоса используются относительно сложные цепи, позволяющие обеспечить одновременную доставку тактовых сигналов на все устройства. Компенсация перекоса
увеличивает пропускную способность шины приблизительно в два раза [15]. По синхронному протоколу обычно работают шины «процессор-память».
Достоинства синхронного протокола [1]:
– использование меньшего количества сигнальных линий;
– невысокая стоимость (не требуется дополнительной логики);
– простота реализации.
Недостатки:
– привязка шины к конкретной максимальной тактовой частоте
(невозможность высокоскоростных устройств работать на шине
с
большей скоростью);
– небольшая длина шины из-за проблемы перекоса;
– считывание данных должно происходить в пределах одного
тактового периода, иначе эти данные будут утеряны (для их сохранения применяют дополнительную буферную память).
Устройство
1
Задержка шины
Устройство
n
Задержка
Генератор
тактовых
импульсов
Рис. 14.6. Представление синхронной шины
Асинхронный протокол
Два или более процесса являются асинхронными, если смены
состояний этих процессов взаимозависимы, а время изменения состояния одного процесса определяется временем смены состояния другого. Асинхронный принцип взаимодействия не означает, что синхронизация отсутствует – при асинхронном обмене период синхронизации
является переменным. В асинхронном протоколе начало очередного
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
события на шине определяется не тактовым импульсом, а предшествующим событием и следует непосредственно за этим событием.
Каждая совокупность сигналов, помещаемых одним устройством на
шину, сопровождается соответствующим синхронизирующим сигналом, называемым стробом. Синхросигналы, формируемые другим
устройством (к которому было обращение), часто называют квитирующими сигналами или подтверждениями сообщения.
Передача данных по асинхронной шине осуществляется с максимально возможной скоростью и минимальными задержками. При
добавлении нового устройства его синхронизация осуществляется автоматически (самосинхронизация). Скорость асинхронной пересылки
данных диктуется отвечающим устройством, так как первому устройству для продолжения транзакции приходится ждать отклика.
В простейшем случае процесс обмена данными по асинхронной шине выглядит следующим образом. Первое устройство помещает данные на шину и передает сигнал готовности данных. Когда другое устройство получает этот сигнал, то фиксирует данные в своем
внутреннем регистре, после чего информирует первое устройство о
том, что передача данных прошла успешно. Если в процессе обмена
происходит какой-либо сбой, то первому устройству посылается сигнал ошибки данных. После истечения определенного времени первое
устройство может начать новый обмен. Таким образом, даже при взаимодействии быстрого и медленного устройств обмен данными между
ними пройдет успешно. По асинхронному протоколу работают шины
ввода-вывода.
Достоинства асинхронного протокола:
– возможность обмена данными между высокоскоростными
и низкоскоростными устройствами;
– автоматическая адаптация к требованиям устройств, обменивающихся информацией в данный момент.
Недостатки:
– необходимость учета перекоса сигналов для каждой транзакции и для каждого устройства;
– более медленный по сравнению с синхронным протоколом.
14.4.3. Координация взаимодействия
Функция координации взаимодействия определяет совокупность процедур по организации и контролю процессов взаимодействия устройств системы. Основные операции координации, это:
– настройка на взаимодействие – процедуры опроса и анализа
состояния устройства, а также передачи команд и приема информации
состояния;
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– контроль взаимодействия – разрешение тупиковых ситуаций,
повышение достоверности передаваемых данных;
– передача управления (настройки) – передача функций координации между функциональными элементами интерфейса, которая
характерна для интерфейсов с децентрализованной структурой управления.
При разрешении тупиковых ситуаций используются различные
способы ограничения времени контроля шины отдельным устройством. Необходимость этого вызвана возможностью монопольного
захвата шины одним из устройств до завершения всех своих операций
ввода-вывода или выходом его из строя и посылкой постоянного сигнала занятия шины. Одним из вариантов может быть разрешение ведущему занимать шину в течение одного цикла шины, с предоставлением ему возможности конкуренции за шину в последующих циклах.
Другим вариантом является принудительный захват контроля над шиной устройством с более высоким уровнем приоритета при сохранении восприимчивости текущего ведущего к запросам на освобождение шины от устройств с меньшим уровнем приоритета [1].
14.4.4. Обмен и преобразование формы представления
информации
Функции обмена и преобразования информации заключаются
в следующем [9]:
– функции обмена – прием и выдача информации (адресов,
данных, команд, состояния);
– функции преобразования – параллельно-последовательное
преобразование, перекодирование информации, дешифрация адресов,
команд, логические действия над содержимым регистра состояния.
Схемотехническая реализация операций преобразования специфична для каждого устройства и определяется функциональными
требованиями от системы обработки информации. Схемотехническая
реализация операций обмена унифицирована для различных
устройств интерфейса.
14.5. Система шин
Физическими элементами связей интерфейса являются электрические цепи, называемые линиями интерфейса. Совокупность линий (цепей), предназначенных для передачи слова или, в общем случае, кодов и сигналов, объединенных общим функциональным назначением, называется шиной [13], а вся совокупность линий – магистралью (см. рис. 1.2). Шина является физическим средством, к кото-
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
рому одинаковым образом подключается группа взаимодействующих
друг с другом компьютеров или их компонентов [12]. В литературе
понятия шины и магистрали зачастую отождествляют.
Выделяют две магистрали: информационного канала и управления информационным каналом. По информационной магистрали
передаются коды адресов, команд, данных и состояния. По магистрали управления информационным обменом передаются коды управления обменом, передачи управления, прерывания, управления режимом
работы и специальных сигналов [9].
Как правило, магистраль включает от 50 до 100 и более отдельных линий, по каждой из которых передаются сигналы определенного функционального назначения. Линии магистрали ЭВМ можно разделить на несколько групп (рис. 14.7):
 данных (шина данных, ШД);
 адреса (шина адреса, ШД);
 управляющих сигналов (шина управления, ШУ);
 состояния (ШС).
ШП
Центральный
процессор
Модуль
памяти
... Модуль
памяти
Система ввода-вывода
Модуль
Модуль
...
вводавводавывода
вывода
ША
ШД
ШУ
ШС
Рис. 14.7. Вариант структуры системной магистрали
Кроме того, в состав магистрали могут входить и линии электропитания устройств ЭВМ (шина питания, ШП).
По ШД передаются сигналы, соответствующие информации,
выдаваемой одним из подключенных модулей. Как правило, количество линий ШД кратно восьми – 8, 16, 32, 64, 128 и т. д. Этот параметр
называют разрядностью или шириной шины. Например, если разрядность шины данных равна 32, а машинная команда имеет длину 64
разряда, то в течение операции извлечения команды процессору пр идется дважды обращаться к модулю памяти.
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
По ША передаются сигналы, которые в совокупности определяют адрес источника или приемника данных, выставленных на линии
данных. Если, например, процессор считывает слово (8-, 16-, 32- или
64-разрядное) из определенной ячейки памяти, он выставляет двоичный код адреса этой ячейки на линии адреса. Таким образом, разрядность шины адреса определяет максимальный объем памяти, адресуемой по такой шине и, соответственно, адресное пространство процессора. Например, при разрядности ША, равной 32-м, процессор может адресовать не более 2 = 4 Гбайт адресов ячеек памяти.
Линии управляющих сигналов ШУ используются для управления доступом к линиям данных и адреса. Поскольку информация, передаваемая по шинам адреса и данных, поступает на все подключенные блоки, в ЭВМ должен существовать блок (узел), обеспечивающий
бесперебойную работу магистрали и управляющий блоками по отдельным линиям. Управляющие сигналы несут определенную информационную нагрузку, то есть передают команды, предписывающие,
как поступать с прочими сигналами в данной ситуации, а также синхронизируют процессы в шине. Сигналы синхронизации определяют
те моменты (или интервалы) времени, когда код, выставленный на линии данных и адреса, можно считать достоверным.
Шины состояния ШС предназначены для передачи сообщений
о результате выполнения операции на интерфейсе или состояния
устройств отображения. В наиболее стандартизированных интерфейсах разряды состояния унифицированы для разных типов устройств,
в других носят рекомендательный характер или отсутствуют [9].
Если по одним и тем же линиям магистрали передаются данные и сигналы управления или разрядность передаваемого по шине
слова больше разрядности шины данных, то шину называют мультиплексной [12]. Это позволяет существенно снизить число линий информационной магистрали, однако приводит к снижению быстродействия передачи информации.
32
14.6. Иерархия шин
Если к шине подключено большое число устройств, ее пропускная способность снижается. По этой причине во многих ЭВМ
предпочтение отдается использованию нескольких шин, образующих
иерархию, которая выражается в том, что каждая более медленная
шина соединена с более быстрой. Каждое устройство соединено с какой-либо шиной, причем некоторые устройства (чаще всего это наборы микросхем) выполняют роль моста между шинами.
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В процессе развития вычислительной техники было опробовано несколько вариантов структур подсистемы взаимодействия между
компонентами, однако предпочтение было отдано структурам на основе многоканальных магистралей.
14.6.1. ЭВМ с одним видом шин
В структуре с одним видом шин все устройства ЭВМ взаимодействуют через общую магистраль, которая называется системной
(рис. 14.8). Достоинствами такой организации являются простота и
низкая стоимость. Недостатками: ограничение пропускной способности и снижение времени доступа к ОЗУ при работе нескольких
устройств.
Центральный
процессор
ОЗУ
Системная шина
Контроллер
ввода-вывода
Контроллер
ввода-вывода
Контроллер
ввода-вывода
...
Устройство
ввода-вывода
Устройство
ввода-вывода
Устройство
ввода-вывода
Рис. 14.8. Организация ЭВМ с одним видом шин
Для повышения производительности ЭВМ в ее организации
канал передачи данных между центральным процессором и ОЗУ выделен в отдельную шину «процессор-память» (рис. 14.9). Устройства
ввода-вывода (УВВ) взаимодействуют через системную шину, изолированную через контроллер.
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Центральный
процессор
ОЗУ
Шина «процессор-память»
Контроллер
шины
Шина ввода-вывода
Контроллер
ввода-вывода
Контроллер
ввода-вывода
Контроллер
ввода-вывода
...
Устройство
ввода-вывода
Устройство
ввода-вывода
Устройство
ввода-вывода
Рис. 14.9. Организация ЭВМ с двумя видами шин
14.6.2. ЭВМ с двумя видами шин
Здесь системная шина фактически является шиной вводавывода для УВВ. Контроллер шины обеспечивает буферизацию данных при их пересылке между системной шиной и контроллерами
УВВ. Это позволяет ЭВМ поддерживать работу множества УВВ и одновременно «развязать» обмен информацией по шине «процессорпамять»
и обмен информацией с УВВ [1].
14.6.3. ЭВМ с тремя видами шин
Для подключения быстродействующих периферийных
устройств в систему шин может быть добавлена высокоскоростная
шина расширения (рис. 14.10).
Шины ввода-вывода подключаются к шине расширения, а уже
с нее через контроллер шины к шине «процессор-память». Такая организация шин еще больше снижает нагрузку на шину «процессорпамять» и называется архитектурой с «пристройкой» (mezzanine
architecture) [1].
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Центральный
процессор
ОЗУ
Шина «процессор-память»
Контроллер
шины
Шина расширения
Контроллер
шины
Контроллер
ввода-вывода
Шина ввода-вывода
Контроллер
ввода-вывода
Контроллер
ввода-вывода
Устройство
ввода-вывода
Устройство
ввода-вывода
Быстродейс
т-вующее
устройство
вводавывода
Рис. 14.10. Организация ЭВМ с тремя видами шин
14.6.4. Микросхемы системной логики современных ЭВМ
Набор микросхем системной логики ЭВМ интегрирует в себя
интерфейс шины процессора, контроллеры памяти, контроллеры шины, ввода-вывода и др. Он управляет интерфейсом или соединениями
процессора с различными компонентами ЭВМ и определяет тип
и
быстродействие процессора, рабочую частоту шины, скорость, тип и
объем памяти. Набор микросхем относится к числу наиболее важных
компонентов ЭВМ.
Мостовая архитектура
Многоуровневая архитектура ЭВМ на базе системной логики
фирм «Intel» и «AMD» содержит следующие компоненты, объединенные в специальный набор микросхем – чипсет (chipset):
– северный мост (North Bridge для «Intel» или System Controller
для «AMD»);
– южный мост (South Bridge для «Intel» или Peripheral Bus Controller для «AMD»);
– микросхему Super I/O.
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Мост – устройство многоуровневой архитектуры ЭВМ, применяемое для объединения шин, использующих разные или одинаковые
протоколы обмена. Он обеспечивает функции коммутации каналов
передачи данных и управления соответствующими шинами. Для
обеспечения выполнения функций интерфейсов, входящих в систему
ввода-вывода, применяются специальные контроллеры и схемы.
К
ним относят контроллеры прерываний, прямого доступа к памяти,
таймер, часы реального времени, буферы шин данных, дешифраторы,
мультиплексоры, регистры и другие логические устройства.
Северный мост (рис. 14.11). В общем случае представляет собой соединение быстродействующей шины процессора с более медленными шинами ускоренным графическим портом (AGP –
Accelerated Graphics Port), шиной памяти, шиной PCI (Peripheral
Component Interconnect – взаимодействие периферийных компонентов). Северный мост иногда называют контроллером PAC (PCI/AGP
Controller).
Processor
Processor
2 Processors
System Only
Host to PCI
Bridge
PCI Devices
PCI
PCI-to-PCI
Bridge
AGP
PCI-to-PCI
Bridge
(Future Interface)
South
Bridge
AGP
Master
Рис. 14.11. Структура северного моста AMD-762 [19]
Из чипсета эта микросхема единственная, которая работает на
полной частоте системной шины (шины процессора).
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 14.12. Структура южного моста AMD-766 [20]
Южный мост (рис. 14.12). Обеспечивает взаимодействие между шиной PCI и более медленной шиной ISA (Industry Standard
Architecture – архитектура промышленного стандарта).
Мост обладает низким быстродействием и выполняется в виде отдельной микросхемы. Кроме схемной логики, реализующей интер-
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
фейс ISA и необходимых для нее компонентов – контроллера прямого
доступа к памяти и контроллера прерываний, микросхема южного моста обычно содержит схемы интерфейса контроллера накопителя на
жестких магнитных дисках IDE (Integrated Drive Electronics – элетроника интерфейса, встроенная в накопитель), интерфейса USB
(Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина), часов
(системного таймера) и памяти CMOS (Complementary Metal-Oxide
Semiconductor).
Микросхема Super I/O соединяется с шиной ISA и содержит
все стандартные интерфейсы и контроллеры, встроенные в системную
плату ЭВМ, например: параллельный порт (LPT – Line PrinTer); два
последовательных порта (COM – Communications Port, обеспечивающий асинхронный обмен по стандарту RS-232C); контроллер накопителя на гибких магнитных дисках; интерфейс клавиатуры и мыши;
CMOS RAM/Clock; контроллеры IDE; Game Port (интерфейс игрового
порта) и др.
Существуют микросхемы, объединяющие функциональные
возможности южного моста и микросхемы Super I/O, они называются
Super-South Bridge (суперъюжный мост).
Структура персональных ЭВМ с мостовой архитектурой для
различных типов процессоров показана на рис. 14.13 и 14.14 [10].
Хабовая архитектура
Для повышения производительности взаимодействия между
северным и южным мостами, являющихся узким местом мостовых
архитектур, применяются различные альтернативные решения:
– от компании «VIA» – архитектура V-Link 4x, V-Link 8x;
– «SiS» – MuTIOL, HyperStreaming;
– «ATI» – A-Link, A-Link II;
– «NVIDIA» – HyperTransport.
Все решения обеспечивают высокую пропускную способность
компонентов ЭВМ при взаимодействии между собой и с устройствами ввода-вывода. Для своих наборов микросхем фирма Intel, начиная
с серии 800, предложила так называемую hub-архитектуру, для которой характерны:
– удвоенная пропускная способность между MCH и ICH;
– уменьшенная нагрузка на шину PCI, что обеспечивает эффективную работу устройств на этой шине;
– уменьшение площади, занимаемой проводниками на системной плате за счет снижения числа проводников hub-интерфейса
(15
проводников против 64 для PCI) и, тем самым, снижения генерации
электромагнитных помех и улучшения качества передаваемых по
шине сигналов.
33
Рис. 14.13. Структура персональной ЭВМ с мостовой архитектурой на основе чипсета AMD-760
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кроме того, ICH содержит шину LPC (Low-Pin-Point), являющуюся 4-разрядной шиной PCI, разработанной для поддержки микросхем Super I/O и BIOS. Шина LPC позволяет значительно уменьшить
число линий, связывающих ROM BIOS с Super I/O (13 линий против
96 для шины ISA в мостовой архитектуре).
Pentium II, 450МГц
Кэш-память
L1, 450
МГц
Процессор
225 МГц
L2
L1
Кэш-память
L2
Slot1
100 МГц, 800 Мбайт/с
Шина процессора
Разъем Порт
AGP AGP 2x Северный Шина памяти
мост
533
800 Мбайт/с
Мбайт/с
Разъемы
SDRAM
DIMM
PC-100
33 МГц, 133 Мбайт/с
Шина PCI
CMOS
RAM,
часы
USB
Южный 1,5 Мбайт/с
мост
ATA1
ATA2
33 Мбайт/с
Разъемы
PCI
Разъемы
USB
8 МГц, 8 Мбайт/с
Шина ISA
Разъемы
ISA
Flash
ROM
BIOS
Клавиатура
Мышь
Дисковод
COM 1
COM 2
LPT 1
Super I/O
Рис. 14.14. Структура персональной ЭВМ с мостовой архитектурой
на базе процессора Pentium II
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Пример ЭВМ на основе хабовой архитектуры Intel показан на
рис. 14.15.
Pentium 4, 2,53 ГГц
Процессор
Кэш-память L1
1,7 ГГц
L1
Кэш-память L2
2,53 ГГц 533 МГц, 4266 Мбайт/с
(400 МГц, 3200 Мбайт/с
Socket 478
800 МГц, 6400 Мбайт/с)
L2
Шина процессора
Порт
AGP 4x, 8x Memory
Шина памяти
Controller 4266 Мбайт/с
(3200 Мбайт/с
1066, 2133
Hub
6400 Мбайт/с)
Мбайт/с
33 МГц, 133 Мбайт/с
Шина PCI
Hubинтерфейс
266 Мбайт/с
Разъемы
PCI
I/O
Controller
Hub
CMOS
RAM,
часы
Разъемы
одно- и двухканальной памяти
DDR, RDRAM
(DIMM, RIMM)
60 Мбайт/с
60 Мбайт/с
ATA1
ATA2
100 Мбайт/с
USB 1
USB 2
6 Мбайт/с
Шина LPC
Flash
ROM
Клавиатура
Мышь
Дисковод
COM 1
COM 2
LPT 1
Super I/O
Firmware Hub
BIOS
Рис. 14.15. Hub-архитектура Intel на базе процессора Pentium IV
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
14.7. Реализация стандартных шин и интерфейсов
Задачи стандартизации шин и интерфейсов ЭВМ решаются
международными и национальными организациями и институтами,
профессиональными организациями и отдельными фирмами.
Общепризнанными авторитетами в области стандартизации
являются IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) – Институт инженеров по электротехнике и электронике) и ANSI
(American National Standards Institute) – Национальный институт стандартизации США. Успех широкого распространения стандартов в
компьютерной технике во многом определяется их принятием и
утверждением
в IEEE и ANSI. Ряд стандартов является результатом совместной работы фирм-производителей оборудования для компьютеров. Некоторые из использующихся в компьютерной технике
стандартов описываются ниже.
Системные интерфейсы
Различают два класса системных интерфейсов: с общей шиной
(сигналы адреса и данных мультиплексируются) и с изолированной
шиной (раздельные сигналы данных и адреса). Прародителями современных системных шин являются [18]:
– Unibus фирмы «DEC» (интерфейс с общей шиной),
– Multibus фирмы «Intel» (интерфейс с изолированной шиной).
Шина Unibus была разработана фирмой «DEC» для мини-ЭВМ
серии PDP-11. Общая шина для периферийных устройств, памяти
и
процессора состоит из 56 двунаправленных линий. На основе Unibus
возможна разработка мультипроцессорных систем. Unibus позволяет
подключать к магистрали большое число устройств, хотя необходимо
учитывать снижение надежности по мере увеличения длины магистрали. Свое развитие архитектура Unibus получила в системном интерфейсе NuBus. Шина Multibus была разработана фирмой «Intel».
Шина также обеспечивает системную архитектуру с одним или несколькими ведущими узлами и с квотированием установления связи
между устройствами, работающими с разной скоростью. Благодаря
разделению шины адреса и шины данных, возможны реализации этой
архитектуры для процессоров разной разрядности. Существовали 8разрядный и 16-разрядный варианты архитектуры Multibus для IBM
PC. Multibus подразумевает достаточно простую аппаратную реализацию, однако число устройств, одновременно использующих ресурсы
шины, ограничено 16 абонентами.
В качестве системной шины могут использоваться шины расширения и локальные шины [6].
Шины расширения. Это шины общего назначения для организации различных устройств ввода-вывода. К ним относят следующие
шины:
ISA (Industry Standard Architecture – архитектура промышленного стандарта) – шина для 8- и 16-разрядной архитектуры, используемая в IBM PC-совместимых ПЭВМ для плат расширения с системной
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
платой, в которую они устанавливаются. Полное описание шины
представлено в стандарте IEEE P996-1987. В настоящее время устарела и применяется в составе отдельных системных плат для совместимости с применяемыми соответствующими устройствами вводавывода.
EISA (Extended ISA) – эволюционное развитие архитектуры
ISA. Шина 32-разрядной архитектуры, которая обеспечивает автоматическую реконфигурацию системы, поддерживает многопроцессорную архитектуру вычислительных систем. Как и ISA, считается
устаревшей.
MCA (Micro Channel Architecture – микроканальная архитектура) была предложена «IBM» в 1987 г. в серии ПК PS/2. Основным достоинством MCA, по сравнению с ISA, было увеличение разрядности
шины данных до 32 бит. MCA не зависит от типа процессора
и является полностью асинхронной. Эта магистраль, кроме ПЭВМ, применялась также в рабочих станциях IBM RS/6000 и в высокопроизводительных компьютерах серии Power Parallel SP2. Шина не нашла
широкого распространения.
Локальные шины подключаются непосредственно к шине процессора, работают на его тактовой частоте и обеспечивают взаимодействие с высокоскоростными компонентами ЭВМ – основной
и
внешней памятью, видеосистемой и др. К локальным относят следующие шины:
VLB (VESA Local Bus – локальная шина ассоциации стандартов видеооборудования VESA). Является расширением внутренней
шины процессора без промежуточных буферов для взаимодействия с
видеоадаптером, НЖМД, сетевым адаптером и др. Широкого распространения не получила.
PCI (Peripheral Component Interconnect – взаимодействие периферийных компонентов) – этот интерфейс был предложен фирмой
«Intel» в 1992 г. в качестве альтернативы локальной шине VLB/VLB2.
Разработчики интерфейса позиционируют PCI не как локальную,
а как промежуточную шину (mezzanine bus), так как она не является
шиной процессора. Поскольку шина PCI не ориентирована на определенный процессор, она была адаптирована к таким процессорам, как
Alpha, MIPS, PowerPC и SPARC. Шины ISA, EISA или MCA могут
управляться шиной PCI с помощью мостов (например, PCI-to-ISA
Bridge), что позволяет устанавливать в ПК платы устройств вводавывода с различными системными интерфейсами. Кроме того, стандарт PCI позволяет реализовать автоматическую конфигурацию периферийных устройств. Существуют 32-разрядная (версии PCI 2.1–
3.0) и 64-разрядная реализации шины PCI (версии PCI64, PCI66,
PCI64/66, PCI-X). Шина применяется и в серверном сегменте,
и в ПЭВМ.
AGP (Accelerated Graphics Port – ускоренный графический
порт) – выделенный интерфейс для подключения видеокарты, имеющий высокоскоростной доступ к общей памяти. Интерфейс разработан фирмой «Intel» на основе стандарта на шину PCI и предназначен
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
для ускорения ввода-вывода данных в видеокарту и увеличения производительности обработки трехмерных изображений. AGP по топологии не является шиной (обеспечивает только двухточечное соединение), т. е. один порт AGP поддерживает только одну видеокарту и в
интерфейсе нет возможностей арбитража, что позволяет упростить его
и повысить быстродействие. AGP обеспечивает два механизма доступа процессора видеокарты к памяти: DMA (Direct Memory Access) –
прямой доступ к памяти и DIME (Direct In Memory Execute) – непосредственное выполнение в памяти. В настоящее время порт AGP вытесняется системным интерфейсом PCI Express.
PCI Express использует концепцию PCI, однако физическая
реализация интерфейса отличается. Суть технологии PCI Express заключается в замене параллельной шины высокоскоростными двухточечными последовательными соединениями. Такой подход позволяет
использовать топологию локальных сетей, т. е. на физическом уровне
PCI Express представляет собой не шину, а подобие сетевого взаимодействия на основе последовательного протокола. Высокое быстродействие PCI Express позволяет отказаться от других системных интерфейсов (AGP, PCI), что дает возможность отказаться от деления
системного чипсета на северный и южный мосты и применять единый
контроллер (рис. 14.16).
Соединение моста и устройства ввода-вывода устанавливается
посредством двух однонаправленных каналов – по одному в каждом
из направлений (обозначаются как 1x). Для получения требуемой
пропускной способности в каком-либо направлении каналы объединяются в полосы (2x, 4x, 8x, 16x или 32x).
Процессор
Мост
ОЗУ
Видеокарта
Сдвоенные
последовательные
каналы
Коммута
тор
Аудио
карта
НЖМД
Сдвоенные
последовательные
каналы
Сетевая
карта
Другие
устройства
Рис. 14.16. Организация ЭВМ на основе системного
интерфейса PCI Express
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Интерфейсы периферийного оборудования
ATA (AT Attachment for Disk Drives) предназначен для подключения НЖМД к компьютерам IBM PC с шиной ISA. Интерфейс
появился в результате переноса стандартного контроллера жесткого
диска ближе к накопителю, в результате чего появились устройства
с встроенным контроллером – IDE (Integrated Drive Electronics). Стандартный интерфейс АТА позволяет подключать контроллеры двух
НЖМД. Интерфейс ATA обеспечивает обмен устройствами хранения
блоками фиксированного размера – секторами по 512 байт. Существует
несколько
разновидностей
интерфейсов,
электрически
и логически совместимых в базовых возможностях [11]:
– ATA IDE;
– E-IDE;
– ATA-2;
– Fast ATA-2;
– ATA-3;
– ATA/ATAPI-4;
– ATA/ATAPI-5;
– ATA/ATAPI-6.
SATA (Serial ATA) – последовательный двухточечный интерфейс для подключения НЖМД, обеспечивающий преемственность и
совместимость системы команд ATA/ATAPI. В версии SATA-I интерфейс отличается от ATA только способом транспортировки данных и
команд между контроллером и устройствами. В версии SATA-II предложен специальный механизм обслуживания множества устройств и
очередей, что позволяет повысить эффективность обмена данными.
Кроме того, обеспечивается возможность полной поддержки горячего
подключения и отключения устройств.
SCSI (Small Computer Systems Interface – системный интерфейс
малых компьютеров) предназначен для соединения устройств различных классов: внешних устройств хранения прямого и последовательного доступа (НЖМД, оптические накопители, стримеры), принтеров,
сканеров, коммуникационных устройств и др. Фактически SCSI является упрощенным вариантом системной шины, поддерживающим до
восьми устройств. Интерфейс оптимизирован для многозадачной работы – после получения команды на время выполнения своих внутренних операций устройство на шине может освобождать шину. Интерфейсы SCSI-1 имеют 8-битную, а SCSI-2 и SCSI-3 –
16-битную шину. Все SCSI-устройства управляются специальным
контроллером, реализованным чаще всего в виде платы расширения
или интегрированным в чипсет системной платы компьютера.
RS-232C – интерфейс обмена данными по последовательному
коммуникационному порту СОМ. Физически разъем СОМ-порта мо-
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
жет быть 25- или 9-контактным разъемом типа D-Sub. С помощью RS232C обеспечивается взаимодействие с модемом, мышью, исполнительными устройствами различного типа и т. д.
IEEE 1284 (Institute of Electrical and Electronic Engineers 1284 –
стандарт Института инженеров по электротехнике и электронике
1284) – стандарт, описывающий спецификации параллельных скоростных интерфейсов SPP (Standard Parallel Port – стандартный параллельный порт), ЕРР (Enhanced Parallel Port – улучшенный параллельный порт), ЕСР (Extended Capabilities Port – порт с расширенными
возможностями), как правило, используемых для подключения через
параллельные порты компьютера (LPT-порты) принтеров, внешних
запоминающих устройств, сканеров, цифровых камер и др. С внешней
стороны порт LPT имеет 8-битную шину данных, выведенную на
стандартный разъем DB-25S (25 контактов), а со стороны периферийного устройства используется разъем типа «Centronics».
USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная
шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры
PC, ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами
бытовой электроники и призванным заменить устаревшие интерфейсы
RS-232 (СОМ-порт) и IEEE 1284 (LPT-порт). Шина USB представляет
собой хост-центрическую аппаратно-программную систему подключения множества периферийных устройств. Стандарт обеспечивает
поддержку технологии Plug-&-Play: после физического подсоединения устройства правильно опознаются и автоматически конфигурируются. К шине USB можно одновременно подключить до 127
устройств. Каждое устройство, подключенное на первом уровне, может работать в качестве коммутатора – то есть к нему могут подключаться еще несколько устройств.
IEEE 1394 (Institute of Electrical and Electronic Engineers 1394 –
стандарт Института инженеров по электротехнике и электронике
1394) – высокопроизводительная последовательная шина, предназначенная для подключения равноранговых внутренних компонентов
компьютера и внешних устройств. Другие названия IEEE 1394: Fire
Wire (огненный провод), iLink, Digital Link, MultiMedia Connection.
Шина создавалась как дешевая альтернатива шине SCSI. Без дополнительного оборудования (хабов) IEEE 1394 обеспечивает взаимодействие до 63 устройств и не требует управления со стороны ЭВМ. По
инициативе организации «VESA» шина позиционируется как основа
домашней сети, объединяющей всю бытовую и компьютерную технику в единый комплекс.
Сравнительные характеристики некоторых распространенных
шин приведены в табл. 14.1 – 14.4 [1].
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 14.1
Стандартные системные шины общего применения
Характеристика
VMЕ
Futurebus
Multibus II
Motorola,
Разработчик
IEEE
Intel
Philips, Mostek
Ширина шины
128
96
96
Мультиплексирование адреНет
Да
Да
са/данных
Разрядность ад16/24/32/64
32
реса, бит
Разрядность
8/16/32/64
16/32/64/128
32
данных, бит
Одиночная
Одиночная или Одиночная или
Вид пересылки
или групповая
групповая
групповая
ЦентрализоЦентрализованный или
ДецентралиАрбитраж
ванный
децентрализованный
зованный
Протокол
Асинхронный Асинхронный
Синхронный
Тактовая частоНет данных
Нет данных
10
та, МГц
Полоса пропускания при оди25
37
20
ночной пересылке, Мбайт/с
Полоса пропускания при
групповой пе28
95
40/80
ресылке,
Мбайт/с
Максимальное
количество
21
20
21
устройств
Максимальная
0,5
0,5
0,5
длина шины, м
ANSI/IEEE
Стандарт
IEEE 1014
IEEE 896.1
1296
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 14.2
Системные шины высокопроизводительных серверов
Характеристика
Summit
Challenge
XDBus
Разработчик
HP
SGI
Sun
Мультиплексирование адреса/данных
Нет данных
Нет данных
Да
Разрядность
адреса, бит
48
40
Нет данных
Разрядность
данных, бит
328/512
256/1024
144/512
Вид пересылки
Одиночная или
групповая
Одиночная или
групповая
Одиночная
или групповая
Арбитраж
Централизованный
Централизованный
Централизованный
Протокол
Синхронный
Синхронный
Синхронный
Тактовая частота, МГц
60
48
66
60
48
66
960
1200
1056
Максимальная
длина шины, м
0,3
0,3
0,4
Стандарт
Нет
Нет
Нет
Полоса пропускания при
одиночной пересылке,
Мбайт/с
Полоса пропускания при
групповой пересылке,
Мбайт/с
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 14.3
Системные шины персональных вычислительных машин
Характеристика
NuBus
ISA 8/16
EISA
FSB Pentium
4
Intel
Разработчик
Texas
Instruments
IBM
AST, Compaq, Epson,
HP, NEC,
Olivetti,
Tandy,
Wyse, Zenith
Ширина
шины
96
62/98
98/100
Нет данных
Мультиплексирование
Да
Нет
Нет
Нет
Разрядность
адреса, бит
32
20/24
24/32
36
Разрядность
данных, бит
32
8/16
16/32
64/128
Вид
пересылки
Одиночная Одиночная Одиночная
или
или группоили
групповая
вая
групповая
Арбитраж
Централизованный
Нет
данных
Протокол
Синхронный
Синхронный
Тактовая частота, МГц
Полоса пропускания при
одиночной
пересылке,
Мбайт/с
10
40
4,77/8,33
33
44
Одиночная
или
групповая
ЦентрализоНет данных
ванный
Синхронный
Синхронный
8,33
400(баз.100);
533(баз.133);
800(баз.200)
33
1060 (133);
3200 (400);
4200 (533)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 14.4
Шины ввода-вывода (интерфейсы периферийного оборудования)
Характеристика
PCI
SCSI
SCSI-2
IDE
1
2
3
4
5
Разработчик
Intel
Ширина шины
124/128
50
Варьируется
40
Мультиплексирование адреса/
Да
Да
Да
Нет
данных
Разрядность
Нет данНет
32/64
2
адреса, бит
ных
данных
Разрядность
32/64
8
8/16/32
16
данных, бит
Одиночная Одиночная Одиночная
Вид пересылки
или
или
или
Групповая
групповая групповая групповая
ДецентраДецентрализованлизованный
ный
Арбитраж
Централизованный
Протокол
СинхронСинхронный
Синхронный и
Асини асинхронный
асинхронхронный
ный
ный
Тактовая частота,
МГц
Полоса пропускания при одиночной
пересылке,
Мбайт/с
Полоса пропускания при групповой
пересылке,
Мбайт/с
Нет
данных
33/66
5/10
10/20/40/80
Нет
данных
33
1,5 (асинхронный);
5 (синхронный)
5-40
(синхронный)
Нет
данных
132/520
1,5 (асинхронный);
5 (синхронный)
40/80/160/
/320 (синхронный)
До 200
7
7
2 (только
диски)
Максимальное ко- Нет данличество устройств
ных
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1
Характеристика
Максимальная
длина шины, м
Стандарт
2
PCI
3
SCSI
0,5
25
Нет
Окончание табл. 14.4
4
5
SCSI-2
IDE
25
ANSI X3.131ANSI
1986
Х3.131-199х
46
0,5
ANSI
X3T9.2/
90-14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ГЛАВА 15. СИСТЕМА ВВОДА-ВЫВОДА
15.1. Классификация систем ввода-вывода
Системы ввода-вывода (СВВ) обеспечивают взаимодействие
ЭВМ с внешней средой (рис. 15.1).
ЭВМ
Процессор
Иерархия
запоминающих
устройств
Системная
магистраль
Система
ввода-вывода
Рис. 15.1. Место системы ввода-вывода в структуре ЭВМ
Шина управления
Шина данных
Шина адреса
Система СВВ имеет модульную структуру и включает в себя
два обязательных компонента: группу модулей ввода-вывода (МВВ)
и группу внешних (периферийных) устройства (ВнУ), объединенных
интерфейсом ввода-вывода.
Модули ввода-вывода (МВВ) значительно различаются по
сложности и количеству подключаемых к ним внешних устройств и
представляют собой сложную схему управления функциями обмена
информацией между внешним устройством и системной магистралью
(шиной расширения) ЭВМ (рис. 15.2).
Модуль
вводавывода
Интерфейс
ввода-вывода
Внешнее
(периферийное)
устройство
СВВ
ЭВМ
Рис. 15.2. Взаимодействие МВВ с системной магистралью
(шиной расширения) ЭВМ и внешним устройством
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Модули ввода-вывода классифицируются по тому, как много
они берут на себя функций по управлению ВнУ, снимая нагрузку
с
процессора:
1) каналы ввода-вывода или процессоры ввода-вывода –
МВВ, которые берут на себя множество функций управления ВнУ,
предоставляя процессору интерфейс высокого уровня. Чаще всего
входят в состав больших и суперЭВМ.
2) контроллеры ввода-вывода или контроллеры внешних
устройств – более примитивные МВВ, перекладывающие управление
последовательностью этапов выполнения операций на процессор. Это
типовой компонент персональных и малых ЭВМ.
Внешние (периферийные) устройства подразделяются на три
большие группы:
1) ВнУ для непосредственной работы с пользователем: дисплей, принтер и плоттер, клавиатура, мышь, сканер, цифровой фотоаппарат, цифровая видеокамера, аудиосистема и микрофон, игровой
джойстик, игровой руль, шлем виртуальной реальности, и т.д.
2) ВнУ для работы с подключаемым к ЭВМ оборудованием:
устройства внешней памяти, датчики и исполнительные механизмы
компьютеризированных систем управления, электронные ключи для
ограничения незаконного распространения программного обеспеч ения; системы аутентификации для доступа к ЭВМ, и т.д.
3) коммуникационные ВнУ, предназначенные для взаимодействия с удаленными абонентами (пользователями или другими ЭВМ):
адаптер локальной сети, модем, удаленный дисплейный терминал
и
т.д.
Интерфейсы ввода-вывода, объединяющие МВВ и ВнУ, проектируются с учетом особенностей работы и конструкции ВнУ.
15.2. Модули ввода-вывода
Функции, которые выполняет МВВ, объединены в следующие
группы:
– управление и синхронизация – функции координации потоков
данных между ВнУ и внутренними ресурсами ЭВМ;
– взаимодействие с процессором – функции расшифровки команд процессора, передачи данных, передача процессору информации
о текущем состоянии ВнУ, распознавание адресов подключенных к
МВВ внешних устройств;
– взаимодействие с ВнУ – функции по передаче команд, обмену данными, приему информации о текущем состоянии ВнУ;
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Регистры состояния/управления
Регистры данных
Шина управления
Шина адреса
Шина данных
– временная (тактовая) буферизация данных – функции временного хранения данных во внутреннем буфере МВВ при работе с
низкоскоростными внешними устройствами;
– обнаружение ошибок и сбоев – функции по обнаружению
ошибок и сбоев, возникающих в процессе работы МВВ, и передаче
соответствующей информации процессору.
Обобщенная структурная схема МВВ представлена на рис.
15.3.
МВВ
Блок
ввода-вывода
Управление
Блок
Состояние
взаимодействия
с ВнУ
Данные
...
Управление
Блок
Состояние
взаимодействия
с ВнУ
Данные
Рис. 15.3. Обобщенная структурная схема МВВ
Модуль ввода-вывода взаимодействует с другими компонентами вычислительной системы через магистраль ЭВМ. Данные, передаваемые в обе стороны через МВВ, временно сохраняются в одном
или нескольких регистрах данных. В регистрах состояния хранится
информация о текущем состоянии подключенных ВнУ.
Регистры состояния могут работать и в режиме регистров
управления при записи в них информации, конкретизирующей передаваемые процессором команды. Логические блоки (подсистемы)
в составе МВВ обмениваются с процессором сигналами (командами)
по шине управления системной магистрали. Для взаимодействия
с
внешними устройствами в состав МВВ включаются логические блоки,
специфичные для определенного типа ВнУ. Такие блоки предназначены для распознавания и формирования кодов адресов, ассоциированных с подключенными к нему ВнУ.
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
15.3. Методы управления вводом-выводом
Существует три принципиально различных метода выполнения
операций ввода-вывода:
– программируемый ввод-вывод или асинхронный режим, когда операция выполняется под контролем программного обеспечения.
При этом процессор постоянно занят обменом данными и не может
выполнять другую работу;
– ввод-вывод по прерыванию, или синхронный режим, при котором процессор только запускает процесс обмена и не ожидает ответа от МВВ о его окончании, а выполняет другую работу. Когда внешнему устройству потребуется ресурс процессора, то через МВВ и с истемную магистраль выставляется соответствующее прерывание;
– прямой доступ к памяти (direct memory access, DMA), при
котором специализированный контроллер принимает на себя всю
нагрузку по передаче данных между оперативной памятью ЭВМ и
ВнУ, освобождая процессор от рутинных операций. При этом DMA:
освобождает процессор от управления операциями ввода-вывода; позволяет осуществлять параллельно во времени выполнение процессором программы с обменом данными между внешними устройствами и
основной памятью; производит обмен данными со скоростью, ограничиваемой только пропускной способностью основной памяти и ВнУ.
Передача данных в режиме DMA выполняется контроллером
в следующей последовательности (рис. 15.4):
1) прием запроса от ВнУ;
2) формирование запроса процессору для захвата шин системной магистрали (СМ);
3) прием сигнала, подтверждающего переход процессора в состояние захвата СМ;
4) формирование сигнала, сообщающего ВнУ о начале выполнения циклов DMA;
5) выдача на шину адреса СМ адреса ячейки оперативной памяти, предназначенной для обмена;
6) выработка сигналов, обеспечивающих управление обменом
данными;
7) по окончании прямого доступа к памяти контроллер либо
организует повторение цикла DMA, либо завершает режим доступа
к памяти, снимая запросы на него.
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Запрос на захват СМ
Подтверждение захвата
Контроллер
DMA
Шина адреса
Процессор
Шина данных
Оперативная
память
Шина управления
Внешнее
устройство
Рис. 15.4. Взаимодействие устройств в режиме DMA
15.3.1. Система прерываний (синхронный метод обмена)
Каждое событие, требующее прерывания, сопровождается специальным сигналом, который называется запросом прерывания. Программа, затребованная запросом прерывания, называется обработчиком прерывания.
Для того чтобы ЦП, выполняя свою работу, имел возможность
реагировать на события, наступления которых он «не ожидает», существует система прерываний ЭВМ. При отсутствии такой системы
прерываний все события для обработки должны находиться в поле
зрения процессора, что усложняет программы и требует большой их
избыточности.
Синхронный метод обмена эффективнее программно управляемого ввода-вывода, поскольку устраняет ненужные ожидания, однако обработка прерывания занимает достаточно много времени ЦП.
Кроме того, каждое слово, пересылаемое из памяти в МВВ или в противоположном направлении, как и при программно управляемом вводе-выводе, проходит через ЦП.
Кроме сокращения потерь на ожидание, режим прерываний
позволяет организовать выполнение такой работы, которую без него
реализовать затруднительно. Например, при появлении неисправностей, нештатных ситуаций режим прерываний позволяет организовать
работу по диагностике и автоматическому восстановлению
в
момент возникновения нештатной ситуации, прервав выполнение основной работы таким образом, чтобы сохранить полученные к этому
времени правильные результаты. Тогда как без режима прерываний
обратить внимание на наличие неисправности система могла только
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
после окончания выполняемой работы (или ее этапа) и получения неправильного результата.
В зависимости от места нахождения источника прерываний
они могут быть разделены на внутренние (программные и аппаратные)
и внешние прерывания (поступающие в ЭВМ от внешних источников, например, от клавиатуры или модема).
Принцип действия системы прерываний заключается в следующем: при выполнении программы после каждого рабочего такта
микропроцессора изменяется содержимое регистров, счетчиков, состояние отдельных управляющих триггеров, т. е. изменяется состояние процессора.
Информация о состоянии процессора лежит в основе многих
процедур управления вычислительным процессом. Эта информация
должна сохраняться при каждом «переключении внимания процессора».
Совокупность значений наиболее существенных информационных элементов называется вектором состояния или словом состояния процессора (в некоторых случаях она называется словом состояния программы). Вектор состояния в каждый момент времени должен
содержать информацию, достаточную для продолжения выполнения
программы или повторного пуска ее с точки, соответствующей моменту формирования данного вектора. Вектор состояния формируется
в соответствующем регистре процессора или в группе регистров, которые могут использоваться и для других целей.
Наборы информационных элементов, образующих векторы состояния, различаются у ЭВМ разных типов. В распространенных компьютерах типа IBM PC вектор состояния включает содержимое счетчика команд, сегментных регистров, регистра флагов и аккумулятора (регистра АХ).
Запросы на прерывание могут возникать из-за сбоев в аппаратуре, переполнения разрядной сетки, деления на ноль, выхода за установленные для данной программы области памяти, запроса периферийным устройством операции ввода-вывода, завершения этой операции ввода-вывода или возникновения при этой операции особых
условий и т. д.
При наличии нескольких источников запросов прерывания
часть из них может поступать одновременно. Поэтому в ЭВМ устанавливается определенный порядок (дисциплина) обслуживания поступающих запросов. Кроме того, в ЭВМ предусматривается возможность разрешать или запрещать прерывания определенных видов.
Персональные ЭВМ типа IBM PC могут выполнять 256 различных
прерываний, каждое из которых имеет свой номер (двухразрядное
шестнадцатеричное число).
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Все прерывания делятся на две группы: прерывания с номера
00h по номер 1Fh называются прерываниями базовой системы ввода-вывода (BIOS – Basic Input-Output System); прерывания с номера
20h по номер FFh называются прерываниями операционной системы
(ОС). Прерывания ОС имеют более высокий уровень организации,
чем прерывания BIOS, они строятся на использовании модулей BIOS
в качестве элементов.
Прерывания подразделяются также на три типа: аппаратные,
логические и программные.
Аппаратные прерывания вырабатываются устройствами, требующими внимания микропроцессора:
– прерывание № 2 – отказ питания;
– № 8 – от таймера;
– № 9 – от клавиатуры;
– № 12 – от адаптера связи;
– № 14 – от НГМД;
– № 15 – от устройства печати и др.
Запросы на логические прерывания вырабатываются внутри
микропроцессора при появлении «нештатных» ситуаций:
– прерывание № 0 – при попытке деления на 0;
– № 1– при переводе микропроцессора в пошаговый режим работы;
– № 3 – при достижении программой одной из контрольных точек;
– № 4 – при переполнении разрядной сетки арифметико-логического устройства.
Последние два прерывания используются отладчиками программ для организации пошагового режима выполнения программ
(трассировки) и для остановки программы в заранее намеченных контрольных точках.
Запрос на программное прерывание формируется по команде
INT n, где n – номер вызываемого прерывания. Запрос на аппаратное
или логическое прерывание вырабатывается в виде специального
электрического сигнала.
15.4. Конструктивное исполнение модулей ввода-вывода
Контроллер клавиатуры является посредником между клавиатурой (ВнУ), подключенной к нему посредством последовательного
интерфейса, и процессором, с которым он связан через параллельный
интерфейс.
В контроллере постоянно исполняется внутренняя микропрограмма, реагирующая на сигналы интерфейса клавиатуры и команды,
поступающие от процессора. При нажатии на клавишу формируется и
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
передается ее скан-код – номер, идентифицирующий расположение
клавиши на клавиатуре. Далее скан-код с помощью системных таблиц
драйвера клавиатуры из BIOS преобразуется в код ASCII (или расшренный код) и передается на хранение в клавиатурный буфер, расположенный в оперативной памяти. Извлечение кода из буфера,
например для вывода на экран дисплея, осуществляется по команде
процессора (прикладной программы) через программное прерывание.
Контроллер клавиатуры может выполнять функции МВВ и для
мыши. Для этой цели в регистрах данных и команд контроллера выделяются биты для интерфейса мыши, а режим работы контроллера
должен иметь разрешение на работу с интерфейсом мыши и прерывания от него.
Контроллеры клавиатуры различаются версиями встроенного
программного обеспечения, поэтому BIOS системной (материнской)
платы ЭВМ должна содержать в себе особенности контроллера.
Пример реализации контроллера клавиатуры – программируемые микроконтроллеры интерфейса клавиатуры i8042 и i8242
(KeyBoard Controller, KBC).
Видеоконтроллер (дисплейный адаптер, видеоадаптер) является
внутрисистемным устройством, непосредственно управляющим монитором (или несколькими мониторами) и выводом информации на экран.
Функциональная схема видеоконтроллера включает:
– интерфейс монитора – предназначен для формирования выходных сигналов соответствующего подключаемому монитору типу
(RGB-TTL, RGB-Analog, S-Video, композитный видео) и обмена данными с монитором;
– внешний интерфейс – для взаимодействия с одной из шин
ЭВМ (ISA, PCI, AGP);
– контроллер электронно-лучевой трубки – для согласованного
формирования сигналов сканирования видеопамяти и сигналов вертикальной и горизонтальной синхронизации монитора;
– видеопамять – для хранения страниц экрана с целью регенерации изображений;
– контроллер атрибутов – для управления трактовкой цветовой
информации, хранящейся в видеопамяти, и согласования объема хранимой цветовой информации с возможностями подключенного монитора;
– графический контроллер (акселератор) – для повышения
производительности программного построения образов изображений
в видеопамяти;
– расширение BIOS – специализированный модуль расширения
BIOS, устанавливаемый на плату видеоконтроллера и предназначенный для обеспечения аппаратного взаимодействия при установке
в ЭВМ любого видеоадаптера.
Основные типы видеоконтроллеров и их характеристики:
– MDA (monochrome display adapter) – монохромный дисплейный адаптер для первых персональных ЭВМ типа PC. Обеспечивал
только текстовый режим работы;
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– HGA (Hercules display adapter) – графическое расширение MDA.
Обеспечивал разрешение 720×350 пикселей с двумя битами на пиксел;
– CGA (color graphics adapter) – цветной графический адаптер.
Обеспечивал разрешение 640×200 при 2-х цветах или 320×200 при
16-ти цветном режиме. Режимы – текстовый и графический;
– EGA (enhanced graphics adapter) – расширенный (улучшенный) графический адаптер: разрешение 640×350 или 720×350, 16 цветов. Режимы – текстовый и графический;
– VGA (video graphics adapter) – видеографический адаптер,
работающий в тестовом и графическом режимах: разрешение 720×350
при 16 цветах или 640×480 при 256 цветах;
– SVGA (superVGA) – улучшенный видеографический адаптер.
К этому типу относится большинство современных адаптеров для
шин расширения ЭВМ ISA, EISA, PCI, AGP. Разрешения и цветовые
режимы не стандартизованы: наиболее популярны разрешения
800×600 на 16/256 цветов, 1024×768, 1280×1024 на 16 (high color) или
32 (true color) миллиона цветов.
Адаптеры портов различного типа (последовательный, параллельный порты), к которым подключаются различные устройства,
в контексте рассматриваемых терминов могут быть обозначены как
модули ввода-вывода.
Процессор взаимодействует со всеми подсистемами ЭВМ параллельными кодами, минимальная длина адресуемой посылки составляет 1 байт. В COM-портах (communications port – коммуникационный порт) преобразование параллельного кода в последовательный
для передачи и обратное преобразование при приеме данных выполняют специализированные микросхемы UART (universal asynchronous
receiver-transmitter – универсальный асинхронный приемо-передатчик). Эти же микросхемы формируют и обрабатывают управляющие
сигналы последовательного интерфейса.
Адаптер стандартного LPT-порта (Line PrinTer – построчный
принтер) представляет собой три регистра для данных, состояния и
управления, расположенных в пространстве ввода-вывода. Регистры
адресуются относительно базового адреса порта. Процедура вывода
данных включает в себя вывод байта в регистр данных, ввод из регистра состояния и проверку готовности ВнУ; при получении готовности от ВнУ данные считываются.
Сетевой адаптер предназначен для подключения ЭВМ к локальной вычислительной сети и включает в себя обязательные компоненты:
– физический интерфейс подключения к среде передачи;
– буферную память для передаваемых и принимаемых кадров;
– схему, реализующую логику прерываний для уведомления
процессора;
– средства обмена данными между буферной и оперативной
памятью ЭВМ.
Сетевой адаптер по классификации отнесен к ВнУ, однако в
составе сетевой карты имеются узлы, реализующие логику модуля
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ввода-вывода по обеспечению согласования работы процессора и
процесса передачи данных в среду передачи.
Сетевой адаптер при передаче данных в среду передачи принимает данные и адреса назначения от процессора, формирует (добавляет к блоку данных дополнительные транспортные компоненты) и
передает кадр. При обнаружении коллизий повторяет попытку передачи. При приеме кадра приемник адаптера просматривает заголовки
всех кадров, выделяя путём сравнения адресованные своей ЭВМ (вычислительному узлу), помещает кадр в буфер, путём выставления запроса на прерывание перехватывает ресурс процессора и передает
данные в оперативную память ЭВМ.
Конструктивные реализации сетевых адаптеров разработаны
для различных шин расширения ЭВМ – ISA, EISA, MCA, VLB, PCI.
Существуют также модификации адаптеров для подключения к стандартному LPT-порту.
15.5. Внешние устройства
Взаимодействие ЭВМ с внешней средой производится через
внешние (периферийные) устройства. Обобщенная модель организации внешнего (периферийного) устройства представлена на рис. 15.5.
Управление
от модуля
ввода-вывода
Данные,
унифицированные для
Информация конкретного типа
интерфейса
о состоянии
Интерфейс
ввода-вывода
Буфер
временного
хранения
данных
Подсистема
управления
внешним
устройством
Подсистема
преобразования
данных
Интерфейс
с внешней средой
Данные, уникальные
для каждого типа ВнУ
Рис. 15.5. Обобщенная модель организации
внешнего (периферийного) устройства
Интерфейс ВнУ с внешней средой специфичен для каждого
типа устройств и подробно описан в прилагаемой к нему инструкции
по пользованию. Взаимодействие ВнУ с МВВ через интерфейс вводавывода предполагает наличие минимум трех видов сигналов:
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– сигналов данных – в форме, требуемой интерфейсом вводавывода (в сторону МВВ) или специфичной форме, требуемой внешней средой. Операцию преобразования формы сигналов выполняет
подсистема преобразования данных ВнУ. При наличии буфера (обычно небольшого размера – 8 – 16 бит) его используют для временного
хранения данных;
– управляющих сигналов от МВВ, определяющих, какую функцию должно выполнять ВнУ на текущем этапе обмена данными и задающих текущее состояние ВнУ;
– сигналов о состоянии ВнУ, которые позволяют модулю ввода-вывода, и, в конечном счете, центральному процессору, своевременно реагировать на изменение текущего состояния ВнУ.
Обобщенная структурная схема взаимодействия МВВ и ПФУ
показана на рис. 15.6.
Шина управления
Шина адреса
Шина данных
1) Информация о
текущем состоянии
ВнУ
2) Информация,
конкретизирующая
команды процессора
Временное
хранение
данных
Регистры
данных
Логика
вводавывода
Регистры
состоянияуправления
...
Логика
взаимодействия с . . .
внешними
устройствами
МВВ
Логика
взаимодействия с
внешними
устройствами
Управление
Состояние
Внутренние
схемы управления
устройством
Данные
Временное
хранение
передаваемой
поступившей)
информации
Буфер
Преобразователь
ПФУ
Преобразование двоичных
данных в форму, специфичную
для данного типа устройства
Данные обмена с внешней средой
(уникальные для каждого устройства
(типа) ПФУ)
Рис. 15.6. Обобщенная структурная схема взаимодействия
МВВ и ПФУ
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
15.5.1. Устройства ввода
Клавиатура. Клавиатура является одним из основных
устройств ввода команд и данных в компьютерную систему. Существуют следующие основные типы клавиатур:
– 83-клавишная клавиатура PC и XT;
– 84-клавишная клавиатура AT;
– 101-клавишная расширенная клавиатура;
– 104-клавишная расширенная клавиатура (рис. 15.7).
В настоящее время наиболее распространены 101–
и 104-клавишные клавиатуры. Расширенная клавиатура может быть
условно разделена на следующие области:
– область печатных символов;
– дополнительная цифровая клавиатура;
– область управления курсором и экраном;
– функциональные клавиши.
В большинстве ноутбуков вспомогательная клавиатура входит
в стандартную буквенную часть клавиатуры. Для переключения клавиатуры с буквенной на вспомогательную обычно используется комбинация, в которую входит клавиша <Fn>.
В современных клавиатурах используется различные типы
клавиш:
– с механическими переключателями;
– замыкающими накладками;
– резиновыми колпачками;
– мембранные (рис. 15.8 [38]).
В большинстве клавиатур установлены механические переключатели (контакты), в которых происходит замыкание электрических контактов при нажатии клавиш и наработка на отказ которых составляет 10 –
12 млн нажатий. При использовании
в клавиатуре бесконтактных емкостных датчиков наработка на отказ
составит до 25 млн нажатий [38].
Внутреннее устройство клавиатуры представляет собой набор переключателей (контактов), объединенных в матрицу, и контроллера,
обеспечивающего ее функционирование. При нажатии клавиши контроллер определяет координаты нажатой клавиши. Буфер клавиатуры объемом 16 байт обеспечивает хранение скан-кодов быстро или одновременно
нажатых
клавиш
с
дальнейшей
их
передачей
в компьютер. Клавиатура связана с компьютером одним из двух способов
(рис. 15.9):
– с помощью стандартного разъема клавиатуры (DIN или миниDIN) и специального последовательного канала передачи данных;
– через порт USB.
58
Рис. 15.7. 104-клавишная расширенная клавиатура
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для работы с клавиатурой и мышью в компьютере применяется микросхема универсального периферийного интерфейса (Universal
Peripheral Interface – UPI) со встроенным постоянным запоминающим
устройством емкостью 2 Кбайт и своей оперативной памятью объемом 128 байт [38]. Через интерфейс USB клавиатура работает так же,
как и при подключении к порту DIN или миниDIN. Для этого в клавиатуре устанавливается микросхема контроллера USB, которая получает и интерпретирует данные перед тем, как они будут переданы через
порт USB в компьютер. При получении данных от клавиатуры порт
USB передает их в контроллер UPI, который обрабатывает данные так
же, как и полученные через последовательный интерфейс.
Колпачок
клавиши
Плунжер
Мембранная
монтажная плата
Контактная
площадка
Рис. 15.8. Клавиша мембранного типа
ЦП
ИЗУ
ВКС
Разъемы:
DIN
Микросхема
универсального
периферийного
интерфейса миниDIN
(UPI) 8042
Порт USB
1. Последовательный интерфейс
клавиатуры.
2. Интерфейс USB
USB
Клавиатура
ЭВМ
Рис. 15.9. Структурная схема взаимодействия клавиатуры и компьютера
60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Беспроводные клавиатуры используют для передачи и интерпретации данных такой же подход как при применении USB. Отличие
заключается в замене интерфейсного провода приемником и передатчиком ИК-диапазона, радиоинтерфейса или беспроводного интерфейса Bluetooth.
Мышь. Наряду с клавиатурой мышь является одним из основных устройств ввода и является устройством позиционирования
для графических оболочек операционных систем и прикладных графических приложений. По принципу действия мыши подразделяются:
– на оптико-механические (мыши шарового типа);
– оптические.
Наиболее популярными в настоящее время являются оптические мыши (рис. 15.10).
Рис. 15.10. Обычная оптическая мышь и мышь
с дополнительными программируемыми клавишами
Устройство оптической мыши показано на рис. 15.11 [38]. В
ней нет движущихся частей для позиционирования. Светоизлучающий диод с определенной периодичностью освещает поверхность перемещения.
Датчик
Светоизлучающий диод
Нижняя часть мыши
Поверхность перемещения
Рис. 15.11. Конструкция оптической мыши
Отраженный от поверхности перемещения свет через систему
фокусирующих линз воспринимается датчиком – ПЗС-матрицей
с
разрешением сенсора от 1616 до 3030 точек с интегрированным
сигнальным процессором (DSP – digital signal processor) – для обработки снимков [55]. Отдельный контроллер обрабатывает сигналы от
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нажатия кнопок и прокрутки колеса, от процессора DSP и передает в
компьютер через интерфейс мыши.
Наличие DSP-процессора требуется для анализа «сфотографированных» с высокой скоростью (до 6400 кадров в секунду) матрицей
ПЗС снимков поверхности (матриц из серых пикселей различной яркости) и определения направления перемещения мыши.
Важными характеристиками оптической мыши является
надежность (за счет уменьшения количества механических узлов) и
точность (высокая точность позиционирования). Точность позиционирования оптической мыши определяется разрешением, измеряемым
в точках на дюйм (dpi, dot per inch). Типичное разрешение составляет
не менее 400 dpi. Применение в качестве источника света лазера вместо светоизлучающего диода обеспечило возможность работы мыши
на блестящих и однородных по цвету поверхностях.
Способы взаимодействия мыши и компьютера показаны на
рис. 15.12, они осуществляются:
– через последовательный порт COM (тип разъема DB-9 или
DB-25);
– последовательный интерфейс мыши (специальный порт мыши на системной плате миниDIN (PS/2));
– порт универсальной последовательной шины USB.
ЦП
ИЗУ
ВКС
Порт COM
Разъемы:
COM
Микросхема
универсального PS/2
периферийного
интерфейса
(UPI) 8042
Порт USB
USB
ЭВМ
Мышь
1. Последовательный интерфейс COM
2. Последовательный интерфейс мыши
3. Интерфейс USB
Рис. 15.12. Структурная схема взаимодействия мыши и компьютера
Разъемы миниDIN (PS/2) для клавиатуры и мыши совместимы
конструктивно и по уровням электрических сигналов, однако передаваемые пакеты данных для них различны, поэтому неверное подклю-
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
чение указанных устройств (клавиатуры вместо мыши и наоборот)
может привести к их функциональному отказу, но не выведет из
строя. При правильном подключении устройств они снова начнут
функционировать по предназначению.
Мышь USB обеспечивает лучшую точность и плавность позиционирования по сравнению с мышью PS/2 за счет более высокой частоты опроса устройства (125 Гц против 40 Гц). Кроме того, подключение мыши через порт USB позволяет передавать сигнал обратной
связи на мышь, что обеспечивает дополнительное удобство пользователю. Например, позволяет художнику получать эффект отдачи от
различных типов бумаги, холста и поверхностей при работе виртуальными инструментами.
Трекбол (trackball – шаровой манипулятор) является разновидностью мыши (рис. 15.13).
Рис. 15.13. Различные виды трекболов в виде отдельных устройств,
а также встроенные в клавиатуру ноутбука
В отличие от оптико-механической (шаровой) мыши, здесь
приводится в движение не корпус мыши, а сам шарик, поэтому
трекбол требует меньше места для размещения и функционирования в
компьютерной системе.
В ноутбуках трекболы не получили широкого распространения
из-за постепенного загрязнения поверхности шара и направляющих
роликов. В мобильных компьютерах вместо трекболов применяются
тачпады и трекпойнты. Удобство пользования трекболами в условиях
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
недостатка места и наличия вибрации обеспечило их применение
в промышленных и военных компьютерах.
Тачпад (touchpad) представляет собой сенсорную панель, движение пальца по которой вызывает перемещение курсора (рис. 15.14).
В подавляющем большинстве современных ноутбуков применяются
именно тачпады, так как отсутствие в них движущихся частей обусловливает высокую надежность.
Рис. 15.14. Тачпад в ноутбуке и в виде отдельного устройства
Тачпады встраивается также в клавиатуры для настольных систем. Для позиционирования курсора на экране необходимо провести
по тачпаду пальцем, а для нажатия кнопки на экране достаточно легко
ударить кончиком пальца по сенсорной панели. Кнопки под сенсорным экраном выполняют функции левой и правой кнопок мыши.
64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Недостатком устройств с сенсорным управлением является зависимость их чувствительности от сопротивления кожи и ее влажности.
Трекпойнт (trackpoint) представляет собой миниатюрный рычаг с шершавой или в виде слегка выступающей кнопки вершиной
диаметром 5 – 8 мм (рис. 15.15). Трекпойнт расположен на клавиатуре
между клавишами «G», «H», «B» и управляется нажатием пальца
в
стороны движения курсора. Кнопки, аналогичные левой и правой
кнопкам мыши, расположены под клавишей «Пробел» компьютера.
Манипулятор практически не занимает места на клавиатуре, не
имеет подвижных частей и позволяет не убирать руки от клавиш при
печати вслепую. Применение трекпойнта вместо мыши позволяет достичь повышения производительности работы на компьютере до 20
%, особенно в офисных приложениях [38].
Рис. 15.15. Два типа трекпойнтов
Джойстик. Джойстик относят к игровым устройствам ввода.
Применение клавиатуры и мыши в ролевых играх, симуляторах и др.
играх, где требуется динамичное управление виртуальными героями и
устройствами виртуального мира, ограничивает сферу их использования. Джойстик является специализированным устройством, обеспечивающим органичное введение в игровую ситуацию (рис. 15.16).
.
Рис. 15.16. Два типа джойстиков
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К таким устройствам относят авиационные штурвалы, педали, автомобильные рули, кабины самолета и пр. Подобные джойстики имитируют не только повороты и открытие виртуального огня, но и такие
действия, как управление тягой двигателя, подачей топлива, торможения, имитацию смены направления обзора и т. д. В современных
джойстиках используется механизм обратной связи (force feedback),
обеспечивающий большую реалистичность; например, это отдача при
выстреле, вибрация при движении по ухабистой дороге и др. Реализация обратной связи обеспечивается установленными в джойстике
электромоторами, получающими сигнал реагирования через интерфейс с компьютером.
Наиболее распространенным интерфейсом и для подключения
джойстиков является последовательный интерфейс USB, вытесняющий к настоящему времени традиционные игровые контроллеры.
Порт USB обеспечивает более высокую скорость, поддержку обратной связи и возможность быстрой смены джойстиков.
Дигитайзер и графический планшет. Дигитайзер (digitizer)
является внешним специализированным устройством графического
ввода. Это кодирующее устройство, обеспечивающее ввод двумерного (в том числе и полутонового) или трехмерного (3D дигитайзеры)
изображения в компьютер. Простейшим дигитайзером является графический планшет.
Основные области применения дигитайзеров:
– оцифровывание географических карт для работы с географическими информационными системами (ГИС);
– инженерное проектирование, создание прототипов и обратный инжениринг;
– научная визуализация;
– мультипликация и др.
Дигитайзер состоит из планшета, к которому крепится изображение, и пера (указателя с датчиком), с помощью которого указывается позиция на планшете (рис. 15.17).
Рис. 15.17. Дигитайзер с 16-кнопочным указателем
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Принцип работы дигитайзера основан на регистрации местоположения специального указателя с датчиком с помощью ортогональной сетки печатных проводников планшета. Контроллер дигитайзера посылает импульсы по сетке проводников. Получив два таких
сигнала, контроллер преобразует их в координаты, передаваемые в
компьютер, который переводит эти данные в координаты точки на
экране монитора. Программные графические редакторы могут воспринимать указатель с программируемыми кнопками как специализированный инструмент (кисть, карандаш, стиральная резинка и т. д.).
Профессиональные дигитайзеры для выполнения различных САПР
имеют размеры A0 и A+.
Основные типы 2D-дигитайзеров [37]:
– электростатические (местоположение курсора определяется
по регистрации изменения электрического потенциала сетки под
указателем);
– электромагнитные (указатель является передатчиком электромагнитных волн, а координатная сетка – приемником).
Важными характеристиками 2D-дигитайзеров являются разрешение и погрешность. Разрешение измеряется числом линий на 1 мм
или на 1 дюйм и определяет шаг считывания данных. Погрешность в
определении координат для указанных типов дигитайзеров составляет
0,1 – 0,7 мм вследствие наличия частных погрешностей регистрирующей сетки, температуры и др.
3D-дигитайзеры (рис. 15.18) [41] подразделяются:
Рис. 15.18. Механический и лазерный 3D-дигитайзеры
– на ультразвуковые (система передатчиков, закрепленных на
стенах и потолке; передатчики излучают звуковые волны, на основании информации об отражении которых вычисляются координаты то-
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
чек поверхности 3D-модели; погрешность в составляет 1,4 мм; применяются в основном в медицине и при оцифровке скульптур);
– электромагнитные (система передатчиков, закрепленных на
стенах и потолке; используется принцип радара при излучении
и
приеме электромагнитных волн; погрешность составляет не менее 0,7
мм);
– лазерные (высокая точность; полная автоматизация при
оцифровке; трудности при работе с объектами с зеркальными, пр озрачными и полупрозрачными поверхностями, а также предметами
большого размера либо имеющими впадины или выступы, препятствующие прямому прохождению лазерного пучка);
– механические (контуры оцифровываемого объекта обводятся
прецизионным щупом, положение которого замеряется механическими датчиками; по массиву полученных трехмерных координатных координат строится модель объекта).
Размер рабочего поля простейших дигитайзеров – графических
планшетов, как правило, 45 или 46 дюймов (рис. 15.19).
Рис. 15.19. Графический планшет
Дигитайзеры начального уровня имеют невысокую точность
(разрешение до 1000 dpi), малое количество градаций нажатия (256
или меньше), нечувствительны к наклону, не позволяют подключать
дополнительные инструменты для расширения своих возможностей
[45].
Графические планшеты для художественных работ в компьютерной графике (рисование, ретуширование, подготовка макетов
и др.) имеют более высокую точность (разрешение 2000 dpi и выше),
большое количество градаций нажатия (512 – 1024), обеспечивают
чувствительность к наклону пера для регулировки «размытия» линий
(рис. 15.20).
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 15.20. Графический планшет среднего уровня
Сенсорные экраны применяются для организации гибкого интерфейса, интуитивно понятного пользователю. В этих устройствах
используются пять базовых принципов – резистивный, ёмкостный,
акустический, инфракрасный и индукционный. Наибольшее распространение получила резистивная технология распознавания, как
наименее зависящая от внешних факторов. Общий подход организации сенсорных экранов заключается в определении координат точки
касания и силы нажатия на экран указателем (стилусом, стилом).
При сравнении дигитайзера как устройства ввода графической
информации с другими устройствами (сканер, цифровой фотоаппарат
и др.), нужно сказать, что дигитайзер дает большую точность ввода
данных (0,05 – 0,1 мм), а при сканировании или фотографировании
изображение приходится масштабировать до нужного размера. Кроме
того, при вводе информации через сканер или фотоаппарат различные
типы линий (линии готового вида или среза, линии наметок, долевые
и др.) воспринимаются программой как одинаковые контуры, что с оздает определенные неудобства в работе конструктора [47].
Сканер и слайд-сканер. Сканером называют устройство, позволяющее вводить в компьютерную систему графическую информацию в виде рисунков, фотографий, слайдов и др. Сканер, обеспечивающий обработку слайдов и диапозитивов, называют слайд-сканером
(рис. 15.21).
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 15.21. Планшетный и слайд-сканер
Известны различные конструктивные типы сканеров, обеспечивающие возможность сканирования широкого спектра объектов
разного размера [49]:
– для работы с прозрачными носителями:
– барабанный сканер;
– цветной слайд-сканер с одним CCD;
– цветной слайд-сканер с 3-мя CCD;
– сканер с CDD-массивом;
– для работы с непрозрачными носителями:
– сканирующая головка на плоттере;
– планшетный сканер;
– рулонный сканер;
– проекционный сканер.
Сканеры классифицируют по различным признакам [37, 40]:
– по типу формирования изображения: линейные и матричные;
– типу сканируемых материалов: прозрачные, непрозрачные;
– области применения: профессиональные, полупрофессиональные, офисные, фото-сканеры;
– типу сканирующего элемента сканера: SSD (Charge-Coupled
Device) – приборы с зарядовой связью (ПЗС); SIC (Contact Image
Sensor) – приборы на фотодиодах; приборы на фотоэлектронных
умножителях (ФЭУ) и др.
Общим в организации сканирования является то, что сканируемый объект освещается и сканирующее устройство сканера (матрица) воспринимает построчно или поточечно либо интенсивность отраженного света (для непрозрачных объектов), либо интенсивность
света после прохождения прозрачного объекта. Затем аналогоцифровой преобразователь сканера переводит уровень освещенности
каждой воспринятой сканирующим элементом точки объекта в цифровую форму, после чего специализированный процессор формирует
данные об изображении для передачи их в компьютер. В настоящее
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
время наиболее распространенными типами интерфейсов для передачи оцифрованной информации в компьютер являются (рис. 15.22):
– последовательный высокоскоростной интерфейс и порт USB
(интерфейс позволяет обеспечить питанием отдельные группы CISсканеров без подключения их к электрической сети);
– последовательный высокоскоростной интерфейс и порт
IEEE1394 (FireWire) (интерфейс не требует специального управляющего контроллера, поэтому потребляет меньше ресурсов центрального процессора).
1. Интерфейс IEEE1394 (FireWire)
2. Интерфейс USB
IEEE1394
Разъемы:
Порт IEEE 1394
ВКС
ЦП
ИЗУ
Порт USB
USB
ЭВМ
Сканер
Рис. 15.22. Структурная схема взаимодействия сканера и компьютера
Большинство современных сканеров для дома и офиса разрабатываются на матрицах двух типов: на CCD или на CIS, достоинства
и недостатки которых приведены в табл. 15.1 [48].
Для выполнения офисных работ наибольшее распространение
получили планшетные сканеры и сканеры со слайд-модулями.
Основными характеристиками сканера являются:
– оптическое разрешение (optical resolution) – определяется
числом элементов линии матрицы, деленное на ширину ее рабочей
области и измеряется в точках на дюйм (dpi); чем больше светочувствительных элементов содержит матрица, тем больше точек на изображении в одной строке может различить сканер;
– механическое (аппаратное) разрешение – определяется минимально возможной длиной шага сканирующей каретки по направлению движения (для получения оцифрованного прямоугольного
изображения матрица со светочувствительными элементами движется, построчно снимая все изображение);
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 15.1
Достоинства и недостатки сканеров на матрицах CCD и CIS
Тип
Достоинства
Недостатки
сканера
– высокая разрешающая спо- – сравнительно высокая
собность (до 2400 dpi
стоимость по сравнению
и выше);
с CIS-сканерам;
– долгий срок службы
– длительный прогрев
лампы;
лампы перед сканированием;
CCD – высокое качество
– требуется отдельный
сканирования;
источник питания
– большая глубина резкости;
– возможность работы
со слайд-модулями
и автоподатчиками документов
– небольшие габариты;
– невысокая разрешающая
– не требуется прогрев
способность (до 1200 dpi);
лампы;
– небольшая глубина
– невысокая стоимость по
резкости;
отношению к CCD-сканерам; – чувствительность
CIS
– низкое энергопотребление к боковой засветке;
(с возможностью обойтись
– сравнительно низкое
без внешнего источника
качество сканирования
питания за счет мощности
от интерфейса USB);
– автономность
– механический привод перемещения каретки для планшетных
сканеров; перемещение измеряется в точках на дюйм; обозначение,
например, «6001200» в описании к сканеру говорит о том, что его
оптическое разрешение составляет 600 dpi, а механическое – 1200 dpi;
– максимальное (интерполированное) разрешение – определяет
программное (искусственное) увеличение оригинального изображения
за счет вставки между сканированными точками дополнительных,
цвет которых рассчитывается исходя из значений соседних
точек;
– динамический диапазон (dynamic range) оптической плотности (D) – характеризует способность сканера воспроизводить плавность и насыщенность тоновых изменений, градационную различимость; определяется разностью между самыми светлыми и самыми
темными тонами (D = Dmax – Dmin); максимально возможное теоретическое значение оптической плотности 4,0D (объект сканирования
черного цвета), минимальное значение 0,0D (объект сканирования
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
прозрачен или белого цвета); если изображение имеет фрагменты
с
оптической плотностью, выходящей за пределы динамического диапазона сканера, то при после сканирования они будут отображены
сплошным черным и белым цветом без оттенков; динамический диапазон сканера для оцифровки цветных фотографий должен быть не
хуже 2,7 – 2,8D, для слайдов – 3,1 – 3,9D [40];
– глубина резкости – характеризует способность сканера передавать без искажений, т. е. потери резкости, фрагменты объемного
объекта, удаленные от плоскости сканирования;
– разрядность (глубина) цвета (bit length representation) – характеризует максимальное число цветов или оттенков серого по каждому цветовому каналу; измеряется в битах, например, 24 бит (по 8
бит на каналы R, G, B в цветовом пространстве RGB), 32 бит в цветовом пространстве CMYK, 48 бит для внутреннего представления цвета
в сканере и передачи в поддерживающие такой формат программы обработки изображений;
– скорость сканирования (scanning speed) – определяется временем обработки одной строки объекта сканирования и измеряется
в миллисекундах; на практике характеризует количество страниц
цветных или черно-белых изображений, сканируемых за единицу
времени.
Датчики. В автоматизированных системах управления предприятиями промышленности и системах управления технологическими процессами вычислительные машины широко используются для
сбора и обработки различных данных с множества датчиков. К ним
относятся датчики температуры, давления, уровня, световой и звуковой сигнализации, таймеры-счетчики, частотные датчики и др. Организация их взаимодействия с компьютером обеспечивается посредством специализированных контроллеров и стандартных интерфейсов
(рис. 15.23).
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Контроллер
распределен Интерфейс RS-485
Интерфейс
ного сбора
RS-232
данных и
управления
Управляющий
компьютер
Контроллер
Контроллер Контроллер
аналогового
аналогового
цифрового
ввода
ввода
ввода
...
...
...
...
...
...
Цифровые
Датчики
Световая
температуры . сигнализация . датчики .
Частотные
Датчики
Звуковая
уровня .
сигнализация . датчики .
ТаймерыДатчики
Считыватели
счетчики .
давления
штрих-кода
Цифровые
...
весы
Рис. 15.23. Устройства ввода на основе промышленных контроллеров
15.5.2. Системы и устройства вывода
Видеосистема. Видеосистема предназначена для оперативного
отображения информации и доведения ее до сведения пользователя.
Видеосистему представляют два составных компонента: аппаратный и
программный. Аппаратный компонент включает:
– видеоадаптер (другие названия – видеоконтроллер, видеокарта, графический адаптер, графический контроллер) для связи
монитора с компьютером;
– монитор (телевизор, ЖК-панель и др.) для визуализации
изображения;
– интерфейс и порт взаимодействия видеоадаптера, монитора
и компьютера (системного блока ЭВМ).
Обобщенная структурная схема аппаратного компонента видеосистемы представлена на рис. 15.24.
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЭВМ
ВКС
ЦП
ИЗУ
Интерфейс ВКС и
видеокарты:
Видеоадартер
1. AGP.
2. PCI Express 1.0. (дисплейный
адаптер)
3. PCI Express 2.0
Графический
процессор
Монитор
Дисплейный
интерфейс
Видеоинтерфейс
Телевизор
Рис. 15.24. Обобщенное представление аппаратного
компонента видеосистемы
Видеоадаптер. Видеоадаптер (рис. 15.25) является сложным
устройством, обеспечивающим преобразование полученных необработанных данных компьютера в видеоданные, которые записываются
в видеопамять адаптера, содержимого видеопамяти в видеосигналы,
управляющие монитором, а также выполнение двух– и трехмерной
визуализации графических объектов и т. д.
Радиатор, прикрывающий
графический процессор и
модули видеопамяти
Разъем
видеоинтерфейса
VGA (D-Sub)
Разъем дисплейного
интерфейса S-Video
Разъем
видеоинтерфейса
DVI
PCI Express - разъем интерфейса с
ВКС компьютера
Рис. 15.25. Видеоадаптер с интерфейсом PCI-Express
Функционально видеоадаптер состоит из нескольких блоков
(рис. 15.26):
– графического процессора;
– видеопамяти (графической памяти);
– расширения BIOS (видеоBIOS);
– цифроаналогового преобразователя RAMDAC;
75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Графический
процессор
Видеопамять
Внутренняя высокоскоростная шина
Расширение
BIOS
Контроллер
RAMDAC
Интерфейс монитора
Интерфейс с ВКС ЭВМ
– интерфейсов с ВКС ЭВМ и монитора и др.
Рис. 15.26. Функциональная схема видеоадаптера
Современный графический процессор (ГП, GPU – Graphic
Processor Unit) по сложности порой превосходит центральный процессор компьютера, хотя и является сопроцессором, предназначенным
для обработки видеоинформации (рис. 15.27).
Рис. 15.27. Графические процессоры разных производителей
Графический процессор характеризует быстродействие видеоадаптера и его функциональные возможности. Видеодрайверы, с помощью которых операционная система и прикладные программы
управляют видеоадаптером, как правило, разрабатываются именно с
учетом параметров ГП.
Основу ГП, как и центрального процессора, составляют арифметико-логические устройства (АЛУ). Архитектура ГП обеспечивает
выполнение программ создания полигональной трехмерной графики
за счет преобладания арифметических устройств обработки графических алгоритмов перед логическими устройствами, а также путем
распараллеливания исполнения графических алгоритмов и организации потоковой конвейерной обработки данных. Особенностью графи-
76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ческих алгоритмов является независимость обрабатываемых объектов,
как, например, при обработке вершин треугольника. Вследствие этой
независимости в структуру ГП включены несколько вершинных блоков обработки и пиксельных конвейеров, что позволило наращивать
производительность графического ускорителя путем увеличения их
количества. С внедрением пиксельных и вершинных шейдеров (микропрограмм) в графических алгоритмах появились динамические операции (условия), требующие определенного порядка обработки исходных данных. Это привело к внедрению в ГП полноценных параллельных конвейеров со своей контрольной логикой [40].
Современные графические процессоры содержат множество
функциональных блоков. По сравнительному количеству этих блоков
(массиву общих процессоров для потоковой обработки вершин
и
пикселей, а также других возможных видов данных) в разных графических процессорах можно приблизительно оценить, насколько производителен тот или иной ГП. При этом каждая серия GPU использует
новую архитектуру, в которой исполнительные блоки сильно отличаются от старых, кроме того, соотношение количества разных блоков
может различаться.
В качестве примера ГП с множеством функциональных блоков
на рис. 15.28 приведена унифицированная архитектура ГП G92 от
NVIDIA.
Архитектура G92 включает семь универсальных вычислительных блоков (шейдерных процессоров). В каждом из блоков сгруппированы по 8 TMU и 16 скалярных ALU (для выполнения операций
с плавающей запятой), в которых может исполняться часть вершинного, пиксельного или геометрического шейдера над блоком из
32 пикселей, вершин или иных примитивов либо можно заниматься
другими (неграфическими) расчетами. У каждого шейдерного процессора имеется свой кэш первого уровня L1, в котором хранятся текстуры и другие данные. Кроме управляющего блока и вычислительных
шейдерных процессоров присутствуют четыре блока ROP, исполняющих определение видимости, запись в буфер кадра, сгруппированные c контроллерами памяти, очередями записи и кэшем второго уровня
L2.
Основными характеристиками видеоадаптера являются [58]:
– тактовая частота ГП – чем она выше, тем больший объем работы GPU может выполнить в единицу времени, обработать большее
количество вершин и пикселей;
– скорость заполнения (филлрейт) – показывает, с какой скоростью GPU способен отрисовывать пиксели;
77
Рис. 15.28. Унифицированная архитектура ГП G92 от NVIDIA
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– количество блоков пиксельных процессоров – по их числу
и частоте можно сравнивать шейдерную производительность разных
видеокарт;
– количество блоков вершинных процессоров;
– количество универсальных процессоров;
– объем видеопамяти – используется GPU для хранения текстур, вершин, буферов и т. п.;
78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– ширина шины памяти – является важнейшей характеристикой, влияющей на пропускную способность памяти: большая ширина
позволяет передавать большее количество информации из видеопамяти в GPU и обратно в единицу времени, что в большинстве случаев
положительно влияет на производительность;
– частота видеопамяти – параметр, который так же, как ширина
шины, влияет на пропускную способность памяти: чем выше ширина
шины памяти и ее тактовая частота, тем выше пропускная
способность.
Для того, чтобы достичь лучшей производительности 3Dграфики, видеоадаптеры с высокоскоростными ГП должны поддерживаться производительными процессорами. Существует множество задач в процессе рендеринга (например, триангуляция), которые решаются только процессором. Например, выполнение расчетов, которые
кажутся чисто графическими задачами (например, воксельная выборка), зависит больше от мощности процессора, чем от графической
карты. Это означает, что быстрый процессор и быстрый интерфейс
между процессором и графической картой для обмена данными существенны для обеспечения хорошей графической производительности
всей системы (в данном случае интерфейс видеоадаптера PCI Express
лучше, чем AGP) [71].
Видеопамять – это специальная область памяти. Из нее контроллер дисплея организует циклическое чтение содержимого для регенерации изображения на мониторе. Выделяют аппаратновыделенную видеопамять, устанавливаемую на видеоадаптере и унифицированную память UMA (Unified Memory Architecture). В случае
использования архитектуры UMA, под видеобуфер выделяется область основной памяти компьютера, что позволяет удешевить ЭВМ,
но при этом снижается производительность всей видеосистемы.
С помощью как аппаратно-выделенной, так и видеопамяти UMA выполняются одни и те же операции. Современные видеоадаптеры в качестве аппаратно-выделенной используют специализированную высокоскоростную видеопамять (рис. 15.29) типа Graphic DDR (GDDR3,
GDDR4 и др.), могут использоваться также и микросхемы памяти,
применяемые в основной памяти ЭВМ, – DDR SDRAM, DDR2
SDRAM. Высокая скорость видеопамяти необходима для повышения
производительности всего видеоадаптера. От объема видеопамяти зависит максимальная разрешающая способность экрана монитора
и глубина цвета, поддерживаемая видеоадаптером.
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 15.29. Микросхема памяти GDDR3
Графический процессор и видеопамять обмениваются данными
по внутренней (локальной) высокоскоростной шине. Разрядность
внутренней шины видеоадаптеров кратна 64 (64, 128, 256, 384, 512
бит), что позволяет организовывать многоканальный режим работы
и высокую пропускную способность (более 100 Гбайт/с).
ВидеоBIOS обеспечивает работу контроллера дисплея в текстовом и графическом режимах работы с любым монитором. Она
необходима для начальной инициализации видеоадаптера и поддержки простейшего интерфейса пользователя и содержит базовые компоненты драйвера, а также другие необходимые компоненты. Программа, которая обращается к функциям видеоBIOS, может быть автономным приложением, операционной системой или системной BIOS. Обращение к функциям видеоBIOS позволяет вывести информацию о
мониторе во время выполнения процедуры POST и начать загрузку
компьютера до начала загрузки с диска других программных
драйверов.
RAMDAC (random access memory digital to analog converter)
обеспечивает преобразование полученного из видеопамяти кода каждого цвета RGB в аналоговый сигнал и через интерфейс монитора передает его в монитор. Хранение цветовой палитры для преобразования в аналоговый сигнал осуществляется в своей собственной оперативной памяти (RAM). Для обеспечения быстрой горизонтальной развертки (высокого разрешения) микросхема RAMDAC работает на высокой тактовой частоте (до 350 МГц). При увеличении быстродействия DAC происходит повышение частоты вертикальной регенерации, что позволяет достичь более высокого разрешения экрана при
оптимальных частотах обновления (72 – 85 Гц и более). В большинстве современных видеоадаптеров функции RAMDAC поддерживаются непосредственно графическим процессором.
Интерфейс с внутренней коммуникационной системой
компьютера. Современные графические процессоры используют
один из двух типов интерфейса: AGP или PCI Express, отличающихся
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
друг от друга в основном пропускной способностью, предоставляемыми возможностями для питания видеокарты, а также другими характеристиками. Теоретически, чем выше пропускная способность
интерфейса, тем лучше. Однако разница в пропускной способности
даже в несколько раз не сильно влияет на производительность видеосистемы, вследствие чего данная характеристика интерфейса редко
является узким местом, ограничивающим производительность.
AGP (Accelerated Graphics Port или Advanced Graphics Port) –
это высокоскоростной интерфейс, основанный на спецификации PCI,
который был создан специально для соединения видеокарт и системных плат. Шина AGP предоставляет прямую связь между центральным процессором и графическим процессором, обеспечивает возможность чтения текстур напрямую из оперативной памяти, без их копирования в видеопамять (GART), а также высокую тактовую частоту,
упрощенные протоколы передачи данных и др.
Существует четыре разновидности шины AGP – 1х, 2х, 3х, 4x,
и 8х. Версия AGP 1х работает на частоте 66 МГц и обеспечивает максимальную скорость передачи данных – 266 Мбайт/с. Версия AGP 2х
работает на частоте 133 МГц и обеспечивает скорость передачи данных 533 Мбайт/с. AGP 4х обеспечивает скорость передачи данных до
1 Гбайта/с. Скорость передачи данных шины по спецификации AGP
8х достигает 2 Гбайт/с. Режим 8х совместим со слотами AGP 4х, присутствующими в системных платах.
В настоящее время наиболее распространенным является новый стандарт интерфейса PCI Express, который разработан на замену
AGP. Шина PCI-E обеспечивает достаточно широкую полосу пропускания шин ввода-вывода для удовлетворения растущих требований
к скорости передачи данных по этим шинам. Ширина пропускания
PCI Express масштабируется за счет добавления каналов с данными,
при этом получаются соответствующие модификации шины (PCI-E
x1, х2, x4, x8, x16).
Производительность интерфейса PCI-E характеризуется числом используемых сигнальных линий. Одна линия имеет пропускную
способность 250 Мбайт/с в каждом направлении передачи сигналов.
Интерфейс PCI-E 16x (16 линий) имеет пропускную способность
4
Гбайт/с. Наличие двух одинаковых слотов PCI-E позволяет для повышения производительности видеосистемы использовать сразу два видеоадаптера в параллельном режиме SLI или CrossFire.
Дисплейный интерфейс монитора обеспечивает взаимодействие с аналоговыми и цифровыми мониторами посредством различных типов интерфейсов и их разъемов.
Аналоговый разъем VGA (другие названия D-Sub или DB-15F)
предназначен для подключения аналоговых мониторов (рис. 15.30).
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 15.30. Аналоговый разъем VGA
Разъем предназначен для вывода аналогового сигнала, на качество которого может влиять множество факторов, например, качество
RAMDAC и аналоговых цепей, поэтому качество получаемой картинки может различаться на разных видеокартах. Современные видеокарты
обычно
используют
высококачественные
компоненты
и дают четкую картинку на всех поддерживаемых разрешениях.
Разъем DVI предназначен для вывода цифрового видеосигнала
(рис. 15.31). Существует три типа DVI-разъемов: DVI-D (цифровой),
DVI-A (аналоговый) и DVI-I (integrated комбинированный или универсальный). DVI-D выводит сигнал только в цифровом виде, к нему
могут быть подключены цифровые LCD-мониторы с DVI входами или
профессиональные ЭЛТ-мониторы с встроенным RAMDAC
и
входом DVI. От DVI-I этот разъем отличается физическим отсутствием части контактов.
DVI-A предназначен для вывода аналогового изображения на
ЭЛТ-мониторы, его качество соответствует качеству стандартного
VGA-подключения. DVI-I – это комбинация DVI-D и DVI-A, является
универсальным и при помощи специальных переходников к нему
можно подключить цифровой или обычный аналоговый ЭЛТ-монитор
с VGA-входом.
Рис. 15.31. Цифровой разъем DVI-D
82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для передачи цифровых данных используется либо одноканальное решение DVI Single-Link, либо двухканальное – Dual-Link.
Формат передачи Dual-Link удваивает пропускную способность и
позволяет получать разрешения экрана выше, чем 1920×1080 и
1920×1200 на 60 Гц, поддерживая режимы очень высокого разрешения (например, 2560×1600 и 2048×1536). Поэтому для самых крупных
LCD-мониторов с большим разрешением, таких, как 30" модели, обязательно нужна видеокарта с двухканальным (два разъема) DVI DualLink выходом [58].
Интерфейс HDMI (High Definition Multimedia Interface) обеспечивает одновременную передачу визуальной и звуковой информации по одному кабелю (рис. 15.32).
Рис. 15.32. Разъем HDMI
HDMI позволяет передавать защищенные от копирования звук
и изображение в цифровом формате cо скоростью до 10,2 Гбайт/с (для
стандарта версии HDMI 1.3). Разъем HDMI на видеокарте может отсутствовать и при необходимость подключения его заменяет переходник с DVI на HDMI.
DisplayPort – новый цифровой видеоинтерфейс (рис. 15.33),
стандартизованный международной организацией VESA (Video
Electronics Standards Association). Основные отличительные особенности данного интерфейса: открытый и расширяемый стандарт; поддержка форматов RGB и YCbCr; поддержка глубины цвета: 6, 8, 10, 12
и 16 бит на цветовую компоненту; передача полного сигнала (2560 х
2048) на 3, а 1080p – на 15 м; поддержка 128-битного AES кодирования DisplayPort Content Protection, а также 40-битного High-bandwidth
Digital Content Protection (HDCP 1.3); большая пропускная способность по сравнению с Dual-Link DVI и HDMI; передача нескольких
потоков по одному соединению (планируется в будущих версиях);
совместимость с DVI, HDMI и VGA при помощи переходников; про-
83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
стое расширение стандарта под изменяющиеся потребности рынка;
внешнее (видеокарта к монитору) и внутреннее присоединения (подсоединение LCD-панели в ноутбуке, замена внутренних LVDSсоединений) [58].
Рис. 15.33. Разъем DisplayPort
Монитор. Наиболее распространенными компьютерными
устройствами отображения информации являются мониторы. Качество изготовления экрана монитора является важным фактором для
сохранности зрения пользователя компьютера. С точки зрения принципа действия, все мониторы разделяются на две группы (рис. 15.34):
– мониторы на основе электронно-лучевой трубки ЭЛТ
(кинескопы);
– плоскопанельные мониторы на основе различных технологий
(жидкокристаллические, плазменные, светодиодные и др.).
Рис. 15.34. ЭЛТ– и плоскопанельный мониторы
Структурные схемы взаимодействия монитора, телевизора
и компьютера показаны на рис. 15.35 и 15.36.
84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Разъемы:
1. Интерфейс VGA (D-Sub)
2. Интерфейс DVI
3. Интерфейс HDMI
VGA
ВКС
ЦП
DVI
Видеокарта
HDMI
ИЗУ
ЭВМ
Монитор
Рис. 15.35. Структурная схема взаимодействия монитора и компьютера
Принцип действия мониторов на ЭЛТ основан на отклонении
потока электронов электромагнитным полем управляющей системы.
Поток электронов, выстреливаемый электронной пушкой, попадает на
стекло, покрытое слоем люминофора, и вызывает его свечение. Специальная система фокусировки делает этот поток очень тонким. Цветное изображение получают из трех основных цветов: R – красный, G –
зеленый, B – синий (цветовая модель RGB). На внутреннюю поверхность стекла наносится люминофор трех типов, каждый из которых
светится своим цветом.
Разъемы:
S-Video
ВКС
ЦП
Видеокарта
1. Интерфейс S-Video
2. Интерфейс HDMI
3. Интерфейс RGB
HDMI
RGB
ИЗУ
Телевизор
ЭВМ
Рис. 15.36. Структурная схема взаимодействия телевизора и компьютера
В кинескопе работают три электронно-лучевые пушки. Яркость свечения одной точки люминофора обеспечивается интенсивностью потока электронов. Воспринимаемая глазом одна цветная точка
85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
изображения на самом деле состоит из трех разноцветных точек люминофора. Оттенок цвета этой точки изображения формируется из
различной яркости каждой из трех цветных точек люминофора. Расстояние между люминофорными точками одинакового цвета для мониторов с так называемой теневой маской называется Dot Pitch (шаг
точки, DP), для мониторов с апертурной решеткой – Strip Pitch (SP)
(рис. 15.37) и обычно измеряется в миллиметрах. Чем меньше значение шага точки, тем выше возможное разрешение монитора. Соотношение между DP и SP примерно следующее: 0,27 мм DP эквивалентно
0,25 мм SP [61].
DP
B
B
R
R
G
B
R
G
B
R
G
B
R
G
B
G
B
R
G
SP
Рис. 15.37. Матрица люминофорных точек
Для формирования изображения пучок электронов должен отклоняться электромагнитным полем таким образом, чтобы он пробегал по экрану монитора по всем строкам. При разрешении монитора,
например 1280900 точек изображения, пучку электронов необходимо
пройти 900 строк и в каждой из них поставить по 1280 отметок.
Свечение люминофора кратковременно, поэтому для поддержания «картинки» необходимо постоянное сканирование электронного луча, даже если изображение является неподвижным. В связи с
этим важными для ЭЛТ-монитора являются следующие параметры:
частота вертикальной (кадровой) развертки, частота горизонтальной
(строчной) развертки и ширина полосы пропускания видеотракта.
Из-за инерционности восприятия света человеческим глазом
(время сохранения светового возбуждения глаза составляет
0,4
– 1,0 с) частота обновления изображения (частота кадров) составляет
25 Гц. В мониторах, как и в телевизорах для сокращения полосы спектра телевизионного сигнала применяется чересстрочная развертка,
позволяющая построить один кадр из двух полукадров. За время равное 1/50 с на экран передаются только нечетные строки (1, 3, 5
и
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
т. д.), затем четные строки (четный полукадр). При наложении двух
полукадров получается полный кадр.
Для безопасной работы требованиями стандартов безопасности
(MPR II, TCO 92, TCO 95, TCO 99) изготовителям ЭЛТ-мониторов
предписывается снизить электромагнитные и электростатические поля до 30 см вокруг монитора, обеспечить частоту обновления экрана
(кадровую развертку) не менее 85 Гц, снизить допустимые уровни
энергопотребления в дежурном режиме и мн. др.
Большая частота обновления экрана необходима для динамичных сцен (например, слежение за игровой ситуацией) или при использовании стереоочков (для правого и левого глаза выдаются разные
картинки). В этих случаях частота кадров порядка 140 – 150 Гц будет
приемлема. Однако при этом требуется монитор с высокой шириной
полосы пропускания видеотракта. При работе монитора с частотой
100 Гц на разрешении 16001200 точек требуется видеотракт с полосой пропускания около 250 МГц, что доступно только для дорогих игровых либо профессиональных мониторов.
Основными недостатками ЭЛТ-мониторов являются:
– муар (искажения, похожие на легкую рябь, особенно явно
проявляющиеся на штриховых изображениях с часто чередующимися
полосами);
– большие габариты и вес;
– мерцание экрана (устраняемое путем выставления частоты
кадров выше 85 Гц);
– вредные излучения для человека (значительно сниженные за
счет внедрения в процесс производства стандартов безопасности).
Плоскопанельные мониторы основаны на нескольких технологиях: на жидких кристаллах (LCD), плазменных элементах (PDP),
органических светодиодных элементах (OLED), электронной эмиссии
(FED) и некоторых других.
Панель означает LCD (liquid crystal display), или ЖК (жидкокристаллический) монитор. ЖК-монитор имеет панель, ячейки которой содержат жидкие вещества, обладающие свойствами, присущими
кристаллам, а именно: под воздействием электрического поля изменять свою ориентацию. Изменение ориентации жидкого кристалла
обеспечивает пропускание через него света от специальной лампы или
его блокирование (рис. 15.38).
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Свет
Электроды
Напряжение
не подается
Свет
Электроды
Жидкие
кристаллы
Напряжение
есть
Жидкие
кристаллы
Свет
Рис. 15.38. Принцип работы ЖК-ячейки
При небольшом размере экрана к каждому элементу изображения подводится по два электрода (общий и управляющий). Однако
у матричного дисплея количество электродов очень велико, поэтому
применяются матрицы (сетки) управляющих электродов, разбитые на
несколько полей развертки, а также мультиплексирование управляющего сигнала.
Формирование цвета в ЖК-матрицах происходит подобно
в ЭЛТ-мониторах – одна точка изображения (пиксел) состоит из трех
ЖК-ячеек. Цвет каждой ячейки задается наложением на нее цветового
фильтра одного из основных цветов RGB. Белый и серые оттенки
формируются подачей света в равных пропорциях сквозь все три
фильтра. Таким образом, число управляемых ячеек в панели должно
быть в три раза больше выводимого изображения.
Базовых технологий, на которых построены ЖК-матрицы, несколько: TN+Film TFT, IPS и S-IPS, MVA и PVA.
Самой первой технологией производства активных матриц является TN+Film TFT (TN – Twisted Nematic, TFT – Thin Film Transistor,
«Film» означает, что экран покрыт сверху специальной пленкой с высоким показателем преломления для увеличения угла обзора). Технология
тонкопленочных транзисторов TFT позволила назначить каждой из ЖКячеек переключающий транзистор, конденсатор и резистор.
Достоинства матрицы TN+Film TFT:
– относительная простота производства и вследствие этого
дешевизна;
– наименьшее время отклика, что обеспечивает широкое применение матриц для игр и кино.
Недостатки:
– недостижимость получения черного цвета (при подаче максимального напряжения сложно поставить молекулы строго перпен-
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дикулярно поляризационным фильтрам) и, тем самым, проблема увеличения контрастности изображения;
– постоянное свечение при выходе из строя ЖК-ячейки (при
перегорании транзистора), при этом она пропускает через себя свет
лампы;
– небольшие углы обзора;
– недостаточная цветопередача вследствие того, что в подавляющем большинстве TN-матрицы 18-разрядные (по 6 бит на цвет),
поэтому выводить 24– или 32-битный цвет не могут. Недостающие
цвета воспроизводятся при помощи технологии FIC (Frame Rate
Control), которая попеременно, обманывая человеческий глаз, кадр за
кадром выводит оттенки, в среднем дающие требуемый.
Технология IPS и S-IPS (In-Plane Switching и Super In-Plane
Switching) обеспечивает четкий черный цвет в результате полного блокирования света перпендикулярными поляризационными фильтрами.
Загорание ЖК-ячейки происходит не при отсутствии напряжения, а при
его наличии (вышедшие из строя ячейки не светятся). IPS-панели обеспечивают полную 24-битную цветопередачу и имеют широкие углы обзора (из-за особого расположения молекул ЖК) – порядка 170º.
Достоинства предопределили применение этих панелей для
профессиональной работы с изображениями.
Недостатками панелей IPS являются:
– невысокая контрастность из-за большей площади, выделенной подающим напряжение электродам;
– высокое потребление энергии вследствие необходимости
установки мощной лампы (чтобы свет прорывался сквозь лес электродов) и большего, чем у матриц TN, числа транзисторов на каждую
ЖК-ячейку;
– высокое (по сравнению с TN) время отклика, особенно при
переходах между близкими состояниями яркости элемента;
– высокая стоимость.
Технологии MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) и PVA
(Patterned Vertical Alignment) разрабатывались с целью устранения недостатков, присущих матрицам TN и IPS. Молекулы жидкого кристалла организуются здесь не параллельно к плоскости экрана, как у
TN и IPS, а перпендикулярно к ней. Пока не подано напряжение на
электроды, молекулы находятся параллельно между фильтрами
и
свет не проходит. Когда подается напряжение, кристаллы все вместе
отклоняются в сторону, меняя вектор поляризации. Свет через них
проходит в нужном количестве, которое регулируется углом наклона.
Достоинства технологий MVA и PVA:
– широкие углы обзора (160º в обоих направлениях);
– высокая контрастность;
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– глубокий черный цвет (кроме того, при перегорании ЖКячейки, как и в случае IPS, чернеют).
Недостатки:
– относительно высокая скорость отклика пикселов;
– высокая стоимость.
При выборе ЖК-монитора для профессиональной деятельности
важную роль играют не только размеры матрицы (диагональ), ее разрешение, глубина цвета (цветопередача), время отклика и стоимость,
но и наличие дефектов. Обновленный в 2001 г. стандарт ISO 13406–2,
кроме ряда эргономических требований к качеству изображения, получаемого с помощью ЖК-монитора (по яркости, контрастности, отражению, равномерности подсветки, цветовой равномерности, читаемости текста, мерцанию), определяет количество дефектных
пикселов.
Стандарт определяет четыре класса качества мониторов и четыре типа дефектных пикселей. Класс качества 1, самый высокий, не
допускает наличия дефектных пикселов. Существуют следующие типы дефектных пикселов:
Тип 1: постоянно горящие пиксели (цвет белый).
Тип 2: постоянно негорящие пиксели (цвет черный).
Тип 3: пикселы с другими дефектами, включая дефекты
ЖК-ячеек, составляющих пикселы (постоянно горящие или постоянно
негорящие красные, зеленые и голубые пикселы).
Тип 4 (группа дефектных пикселов): несколько дефектных
пикселов в квадрате 5 x 5 пикселов.
Допустимое количество дефектов матрицы рассчитывается из
расчета на 1 млн пикселов по классам ЖК-мониторов и типам дефектов (табл. 15.2) [63].
Таблица 15.2
Границы количества дефектных пикселов мониторов
Число клаЧисло кластеров, соЧисло
Число
Число
стеров, содержащих
Класс дефектов дефектов дефектов
держащих
более 1 детипа 1
типа 2
типа 3
более 1 дефекта типа 1
фекта типа 3
или типа 2
I
0
0
0
0
0
II
2
2
5
0
2
III
5
15
50
0
5
IV
50
150
500
5
50
90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Например, для 17-дюймовых мониторов, соответствующих
стандарту ISO 13406–2, суммарное допустимое число дефектных пикселов больше, чем для 15-дюймовых:
– для 15-дюймовых панелей класса 2 допустимо не более 1-го
постоянно горящего, 1-го постоянно негорящего и 3-х красных, зеленых или голубых пикселов (всего не более 5-ти дефектных пикселов);
– для 17-дюймовых панелей класса 2 допустимо не более 2-х
постоянно горящих, 2-х постоянно негорящих и 6-ти красных, зеленых или голубых пикселов (всего не более 10-ти дефектных пикселов).
В плазменных панелях (Plasma Display Panel, PSP) вместо
жидких кристаллов используется ионизированный газ, молекулы которого излучают свет в процессе рекомбинации (восстановлении
электрической нейтральности). Для приведения молекул в состояние
плазмы (ионизированное состояние газа) требуется высокое напряжение.
Главным достоинством плазменных панелей является возможность изготовления устройств отображения большого размера (с
диагональю 32 дюйма и выше).
Недостатки таких панелей следующие:
– потребление большой мощности от сети (из-за значительного числа отдельных элементов, к которым необходимо подвести высокое напряжение);
– отсутствие глубокого черного цвета (для обеспечения высокой скорости переключения необходимо держать каждый элемент панели в режиме готовности к зажиганию, из-за чего к каждому из них
подведено напряжение, близкое к пороговому, что вызывает легкое
свечение неионизированного газа).
Особенностью изготовления панелей OLED (Organic LightEmitting Diode) или LEP (Light Emission Plastics – светоизлучающий
пластик) является применение специального органического полимера
(пластика), обладающего свойствами полупроводимости. При пропускании электрического тока полимер начинает светиться.
Достоинствами технологии OLED являются:
– низкое энергопотребление (напряжение около 3 В);
– низкая инерционность;
– простота и дешевизна изготовления.
Недостаток заключается в низкой яркости свечения.
Мониторы электростатической эмиссии (FED – Field
Emission Display) в качестве пикселов используют люминофор, такой
же, как в ЭЛТ-мониторах. Активизация зерен люминофора производится электронными ключами как в ЖК-мониторах. Управление этими ключами осуществляется специальной схемой, подобной контроллеру ЖК-панели.
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Достоинствами мониторов этого типа являются:
– высокое качество изображения (лучшее среди всех плоскопанельных мониторов);
– низкая инерционность (около 5 мкс).
Недостаток заключается втом, что для работы монитора использует высокое напряжение – около 5 000 В.
Проектор. Устройство для демонстрации (проецирования)
цветного изображения на внешний экран называют проектором. Для
вывода на экран изображения с компьютера существуют две большие
группы проекторов [37]:
– универсальные проекторы общего назначения (оверхедпроекторы);
– мультимедийные проекторы.
В качестве источника проецируемого изображения используются ЖК-панели, на которые выводится сигнал с видеоадаптера компьютера. Проектор, который в качестве входного сигнала использует
видеосигнал с бытовой техники, называют видеопроектором.
Универсальный проектор (Over Head Projector – проектор,
расположенный над головой) обеспечивает вывод изображения на
экран при помощи наклонного проекционного зеркала. Различают два
типа оверхед-проекторов: отражательные и просветные проекторы.
Отражательные проекторы проецируют изображение с прозрачной пленки на экран, просвечивая ее с помощью проекционной
лампы. Из-за недостаточной для просвечивания мощности лампы этот
тип малогабаритных проекторов не используется для работы с ЖКпанелями.
В просветном проекторе мощная проекционная лампа с системой принудительного охлаждения размещена внутри своего основания и обеспечивает достаточную световую силу для просвечивания
и вывода на экран не только изображения с прозрачной пленки, но
и с менее прозрачной ЖК-панели (рис. 15.39).
92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Проекционное
зеркало
Экран
Рассеивающая
линза
ЖК-панель
Фокусирующая линза
Вентилятор
системы
Компьютер Проекционная лампа
Рис. 15.39. Организация просветного проектора
ЖК-панель помещается на прозрачное основание проектора.
Свет от проекционной лампы просвечивает ЖК-панель, через рассеивающую линзу и проекционное зеркало проецируется на экран. ЖКпанель представляет собой отдельное устройство, снабженное собственными органами управления, параметрами изображения и (опционально) пультом дистанционного управления. Характеристики плоской панели соответствуют характеристикам ЖК-монитора: размер,
разрешение, цветовая глубина и др.
Мультимедийный проектор (рис. 15.40).
Рис. 15.40. Мультимедийный проектор
Выделяют три основные технологии вывода изображения на
экран, получившие наиболее широкое применение и различающиеся,
93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
в первую очередь, типом элемента, используемого для формирования
изображения:
– CRT (Cathode Ray Tube);
– LCD (Liquid Crystal Display);
– DLP (Digital Light Processing).
В каждом случае свойства формирователя определяют основные достоинства и недостатки технологии, а, следовательно, и область
применения созданных на ее основе проекционных аппаратов.
Проекторы CRT содержат три кинескопа размером по диагонали 7 – 8 дюймов, на каждый из которых подается своя цветовая составляющая изображения (цветовая модель RGB), и через линзы и соответствующие светофильтры они проецируются на экран. В настоящее время такие проекторы считаются устаревшими.
Проекторы LCD содержат ЖК-матрицу, просвечивая которую
мощная лампа выводит изображение на экран. Схема проектора LCD
показана на рис. 15.41.
Световой поток
Конденсор
Проекционная
лампа
Экран
Объектив
ЖК-матрица
Рис. 15.41. Упрощенная схема проектора LCD
Для обеспечения высокой яркости выводимого изображения
и возможности вывода на большой экран требуется мощная лампа,
которая при организации LCD-проектора, как на рис. 15.41, перегревает ЖК-матрицу. Поэтому вместо одной полноцветной матрицы
в проекторе применяют три монохромных, подавая на каждую и них
изображения своего цвета (рис. 15.42).
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 15.42. Структура LCD-проектора
Свет от лампы поляризуется для лучшей когерентности, затем
разделяется призмой на три цветных составляющих, после прохождения монохромных ЖК-матриц такой же призмой объединяется и через
объектив выводится на экран.
Недостатками LCD-проекторов (по сравнению с DLPпроекторами) являются:
­ невысокая контрастность;
­ неглубокий черный цвет;
­ постепенное выгорание светофильтров при длительном
пользовании проектором.
Проекторы DLP в качестве отражающей поверхности вместо
ЖК-матрицы используют матрицу из множества электронноуправляемых микрозеркал (рис. 15.43).
Тепловой фильтр
Зеркало
Зеркало
Интегральный
конденсор
DMD-матрица
Призма
полного
внутреннего
отражения
Объектив
Проекционная
лампа
Цветоделительная
комбинированная
призма
Рис. 15.43. Трехматричный проектор DLP
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Микрозеркала на матрице (DMD – Digital Micromirror Device)
поворачиваются на фиксированный угол либо в сторону объектива
(отражает свет от лампы в сторону экрана), либо в сторону светопоглотителя (свет не отражается). Уровень яркости получается за счет
отношения времени свечения ко времени, когда свет не отражается
(так называемой скважности). Для получения цветного изображения
применяют три матрицы, на каждую из которых подается своя составляющая изображения.
Благодаря малым размерам микрозеркал (около 1 мкм), на выводимом изображении практически полностью отсутствует зернистость. DLP-проекторы обеспечивают высокую яркость изображения
и равномерность ее распределения, кроме того, в отличие от
LCD-проектора, в выводимой картинке отсутствует эффект засветки
соседних пикселов экрана.
Недостатками DLP-проекторов являются:
­ относительно высокая стоимость;
­ для отдельных людей заметна скважность работы DMDматрицы, что вызывает радужный эффект, вследствие этого проекторы данного типа не рекомендуется применять в критически важных
ситуациях [65].
Принтер. Принтер – это устройство для вывода изображения
на бумагу или пленку. Структурная схема взаимодействия принтера
и компьютера показана на рис. 15.44.
Принтеры чаще всего различают по способу печати (нанесения
красителя). В соответствии с этим признаком они классифицируются:
– на принтеры ударного типа;
– лазерные;
– струйные;
– термопринтеры и др.
Разъемы:
Порт LPT
ВКС
ЦП
ИЗУ
Порт USB
1. Параллельный интерфейс LPT
2. Интерфейс USB
LPT
USB
Принтер
ЭВМ
Рис. 15.44. Структурная схема взаимодействия принтера и компьютера
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Принтеры ударного типа бывают буквопечающими (как в печатающих машинках для печати из набора готовых букв выбирается
одна и через красящую ленту прижимается к бумаге) и матричными
игольчатыми (буквы образуются в матрице выступающих игл и также
через красящую ленту прижимаются к бумаге, формируя букву или
знак). Применяются в областях, где не требуется высокого качества
печати, а, в первую очередь, требуется беспрерывная долговременная
работа при минимальных затратах на расходные материалы (например, в работе регистраторов), для нанесения надежного несмываемого
текста (например, для документов) и в других специальных
условиях.
Лазерные принтеры используют принцип переноса изображения, подобный ксероксам (рис. 15.45).
Отклоняющее
зеркало
Лазер
Картридж
с тонером
Механизм
заряда
Барабан
Лист
девелопер
бумаги
Фотобарабан
Ролик
очистки
Фиксирующие
цилиндры
Рис. 15.45. Принцип работы лазерного принтера
Печатаемое изображение формируется лучом лазера построчно
или поточечно на вращающемся фотобарабане, покрытом слоем полупроводникового материала – фоторецептора. Специальное устройство (коротрон) наносит на фоторецептор электрический заряд. Под
воздействием лазерного луча в точке нанесения изменяется знак электрического разряда. Сформированная таким образом строка в ходе
вращения фотобарабана попадает в зону напыления тонера. Тонер –
это мелкодисперсная смесь полимера, красителя и магнитного
материала.
Тонер через магнитный вал и устройство заряда тонера (ракель) поступает к фотобарабану, после чего частицы тонера притягиваются к участкам с противоположным зарядом. С другой стороны к
фотобарабану поступает лист бумаги, заряженный другим коротроном,
и притягивает, благодаря своему заряду, частички тонера от
фотобарабана.
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Чтобы тонер не стряхнулся с поверхности бумаги, он нагревается до температуры плавления полимера (около 180°С), что приводит
к прочному сцеплению тонера с бумагой.
В цветных лазерных принтерах применяются три картриджа
с тонером разного цвета (цветовая модель CMY), тонер наносится поочередно, образуя в результате цветное изображение.
К основным характеристикам лазерных принтеров относят разрешающую способность (измеряется в dpi), скорость печати, ресурс,
стоимость печати в расчете на один лист, цветовой диапазон.
Струйные принтеры применяют принцип поточечного и построчного нанесения жидкого красителя на бумагу. Существует несколько методов нанесения красителя: пьезоэлектрический, термоструйный (метод газовых пузырей), drop-on-demand. Методы различаются способами формирования маленького размера капли краски
и выталкивания ее за пределы печатающей головки при высокой скорости повторения данного процесса. Печатающая головка струйных
принтеров содержит множество сопел, организованных в матрицу таким образом, чтобы за один раз вытолкнуть столько капель, сколько
достаточно для нанесения одного знака (буквы) строки. Движение бумажного листа по вертикали обеспечивается механизмом подачи бумаги, от прецизионной точности которого и от шага точек в печатающей головке зависит разрешающая способность принтера.
Возможность применить для печати одного изображения несколько картриджей с разными цветами красителей (до 4-х и более)
обеспечивает печать фотографического качества. Кроме того, при
сравнении с лазерными, струйные принтеры обеспечивают большее
разрешение (1800 dpi у лазерных против 4800 dpi у струйных).
Термопринтеры используют конструкцию игольчатых принтеров, но в отличие от последних не имеют красящей ленты. Иглы печатающей головки при контакте со специальной бумагой нагревают ее в
месте контакта, образуя точку, и которых формируется символ или
изображение. Скорость печати не высокая.
Плоттер (другое название – графопостроитель) обеспечивает
вывод изображения не только в виде напечатанного изображения (рис.
15.46), но и выполняет другие операции, например, вырезание по заданному контуру. Если принтер обеспечивает вывод изображения по
точкам (растровый принцип), то плоттер – по линиям (векторный
принцип).
Плоттеры используются обычно совместно с программами
САПР для вывода комплекта конструкторской или технологической
документации. Поле для черчения у плоттеров соответствуют стандартам ISO (форматы А4 – А0) или ANSI (форматы A – E).
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Различают планшетные (лист бумаги укладывается на горизонтальную поверхность, изображение наносится при движении в одном
направлении каретки с печатающей или пишущей головкой) и рулонные (пишущая головка передвигается вдоль оси барабана, по которому протягивается лист бумаги) плоттеры. В качестве печатающей головки используется такие же головки, как у струйных принтеров
(струйный плоттер), пишущая головка использует перья типа фломастера, шариковой ручки, ножа и др.
Рис. 15.46. Рулонные плоттеры
Исполнительные устройства и механизмы. В промышленном производстве в качестве периферийных устройств ЭВМ применяются различные исполнительные устройства и механизмы. Взаимодействие их с компьютером в системах сбора и обработки информации и управления осуществляется через стандартизованные интерфейсы и протоколы (рис. 15.47).
Контроллер
распределенн
Интерфейс
ого сбора
RS-232
данных и
управления
Управляющий
компьютер
Интерфейс RS-485
Контроллер
аналогового
ввода
...
...
Исполнительные
реле
Адресуемые
преобразователи
Контроллер
аналогового
ввода
...
...
Пульты
оператора
Контроллер
цифрового
ввода
...
...
PLCконтроллеры
Рис. 15.47. Устройства вывода на основе промышленных контроллеров
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Контрольные вопросы
1. В чем состоит назначение и каков состав внутренней коммуникационной системы (ВКС) современной ЭВМ?
2. Чем характеризуется ВКС?
3. Дайте определение понятиям интерфейса, шины (магистрали), порта, стыка, контроллера.
4. Что такое стандартный интерфейс?
5. Что такое информационная совместимость элементов ЭВМ?
6. Дайте определение электрической совместимости параметров
электрических сигналов в системе соединительных линий интерфейса.
7. Что определяют условия электрической совместимости?
8. Что такое конструктивная совместимость элементов интерфейса, и что определяют условия конструктивной совместимости?
9. Какие сведения указываются в стандарте, описывающем интерфейс?
10. Какие
классификационные
признаки
интерфейсов
существуют?
11. Как классифициуются интерфейсы по способу соединения
компонентов системы?
12. Как классифициуются интерфейсы по способу передачи
информации?
13. Как классифициуются интерфейсы по принципу обмена?
14. Как классифициуются интерфейсы по режиму передачи
информации?
15. Почему одним из важных критериев классификации интерфейсов является последовательность, или параллельность передачи
данных?
16. Приведите классификацию интерфейсов по признакам
функционального назначения.
17. Каково назначение системного интерфейса?
18. Какие функции выполняют интерфейсы периферийного
оборудования?
19. В чем заключается основное назначение интерфейсов
распределенных ВС?
20. Каковы основные функции интерфейсов?
21. Что обеспечивает арбитраж информационного канала,
каковы его виды, в чем заключается основная задача?
22. Перечислите и дайте характеристику наиболее распространенным алгоритмам динамического изменения приоритетов.
23. Чем характеризуется централизованный арбитраж?
24. Что такое последовательный централизованный арбитраж?
100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
25. В чем заключается сущность, достоинства и недостатки
последовательного (цепочечного) арбитража?
26. Дайте характеристику, оцените достоинства и недостатки
параллельного централизованного арбитража.
27. В чем состоит сущность, каковы варианты построения,
достоинства и недостатки децентрализованного арбитража?
28. Дайте определение цепочечного и опросного арбитража.
29. В чем заключается сущность арбитража на основе
независимых запросов?
30. Как происходит синхронизация обмена информацией?
31. Каково назначение синхронного протокола в процессе
взаимодействия между функциональными устройствами системы?
32. Какие процессы называются синхронными, и как они
реализуются?
33. В чем достоинства и недостатки синхронного протокола?
34. Каково назначение асинхронного протокола в процессе
взаимодействия между функциональными устройствами системы?
35. Какие процессы называются асинхронными, и как они
реализуются?
36. В чем заключаются достоинства и недостатки асинхронного протокола?
37. Раскройте содержание основных операций координации
взаимодействия устройств.
38. Что представляют собой функции обмена и преобразования
информации (адресов, данных, команд, состояния)?
39. Дайте определение линии интерфейса, шины, магистрали,
раскройте их назначение, перечислите основные характеристики
40. Какие существуют группы линий магистрали ЭВМ?
41. Представьте вариант структуры системной магистрали
и опишите содержание ее компонентов.
42. Что представляет собой иерархия шин?
43. Дайте характеристику ЭВМ с одним видом шин.
44. В чем состоят особенности ЭВМ с двумя и тремя видами
шин?
45. Раскройте содержание микросхемы системной логики современных ЭВМ.
46. Что представляет собой мостовая архитектура ЭВМ?
47. Представьте организацию ЭВМ с тремя видами шин.
48. Что представляет собой северный и южный мосты в многоуровневой архитектуре ЭВМ?
49. Раскройте содержание хабовой архитектуры ЭВМ.
50. Опишите структуру персональной ЭВМ с мостовой архитектурой на базе процессора Pentium II.
101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
51. Как решаются задачи реализации стандартных шин и интерфейсов ЭВМ?
52. Какие классы системных интерфейсов существуют, и каковы их особенности?
53. В чем заключается основное назначение шины расширения?
54. Каково назначение локальных шин?
55. Дайте краткую характеристику локальным шинам VLB
(VESA Local Bus), PCI (Peripheral Component Interconnect – взаимодействие периферийных компонентов), AGP (Accelerated Graphics
Port – ускоренный графический порт), PCI Express.
56. Раскройте назначение и представьте основные характеристики интерфейсов периферийного оборудования, в том числе АТА
(AT Attachment for Disk Drives), SATA (Serial ATA), SCSI (Small
Computer Systems Interface – системный интерфейс малых компьютеров), RS-232C, IEEE 1284, USB (Universal Serial Bus – универсальная
последовательная шина), IEEE 1394.
57. Представьте сравнительные характеристики распространенных шин VMЕ Futurebus Multibus II.
58. Представьте характеристики системных шин Summit,
Challenge, XDBus высокопроизводительных серверов.
59. Представьте характеристики системных шин NuBus, ISA,
8/16 EISA, FSB Pentium 4 персональных вычислительных машин.
60. Дайте краткую характеристику шинам ввода-вывода (интерфейсы периферийного оборудования) PCI, SCSI, SCSI-2, IDE.
61. Покажите место системы ввода-вывода в структуре ЭВМ
и раскройте назначение ее элементов.
62. В чем заключается основное назначение модулей вводавывода, и как они классифицируются?
63. Дайте краткую характеристику групп внешних (периферийных) устройств.
64. Какие функции выполняет модуль ввода-вывода?
65. Опишите обобщенную структурную схему модулей вводавывода.
66. В чем состоит сущность и какие существуют методы
управления вводом-выводом?
67. В чем заключается сущность и каково назначение системы
прерываний ЭВМ (синхронного метода обмена)?
68. Раскройте принцип действия системы прерываний ЭВМ.
69. Дайте характеристику существующим группам прерывания
в ЭВМ.
70. Раскройте содержание аппаратных прерываний.
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
71. При каких условиях, ситуациях вырабатываются запросы
на логические прерывания?
72. Как формируется запрос на программное прерывание?
73. Раскройте особенности конструктивного исполнения контроллера клавиатуры, видеоконтроллера (дисплейного адаптера, видеоадаптера), адаптеров портов различного типа, сетевого адаптера.
74. Представьте обобщенную модель организации внешнего
(периферийного) устройства.
75. Какие типы клавиатур существуют, перечислите их основные характеристики.
76. Опишите обобщенную структурную схему взаимодействия
МВВ и ПФУ.
77. Представьте структурную схему взаимодействия клавиатуры и компьютера.
78. Каковы особенности и виды устройств ввода «Мышь», перечислите их конструктивные особенности и характеристики, способы
взаимодействия с компьютером.
79. Раскройте назначение, конструктивные особенности и характеристики трекбола, тачпада, трекпойнта, джойстика, дигитайзера
и графического планшета.
80. Раскройте основное назначение 2D-дигитайзеров, механических и лазерных 3D-дигитайзеров.
81. Дайте характеристику сканеров и слайд-сканеров.
82. Раскройте содержание устройств ввода на основе промышленных контроллеров.
83. Дайте характеристику системам и устройствам вывода: видеосистемам, видеоадаптерам, графическим процессорам.
84. Раскройте содержанеие основных характеристик видеоадаптера.
85. В чем заключается основное назначение и характеристики
видеопамяти?
86. В чем состоит основное назначение видео BIOS, RAMDAC
(random access memory digital to analog converter)?
87. В чем заключается назначение и какие фукции выполняет
интерфейс с внутренней коммуникационной системой ЭВМ?
88. Раскройте назначение и основные характеристики высокоскоростного интерфейса AGP (Accelerated Graphics Port или Advanced
Graphics Port).
89. Дайте характеристику дисплейного интерфейса монитора.
90. В чем заключаются особенности цифрового видеоинтерфейса DisplayPort?
91. Раскройте назначение, перечислите основные характеристики мониторов.
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
92. Представьте структурную схему взаимодействия монитора
и компьютера.
93. Раскройте принцип действия мониторов на ЭЛТ.
94. В чем достоинства и недостатки ЭЛТ-мониторов?
95. Раскройте принцип действия плоскопанельных мониторов,
в том числе – на жидких кристаллах (LCD), плазменных элементах
(PDP), органических светодиодных элементах (OLED), электронной
эмиссии (FED).
96. В чем состоят достоинства и недостатки матрицы
TN+Film TFT?
97. В чем заключаются достоинства и недостатки панелей IPS?
98. Раскройте особенности, достоинства и недостатки технологии MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) и PVA (Patterned Vertical
Alignment).
99. Каковы особенности изготовления, достоинства и недостатки панелей OLED (Organic Light-Emitting Diode) или LEP (Light
Emission Plastics – светоизлучающий пластик)?
100. Раскройте основные характеристики мониторов электростатической эмиссии (FED – Field Emission Display).
101. Дайте краткую характеристику универсальных проекторов
общего назначения (оверхед-проекторы), мультимедийных проекторов, универсальных проекторов (Over Head Projector).
102. Каков принцип работы трехматричного проектора DLP?
103. Какие типы принтеров существуют, в чем особнности их
конструктивного исполнения?
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
РАЗДЕЛ 5
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
ГЛАВА 16. НАНОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕМЕНТЫ
СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Современные средства вычислительной техники относятся
к сложным социотехническим системам. Исследование перспектив их
развития может ориентироваться на оценку вероятного (при условии
сохранения наблюдаемых тенденций) и желательного (при условии
заранее заданных норм) состояний данного объекта с целью оптимизации принимаемых решений. Представляется, что развитие современной электроники продолжает традиционно идти по пути минимизации размеров составляющих компонентов. В настоящее время классические методы такого производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру. Уменьшение размеров устройств при экспоненциальном увеличении экономических
затрат происходит незначительно. Одним из возможных путей преодоления этого технического барьера является внедрение нанотехнологий, появление которых связано как с изменением пути развития
научного знания (переходом развития науки от пути анализа к пути
синтеза), так и с расшифровкой атомно-молекулярного строения веществ.
16.1. Основные понятия, содержание, особенности
и перспективы использования нанотехнологий
в информационной сфере
Известны взгляды ученых на нанотехнологию как науку и технологию.
Определение 1. Нанотехнология – наука, объектом которой являются фундаментальные и прикладные исследования, изучающие
свойства наноструктур, закономерности их формирования и функционирования.
Определение 2. Нанотехнология – базирующийся на научных
результатах нанотехнологических исследований набор конкретных
технологий и методик, основанных на манипуляциях с объектами,
один из размеров которых лежит в области 1 – 100 нанометров, где
1 нм = 10–9 м = 10 ангстрем.
Выделяют следующие особенности нанотехнологий:
1) при работе с малыми размерами объектов проявляются
квантовые эффекты и эффекты межмолекулярных взаимодействий,
такие, как Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия (силы межмолекуляр-
105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ного взаимодействия, возникающие, при поляризации молекул и образования диполей);
2) при создании модифицированных материалов (наноматериалов), представляющих собой материалы, разработанные на основе добавления наночастиц, проявляются их уникальные характеристики,
вытекающие из микроскопических размеров их составляющих;
3) изменяются химических и физические свойства вещества,
имеющего размерность до 100 нм., в том числе:
– уменьшается на сотни градусов температура плавления;
– повышается поверхностная энергия;
– увеличивается прочность наноструктурного материала в 2 – 3
раза от его макроструктурированного аналога;
– увеличивается износостойкость материалов в несколько раз
при добавлении менее 1 % нанокомпонентов от веса материалов,
в результате возможно волучение модифицированных материалов, таких, как полимеры, резина, металл, керамика и другие, с улучшенными характеристиками.
Выделяют ряд типов наноматериалов.
Углеродные нанотрубки, – вещество, материал, представляющий крошечные цилиндры или цилиндрические образования с диаметром от 0,5 до 10 нм и длиной примерно в 1 мкм, представляющие
новую кристаллическую форму углерода (рис. 16.1).
Рис. 16.1. Углеродные нанотрубки
Эта форма углерода была открыта в 1991 г. сотрудниками
научно-исследовательского отдела Национальной Электронной Компании (NEC). Ранее считалось, что углерод имеет лишь две кристаллические формы (алмаз и графит), однако в 1985 г. была обнаружена и
третья аллотропная форма углерода – фуллерены, представляющие
106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
собой огромные молекулы углерода в виде замкнутых объемных
структур, напоминающих по форме футбольный шар.
Собственно говоря, это углеродные нанотрубки, образованные
из таких же кристаллических структур, но собранных в другую форму. Углеродные нанотрубки похожи на свернутые в рулоны «листы»,
образованные из шестигранных структур или колец (типа пчелиных
сот) атомов углерода.
Графен – монослой атомов углерода, полученный в октябре
2004 г. в Манчестерском университете. Графен можно использовать
как детектор молекул, позволяющий детектировать приход и уход
единичных молекул. Графен обладает высокой подвижностью при
комнатной температуре, благодаря чему может быть использован как
перспективный материал, заменяющий кремний в интегральных микросхемах.
Углеродные нанотрубки перспективны для применения:
– при разработке полупроводниковой техники;
– аккумуляции, поглощении, хранении, удержании водорода
в больших количествах, что актуально для автомобильной техники;
– преобразовании и модификации полупроводниковых структур в нанометровом масштабе путем введении в углеродные нанотрубки различных веществ:
– создании разнообразных водород-содержащих устройств
(двигатели на водородном топливе, новые типы батарей и другое);
– создании низкотемпературных катодов, что позволит понизить прилагаемое напряжение в электронно-лучевых трубках Брауна
примерно до 500 В. В настоящее время, как известно, эти трубки с подогреваемым катодом работают в бытовых телевизорах при очень высоком напряжении (около 10 кВ) и большом потреблении
электроэнергии;
– создании устройств обработки, в том числе хранения информации и других устройствах.
16.2. Использование нанотехнологий в решении
проблем записи и хранения информации
Известно, что плотность записи информации на жестких дисках (hard disk drive, HDD) возрастает почти с постоянной скоростью,
примерно на 80 – 100 % в год, однако сейчас уже намечаются некоторые принципиальные ограничения такого непрерывного увеличения.
Это обусловлено тем, что на магнитном носителе запись одного бита
информации связана с использованием, по крайней мере, одного магнитного домена, размеры и форма которых меняются в широких пре-
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
делах. Поэтому магнитная дорожка записи информации, определяемая
границами доменов, представляет собой ломаную (зигзагообразную)
линию, что при воспроизведении записи является постоянным источником шумов (рис. 16.2).
Повышение плотности записи требует, с одной стороны,
уменьшения размера магнитного домена (МД) на поверхности носителя,
а с другой – создания более «гладких» или прямолинейных
границ между МД (кристаллитами среды). Уменьшение размеров МД
приведет лишь к усилению роли тепловых флуктуаций. В результате,
магнитная запись станет еще менее надежной для воспроизведения
(для обеспечения высокой надежности записи информации требуется,
чтобы на поверхности носителя каждому биту соответствовали
десять МД).
Это ограничение можно преодолеть за счет использования новых сред из более мелких и более упорядоченных МД, т. е. за счет новых методов структурирования записывающей среды. Одним из путей
решения этой задачи является создание запоминающих пленок с МД
одинаковых размеров и формы, что позволило бы создать запись, в
которой одному биту информации соответствовал один магнитный
домен.
В настоящее время уже известна [1] среда, в которой плотность
магнитной записи достигнута в пределах 300 гигабит/кв. дюйм за счет
создания массивов, называемых решетками из магнитных доменовкристаллитов одинакового размера. В ходе записи, происходит намагничивание каждого кристаллита раздельно. Периодичность решетки
составляет около 150, диаметр каждого кристаллита равен 80, а высота – 40 нм.
Этот результат открывают путь к крупномасштабному производству дешевых средств магнитной записи с высокой плотностью,
хотя задача в целом еще требует решения ряда технических проблем,
в частности, разработки считывающей головки для воспроизведения
записи и других. При уменьшении размера кристаллитов до 10 нм,
плотность записи может быть доведена до 1 терабит/кв. дюйм.
108
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 16.2. Запись и хранение информации
С другой стороны, в оптических записывающих устройствах
при высокой плотности записи информации, порядка десятков гига-
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
бит/кв. дюйм, считывание информации становится невозможным.
Существующая техника записи лазерным лучом позволяет довести
плотность записи до 40 гигабит/кв. дюйм, однако ее применение связано с дополнительными сложностями и ограничениями.
Одним из путей увеличения плотности записи является использование методов записи информации, основанных на оптическом
излучении ближнего поля (рис. 16.3), которое имеет очень малую
длину волны и, соответственно, формирует очень малую территориально-пространственную область записи информации в цифровой форме.
Рис. 16.3. Запись информации с использованием
излучения ближнего поля
По определению, излучение ближнего поля – это квазистационарное электромагнитное поле, возникающие на поверхности образца
и распространяемое на расстоянии до 0,16λ. При этом длина волны возникающего излучения намного короче, чем у источника облучения.
110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Повышение плотности записи обусловлено тем, что для записи
1 бита информации требуется значительно меньшая площадь на диске.
Эта технология, основанная на использовании таких локальных «световых пятен», позволяет повысить плотность записи примерно в 1000 раз по сравнению с существующими системами записи.
Воздействия светового пятна на поверхность материала, представляющего записывающую среду, обусловливают возникновение
в нем изменяющихся физико-химических процессов, которые и обеспечивают запись информации, соответствующей, например, 1 биту.
Основным элементом записывающей системы (рис. 16.3), является сужающееся, заостренное оптическое волокно, в острие которого проделано отверстие с диаметром в несколько десятков нм, что
значительно меньше длины световой волны, используемой при облучении. «Наконечник» или острие такого оптического волокна двигается над плоскостью записывающего диска на расстоянии всего 10 – 20
нм. При освещении поверхности лазерным лучом, через отверстие в
обратном направлении «просачивается» излучение ближнего поля.
Размеры этого отверстия примерно в 10 раз меньше длины облучающей волны.
В качестве процессов записи информации в среде могут использоваться показатели фазовых изменений, локальных изменений
направлений намагниченности, изменения коэффициента преломления среды и другие.
При считывании поверхность должна облучаться волнами,
длина которых соответствует излучению ближнего поля, которые после обычного процесса дифракции будут регистрироваться собирающими линзами и фотоумножителями. Практически, процесс считывания совпадает с описанным выше сканированием поверхности оптическими микроскопами ближнего поля.
Пространственная разрешающая способность процессов записи
и воспроизведения информации описанным методом определяется размерами отверстия на острие оптического волокна, которое должно быть
значительно меньше длины волны облучающего излучения. Использование этого метода позволяет обойти обычные дифракционные ограничения и получить запись с плотностью порядка 1 терабит/кв. дюйм.
Недостатки метода:
­ сложность регистрации излучения ближнего поля, поступающго через входное отверстие на заострении волокна, которое обычно имеет ничтожно малую интенсивность из-за низкого коэффициента
пропускания, что создает проблему повышения скорости записи
и считывания информации в устройствах такого типа. Решение этой
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
проблемы сводится к технологическим задачам создания сверхтонких
оптических волокон со сверхмалыми отверстиями на заостренных
торцах;
­ значительное снижение интенсивности излучения по мере
удаления от поверхности [1].
16.3. Управление доменной структурой вещества
с помощью электрического поля
Известно, что магнитные материалы представляют доменную
структуру, которой можно управлять с помощью магнитного поля. На
этом принципе основаны все виды магнитной записи информации
[15]. Однако известно, [1], что доменами можно управлять и с помощью электрического поля. В настоящее время для магнитной записи
информации используются магнитные поля, создаваемые электрическими токами в катушках магнитных головок записи данных на жестких дисков или в проводящих шинах магнитной памяти произвольного доступа MRAM.
Для повышения плотности записи информации необходимо
уменьшение размеров доменов. Но чем меньше размер доменов, тем
более они подвержены тепловым флуктуациям, что может привести
к случайному перемагничиванию доменов, и, следовательно, к ошибкам записи информации. Чтобы избежать случайного перемагничивания, необходимо использовать материалы с большими пороговыми
значениями магнитных полей переключения, что требует больших токов в цепях электромагнитных головок записи, и, следовательно, значительных размеров проводников. С другой стороны, миниатюризация устройств требует предполагает уменьшение поперечных размеров проводников. Оба этих фактора приводят к недопустимому увеличению плотности электрического тока в материале проводника, т.е.
к значительному энергопотреблению.
Решение этих проблем возможно на основе использования
непосредственного воздействия электрического поля на магнитные
свойства материала, как это происходит в магнитоэлектриках, за исключением того, что практическое использование магнитоэлектриков
затруднено необходимостью использования низких температур. Для
технологии, основанной на использовании непосредственного воздействия электрического поля на магнитные свойства материала, нужный
эффект достигается при комнатных температурах.
На рис. 16.4 показано воздействие электрического поля, создаваемого электродом в виде заостренного медного проводника 1, соприкасающегося с диэлектрической поверхностью эпитаксиальных
112
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
пленок ферритов со структурой граната (гранат), на магнитную структуру (рис. 16.4, а) [15].
Положительный относительно подложки пленки 2 потенциал
на игле электрода 1 вызывает притяжение доменной стенки к электроду (рис. 16.4, b), а отрицательный – отталкивание. На этом рис. показано притяжение доменной границы к положительно заряженному
электроду. Магнитооптическое изображение пленки граната представлено в проходящем свете, где темные линии – границы между доменами,
1 – электрод, 2 – доменная граница.
Рис. 16.4. Воздействие электрического поля
на магнитные свойства материала
При снятии напряжения доменная граница, подобно оттянутой
струне, возвращается в исходное положение равновесия. При определенных условиях такие изменения, происходящие за счет так называемого «электрического иглоукалывания», остаются необратимыми,
т.е. доменные границы как бы застывают после электрического воздействия в новых положениях. Это подтверждает факт и возможность
записи информации с помощью электрического поля. Такое явление
наблюдается при высоких напряжениях – около 1,5 кВ.
В настоящее время ведутся работы по снижению значения этого напряжения. При уменьшении радиуса кривизны электрода до
нанометровых размеров управляющие напряжения уменьшатся до величин порядка одного вольта.
Уменьшение управляющих напряжений до 10 В удалось достичь в композитных материалах, представляющих собой «сэндвичи»
из множества слоев, рис. 16.5, а, включающих кремниевую подложку,
платиновые электроды, пластинку пьезоэлектрика и магнитную пленку поверх всей структуры. При подаче напряжения в 10 В между электродами пластинка пьезоэлектрика деформируется, и в магнитной
113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
пленке возникают механические изменения, которые вследствие явления магнитострикции приводят к перестройке микромагнитной структуры образца (рис. 16.5, b). При снятии напряжения доменный узор
возвращается к исходной конфигурации.
Рис. 16.5. Действие электрического поля на магнитные домены
в композитном материале
На рис. 16.5 представлен поперечный разрез структуры, состоящий из слоя пьезоэлектрика (цирконат-титанат свинца (PZT)), зажатого между двумя платиновыми электродами, который расположен на
пластинке кремния (Si wafer). На верхний платиновый электрод осаждена 100-нанометровая пленка никеля. На рис 16.5, b показано изменение микромагнитной структуры пленки Ni под действием электрического напряжения в 10 В, приложенного между электродами. Изображение получено с помощью магнитного силового микроскопа, где
темные и светлые области – домены различной полярности.
В отличие от первого случая, в котором магнитными и электрическими свойствами обладал один и тот же кристалл, в случае
композитного материала электрическая и магнитная подсистемы пространственно разделены, а их взаимодействие определяется качеством
поверхностей раздела слоев. Шероховатая поверхность приводит к
довольно сложной конфигурации магнитных полей рассеяния. Этим
и объясняется замысловатый характер доменных структур в магнитной пленке композита, рис. 16.5, b, а также то, что в различных областях образца магнитная структура изменяется по разному. Поэтому
было сложно предсказать заранее, как именно она себя поведет.
Значительно лучших результатов в плане контроля поверхностей удалось достичь при изготовлении гетероструктур на основе
магнитоэлектрика феррита висмута и ферромагнитного сплава. В них
удается управлять намагниченностью феррита кобальта с помощью
электрического поля (рис. 16.6, a). Это стало возможным в силу того,
114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
что феррит висмута обладат сегнетоэлектрическим и антиферромагнитным упорядочением при комнатных температурах.
Проблема состоит в том, что магнитные моменты антиферромагнитных подрешеток практически полностью компенсируют друг
друга и суммарная намагниченность невелика. Усилить ее можно путем напыления поверх кристалла феррита висмута слоя ферромагнетика – феррита кобальта, обменно-связанного с ним так, что переключая электрическим полем электрическую поляризацию феррита висмута и меняя тем самым оси анизотропии, можно поворачивать спины
антиферромагнитных подрешеток, а значит, посредством обменной
связи слоев управлять большой намагниченностью в слое феррита кобальта.
Рис. 16.6. Действие электрического поля на микромагнитную структуру
феррита кобальта
На рис. 16.6, a показано действие электрического поля на микромагнитную структуру феррита кобальта. На этом поперечном разрезе структуры видно, что после воздействия электрического поля преобладающий контраст меняется с темного на светлый, что означает
поворот в плоскости пленки средней намагниченности на 90°. Видно,
что здесь не удается добиться полного контроля, в силу того, что слой
ферромагнетика разбит на мелкие домены неправильной формы, и
можно говорить лишь о переключении средней намагниченности.
Кроме того, поля переключения достаточно велики, и составляют порядка 100 кВ/см.
На рис. 16.6, b показаны магнитооптические изображения
в рентгеновских лучах начального состояния и микромагнитной конфигурации после воздействия электрического поля, в результате чего
намагниченность в плоскости пленки феррита кобальта поворачивается на 90°.
115
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
16.4. Управление структурами вещества
на основе «квантовой точки»
Квантовая точка – некоторая искусственно созданная область
вещества, представляющая трехмерную структуру с размерами в несколько десятков нанометров, способная удерживать электроны, что
обеспечивает возможность их хранения в небольших количествах.
Впервые структуры такого типа были получены профессором
Промышленного
факультета
Токийского
университета
Хироюки Сакаи (рис. 16.7).
Рис. 16.7. Квантовая точка
Известно, что механизм действия большинства полупроводниковых устройств и приборов, например, широко распространенных
транзисторов и других, основан на регулировании потока электронов,
т.е. создании процесса «включено-выключено» (on-off). Транзисторы
имеют в настоящее время размеры в несколько мкм и управляют движением «потока», содержащего от сотен тысяч до 1 миллиона электронов. В отличие от них, квантовые точки управляют движением
лишь очень небольшого числа электронов, вплоть до управления одиночными электронами. Поэтому транзисторы, разработанные на
принципе квантовой точки, принято назвать малоэлектронными, или
даже одноэлектронными. Использование таких транзисторов
обеспечивает:
– существенную миниатюризацию полупроводниковых
устройств и снижение их энергопотребления;
– создание приборов и устройств совершенно новых типов.
116
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Важной особенностью технологий, основанных на квантовой
точке, является то, что устройства могут образовываться в результате
упомянутых выше процессов самосборки. Пример такой самосборки
квантовой точки размером около 10 нм из соединений InAs на поверхности кристалла арсенида галлия представлен в виде микрофотографии, полученной на атомно-силовом микроскопе (рис. 16.8).
Рис. 16.8. Самосборка квантовой точки.
Если на кристаллическую поверхность кремния или арсенида
галлия нанести небольшое число атомов другого вещества, например,
атомов германия, то через некоторое время можно наблюдать, как эти
«чужеродные» атомы сами собираются в некоторые структуры, так
называемые «островки» или островные кристаллические структуры,
размером в несколько десятков нм.
Структуры такого типа и являются квантовыми точками, т.е.
локальными образованиями с характерным размером в несколько десятков нм, представляющими собой трехмерные «ловушки»
для электронов.
16.5. Электронные наноэлементы и наноустройства
16.5.1. Одноэлектронные транзисторы
Типичным примером электронных устройств нового типа, разработанных на основе нанотехнологий, являются одноэлектронные
транзисторы и разработанные на их основе запоминающие устройства, работа которых определяется поведением отдельных электронов.
Одноэлектронный транзистор представляет собой переключающее устройство, способное соединять или разъединять электрические цепи за счет управления движением одного электрона. В существующих транзисторах такое переключение соответствует управлению совместным движением сотен тысяч электронов. Поэтому пере-
117
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ход
к одноэлектронным переключателям позволит резко снизить
энергопотребление.
Одноэлектронный транзистор представляет собой два металлических электрода, разделенных очень тонкой, нанометровой, изолирующей перегородкой, через которую могут происходить туннельные
переходы электронов. По этому, известному принципу «кулоновской
блокады» работают широко распространенные МОП-транзисторы,
в которых переключение осуществляется изменением потенциала
управляющего электрода (gate).
На рис. 16.9 представлен принцип работы одноэлектронного
транзистора, в котором управление движением отдельного электрона
осуществляется на основе принципа «кулоновской блокады».
Рис. 16.9. Принцип работы одноэлектронного нанотранзистора
В центральной части расположен участок вещества с размерами около ~ 10 нм, где находятся изолированные электроны, которые
называют «островным зарядом». Пока напряжение между управляющим электродом и истоком остается меньше некоторого порогового
значения, электрон остается изолированным, как бы живущим на отдельном «острове», однако при дальнейшем повышении напряжения
до значения, превышающего пороговое, «кулоновая блокада» электрона прорывается, в результате чего устройство в, целом, срабатывает подобно обычному транзистору.
Таким образом, принцип работы одноэлектронного транзистора заключается в управлении движением отдельного электрона с использованием «кулоновой блокады». При этом управление отдельным
электроном за счет туннельного эффекта требует ничтожных изменений электрического сигнала (рис. 16.10).
Примерами устройств, разработанных на базе такого транзистора, являются сверхминиатюрные:
– инверторы, представляющие собой последовательно соединенные на кремниевой пластине одноэлектронные транзисторы;
– запоминающие устройства;
– вычислительные устройства;
118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– коммуникационные и некоторые другие устройства.
Рис. 16.10. Характеристики работы одноэлектронного нанотранзистора
16.5.2. Наностекла для запоминающих устройств
Не менее перспективными материалами, обеспечивающими
уменьшение размеров кристаллических зерен до нанометровых масштабов являются стеклообразные материалы, которые позволяют создавать новые и очень перспективные оптические устройства
с
очень высокими или регулируемыми коэффициентами преломления.
Такие устройства, или среды, получили название наностекол [1].
Наностекло – материал, являющийся сочетанием нанокристалов и аморфных зерен и образующийся методом нанесения на поверхность стекла сотовых структур (сот) и заполнения их «столбиками» из различных наноматериалов (рис. 16.11) [3].
119
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 16.11. Пленки из наностекол
Чередование нанокристалов и аморфных зерен («стеклянная
фаза») создает новые возможности управления коэффициентом преломления в широких пределах. Эффект возникает из-за преломления
в сотах и отсутствия преломления в аморфных средах.
Таким методом можно создать, например, сверхтонкую пленку
(мембрану) из наностекла окиси кобальта. Уже получены такие пленки в виде плоских сот диаметром 13,3 нм, разделенных сверхтонкими
стенками из аморфного материала, который заполняет упорядоченную
структуру, образуя перегородки толщиной около 1 нм (см. рис. 16.11) [3].
Выявлено, что коэффициент преломления таких стекол может
изменяться в очень широких пределах. Возможно регулирование коэффициентом преломления и скорости отклика системы путем лазер-
120
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ного облучения длинной 650 нм (см. рис.16.11). Точный механизм
этого эффекта полностью пока не изучен. Известно, что он обусловлен особенностями поведения электромагнитных полей в чередующихся слоях наноразмерных кристаллических и аморфных областях.
Использование этих материалов обеспечит создание [1,3]:
– новых высокоэффективных устройств хранения и передачи
цифровой информации, плотность записи информации на которых будет достигать до 1 терабит/кв.дюйм;
– объединенной системы из наностекол и коротковолновых лазеров, позволяющей производить сверхмощные оптические запоминающие устройства и пленочные экраны с повышенной четкостью
изображения;
– новых материалов для оптических переключателей, трехмерных оптических волноводов и устройств разделения или выделения
некоторых биологических веществ, в том числе гормонов.
16.5.3. Одноэлектронные запоминающие устройства
Эти полупроводниковые устройства представляют собой ячейку памяти, состоящую из конденсатора и переключателя, построенного, например, на МОП-транзисторе, обеспечивающую хранение в
конденсаторной части примерно 100 тысяч электронов, что и соответствует, например, переходу записывающей системы из состояния «0»
в состояние «1».
Ограниченность объема записи таких состояний в данных
устройствах связана с их физическим объемом и размерами управляющих электрических цепей. Одним из решений этой проблемы является использование методов, позволяющих осуществлять переключение состояния системы меньшим числом электронов, а в идеальном
случае – и одним, что дает следующие преимущества:
– существенно сокращается энергопотребление;
– значительно минимизируются размеры за счет исключения
в наноустройствах конденсаторов.
Первые разработки экспериментальных запоминающих
устройств, созданных на основе рассмотренного выше так называемого нанотранзистора, могли функционировать лишь при сверхнизких
температурах, близких к абсолютному нулю. Решение этой проблемы
было осуществлено фирмой «Хитачи», создавшей в 1993 г. устройство
(рис. 16.12), которое могло работать при комнатных температурах, т.е.
было пригодно для практического использования. Это открыло перспективу создания в течение ближайших нескольких лет запоминающих устройств с большим объемом памяти.
121
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 16.12. Принцип работы одноэлектронного
запоминающего устройства
В 1998 г. была достигнута и достаточно высокая степень интеграции схемы. В результате, было изготовлено одноэлектронное з апоминающее устройство, потребляющее при работе примерно
в
100 раз меньше электроэнергии, чем существующие [1], а его размеры
составили около 100 нм, причем сама квантовая точка («ловушка» –
trap) для электронов имела диаметр около 10 нм и была сформирована
в результате процесса самосборки атомов на поверхности очень тонкой кремниевой пластины толщиной около 3 нм. Это потребовало создания специальной методики для подключения квантовой точки к
электрической цепи [2].
16.5.4. Биодатчики и информационные терминалы
Экология, медицина и здравоохранение требуют надежных
и удобных устройств, способных осуществлять длительный контроль
и мониторинг условий существования живых организмов, а также
122
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
воздействия на организмы разнообразных физических и химических
факторов. К таким устройствам относятся пленочные, или объемные
биодатчики (рис. 16.13), разработанные на основе микроскопических
наноматериалов, получившие название электронных нанодатчиков.
Рис. 16.13. Принцип работы биодатчика непрерывного
мониторинга состояния организма на молекулярном уровне
Важным требованием к таким нанодатчикам является их способность существовать в автономном автоматическом режиме, осуществляя химический или физический анализ среды, в которую они
внедрены, в том числе и вживлены, преобразовывать получаемую информацию в электрический сигнал и передавать ее для дальнейшей
обработки.
Особенностью работы таких датчиков (см. рис. 16.13) является
то, что они должны функционировать в среде и веществах, ответственных за так называемое «молекулярное распознавание». К таким
веществам, в частности, относятся антитела, обладающие высокой избирательностью, что и позволяет им осуществлять свои функции
в организме.
Сложность решения проблемы создания биодатчиков с молекулярной избирательностью по отношению к определенным белковым соединениям связана в основном с проблемой обеспечения длительного и надежного функционирования биодатчика как электронного прибора, предназначенного для контроля состояния среды или о рганизма, сбора информации и передачи информации об их параметрах.
123
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Важной особенностью биодатчиков из искусственных материалов с высокой избирательностью является то, что они обычно быстро
теряют способность к молекулярному распознаванию, вследствие чего
для их создания необходимо, прежде всего, синтезировать молекулы,
надолго сохраняющие заданные избирательность и химическое родство. Для решения этой проблемы ведутся интенсивные исследования
возможностей присоединения молекул и антител к поверхности различных полимерных материалов. На этом направлении ставится основная задача: создание высокочувствительных, надежных и долговечных биодатчиков.
Кроме таких датчиков, разрабатывают еще аналитические микроустройства на стеклянных или кремниевых чипах, получившие
название «лаборатория-на-чипе». Примерами таких устройств могут
служить известные ДНК-биочипы размером в несколько миллиметров
или микродатчики длительного действия для слежения за состоянием
здоровья пациента под названием health-care-sensor. Такой датчик
представляет собой автоматическую систему микроанализа, созданную на поверхности стекла или другом удобном веществе (рис. 16.14).
Основными функциями такого микродатчика являются:
– обеспечение экспресс-анализа по микроколличествам вещества;
– отслеживание состояние организма, и в случае резкого ухудшении состояния здоровья – автоматическое осуществление непрерывного измерения кровяного давления человека, частоты сокращения его сердечной мышцы, «обращение» к врачу и введение в организм по полученным рекомендациям требуемых лечебных препаратов.
Рис. 16.14. Принцип построения автоматической системы
микроанализа
124
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Основные проблемы создания и использования датчика состоят:
– в обеспечении биосовместимости при объединение тканей
и
датчика;
– миниатюризации;
– обеспечении надежного и долговременного контроля за состоянием организма
Решение этих проблем позволит создать миниатюрные и удобные
для ношения персональные накопители биоинформации, позволяющие
осуществлять непрерывный мониторинг состояния организма [4].
Проектирование и изготовление таких биодатчиков связанно
с развитием новых методов обработки и пересылкой информации из
контролируемого организма, а также разработкой новых источников
питания. Информация о состоянии организма должна передаваться
через специальные «информационные терминалы», которые могут
иметь самую различную форму, например, в виде серьги или другого
украшения.
16.6. Практические достижения в области нанотехнологий
Нанотехнологии в настоящее время получили большое развитие в мировой практике. Известны результаты в области разработок
нанотехнологий, имеющие реальное практическое применение или
перспективы такого применения.
Примерами таких достижений являются наносети.
16.6.1. Наносеть
Наносеть – это техника и оборудование, называемые гибкой
электроникой, или «электронной кожей» (рис. 16.15), произведенные
на основе тонких материалов с применением нанотехнологий, которые представляют собой матрицы нанотранзисторов, построенных на
основе сети нанотрубок [8].
Рис. 16.15. Модель гибкой электроники
125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Эта технология была разработана в Университете УрбанаШампэйн, Иллинойс (University of Illinois at Urbana-Champaign).
Структура такой гибкой электроники представляет собой пластины разрезанных металлизированных нанотрубок, которые формируют проводящие участки в составе матрицы тонких нитей.
В «нанотрубочных» транзисторах скорость заряда на порядок
выше, чем в полимерных. Конструкции на основе таких транзисторов
имеют следующие достоинства:
– способны выдерживать сильные изгибы;
– позволяют работать с высокочастотным сигналом;
– требуют низкого рабочего напряжения, не превышающего
5 вольт;
– позволяют существенно увеличить производительность
устройств путем замены не только «медленных» полимерных транзисторов, но и довольно «скоростных» кремниевых.
В существующем прототипе содержится около 100 нанотранзисторов, что на сегодняшний день является рекордом по производству нанотрубочной электроники (рис. 16.16).
Рассмотренная концепция наносети, предполагающая создание
электронных схем из произвольно расположенных на подложке большого количества нанотрубок, имела характерный недостаток – металлические нанотрубки, неизбежно возникающие в процессе создания
углеродных нанотрубок, приводили к «коротким замыканиям» в цепи.
Рис. 16.16. Полимерный лист со 100 нанотранзисторами
В настоящее время эта проблема уже решена путем разрезания
массива нанотрубок на узкие полосы. В результате появилась искомая
матрица, содержащая свыше ста транзисторов. При этом сама матрица
создается стандартным технологическим процессом травления, использующимся в современной микроэлектронной промышленности.
Основой матрицы может стать любой материал, что дает перспективы для разработки всех типов «электронной бумаги» и так
называемой «электронной кожи» (рис. 16.17).
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 16.17. Прототип электронного стекла
Стандартные материалы для LCD-матриц на основе кремния не
предназначены для сгибания, поэтому использование гибких матричных наносетей позволит в недалеком будущем свернуть в трубку телевизор, как обычный постер, и легко транспортировать в любое место.
16.6.2. Гибкая электроника и чип с интегрированными
наносенсорами
Еще одним вариантом гибкой электроники являются нанотрубки, на их основе создана гибкая матрица высокоскоростных нанотранзисторов на пластиковой пленке. Нововведение заключается
в том, что нанотрубки не выращивают непосредственно на пленке,
а наносят на ее поверхность в виде растворенных «чернил», подобно
печати на бумаге с использованием струйного принтера [9] (рис.
16.18).
Рис. 16.18. Гибкий электронный чип-прототип
Полученные устройства могут работать с частотой до нескольких килогерц. Но и такие достаточно низкие показатели частоты поз-
127
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
воляют использовать гибкую электронику в составе электронной бумаги, «умной кожи» в текстильной промышленности, и RFID-метках.
Чип со встроенным наносенсором [10] является первым шагом
к массовому производству наноустройств на базе традиционной микроэлектроники (рис. 16.19). Такие наноструктуры чувствительны
к свету или определенным химическим веществам, если на их поверхность наносить различные примеси.
Обычно при синтезе нанострун их располагают хаотично, и
они часто запутываются, что, естественно, не позволяет их использовать в качестве отдельных полупроводниковых приборов. Получение
упорядоченных нанострун осуществляется с помощью так называемой печати, которая может быть «плоской» – когда наноструны выращиваются на матрице и затем сильно прижимаются к субстратуоснове либо «роликовой», когда они выращиваются на ролике, прокатывающемся затем по выбранной основе. Для получения нанонитей,
особенно чувствительных к свету, используют селенид кадмия.
Рис. 16.19. Матрица наносенсоров на чипе
Кроме рассмотренных наносенсоров, имеют перспективы развития наносенсоры, разработанные на основе нанонитей и нанострун.
Первоначально технология их изготовления была слишком
сложной. В настоящее время эта проблема решена на основе разработанной в США технологии простого изготовления интегральных чипов со встроенными фотосенсорами на основе нанострун (рис. 16.20).
128
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 16.20. Производство спутанных и упорядоченных нанострун
Использование кремниево-германиевых коаксиальных нанострун, где германий составляет ядро, а кремний – оболочку, позволяет
получить усилитель сигналов от того же фотосенсора. Такой усилитель фактически представляет собой матрицу полевых транзисторов.
Полученные чипы (рис. 16.21) располагают на подложке, фактически получая матрицу миниатюрных фоточувствительных пикселей. Но светочувствительными оказываются всего 80 % всех пикселей.
Это связано с дефектами их изготовления, в том числе:
– браком соединения наносенсор-электродов чипа – 5 %;
– браком самих нанонитей – 5 %;
– дефектами соединений внутри чипа – 10 %.
Считается, что такой процент брака не столь велик для подобной сложной интегральной схемы с работающими наноустройствами.
Дальнейшим направлением развития этой технологии является
получение чипов, распознающих отдельные цвета, а также получение
биологических и химических наносенсоров, расположенных вместе
с чипами на пластиковых пленках. Это позволит создать новое поколение оборудования для диагностики и развития сенсорной техники.
129
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 16.21. Матрица фотосенсоров-пикселей
16.6.3. Самособирающиеся источники электропит ания
В Массачусетском Технологическом Институте (MIT) была
разработана технология создания литиево-ионной электрической батареи (Li-ion), которая собирается сама из материалов микроскопического размера (рис. 16.22) [11]. Одно из потенциальных применений
таких микробатарей – в мобильных автономных микроустройствах.
Такая батарея собирается из наноматериала-электролита и
наноматериала, являющегося электродом, после чего происходит самоорганизация микро - и наночастиц материалов, приводящая к появлении структуры, полностью функционирующей, как обычная электрическая батарея. Несмотря на то, что самосборка наноматериалов
является отработанной технологией, промышленное производство таких работоспособных батарей пока не налажено.
Рис. 16.22. Микрофотография собранной батареи
130
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Основной трудностью их создания была сборка электрода для
батареи. Здесь существовала сложность разработки материала для
упорядочивания наночастиц в составе электродов. Кроме этого, имелось еще требование сборки двух электродов из наночастиц, которые
в электролите должны быть отделены друг от друга. Для этого подобрали различно заряженные наноматериалы, которые, отталкиваясь по
известным законам физики, всегда находятся на расстоянии друг от
друга. К таким электродам относятся микрочастицы графита и наночастицы оксида кобальта. Электролит обеспечивает изоляцию таких
электродов, благодаря чему ионы переносятся между электродами.
16.6.4. Энергонезависимое нанозапоминающее устройство
(нанопамять)
Существует технология создания энергонезависимого нанозапоминающего устройства (нанопамяти) на основе органических наночастиц [12]. Модуль нанопамяти выполняется на гибком полимерном
субстрате (рис. 16.23).
Особенностью нанопамяти является то, что ее устройство состоит из полимера с наночастицами, расположенного между двумя
алюминиевыми электродами. В настоящее время разработан опытный
образец, который может хранить всего 16 байт информации. При отсутствии электропитания эта память может хранить информацию до
10 суток, за счет того, что в модуле между наночастицами протекает
очень слабый так называемый «виртуальный» ток. При подаче напряжения в 2 вольта ток усиливается почти в 10 тыс. раз.
Рис. 16.23. Модуль гибкой памяти
131
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Новое устройство было представлено на международной
встрече 2007 IEEE International Electron Devices Meeting в США, в
Вашингтоне. В марте 2007 г. США выделили 9,1 млн долл. на разработку гибкой электроники.
16.6.5. Молекулярный компьютер
В настоящее время компанией «IBM» накоплен большой опыт
разработки средств в области считывания магнитной анизотропии отдельных атомов. Ею создан первый в мире молекулярный ключ, состоящий из одной молекулы и переключающийся без нарушения
внешней структуры молекулы-ключа.
Сущность магнитной анизотропии заключается в анизотропном характере магнитного взаимодействия между атомными носителями магнитного момента в различных веществах. При этом решение
задачи измерения магнитной анизотропии отдельного атома осуществляется двумя этапами:
– «выстраиванием» отдельных атомов железа на медной подложке; с помощью специального сканирующего туннельного
микроскопа;
– измерением магнитной анизотропии каждого атома
в отдельности [13] (рис. 16.24);
Рис. 16.24. Магнитная анизотропия монокристаллов железа
В настоящее время перспективными направлениями своей деятельности «IBM» считает создание:
– миниатюрных кластеров атомов, в которых можно будет
надежно хранить магнитную информацию;
132
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– систем ячеек магнитной памяти на основе всего одного атома. Устройство атомарного хранения данных размером с плеер «iPod»
сможет хранить, например, весь видеоконтент такого популярного ресурса, как YouTube, состоящего из 1 млн видеороликов общим объемом около 1 000 000 млрд бит;
– молекулярного ключа (рис. 16.25), способного работать множество циклов без нарушений молекулярной структуры.
Рис. 16.25. Молекулярный ключ (модель)
Сложность создания молекулярного ключа обусловлена тем,
что молекулы-ключи после переключений зачастую деформируются.
Из-за этой и некоторых других причин пока не сконструирован работоспособный молекулярный компьютер. На основе молекулярного
ключа строится простая логическая ячейка. Ключ представляет собой
молекулу нафталоцианина и два атома водорода в составе этой органической молекулы.
Несмотря на создание рассмотренных молекулярных ключей,
разработка полностью «молекулярных» компьютеров затруднена из-за
сложности создания сборок, или модулей памяти, состоящих из таких
молекулярных ключей, которые необходимо располагать отдельно
в составе модулей.
Однако в силу того, что по сравнению с традиционной CMOSлогикой компьютерный чип, сконструированный на основе молекулярных ключей, будет иметь значительно меньшие размеры и большее быстродействие, перспектива остается за развитием микроэлектроники и молекулярных компьютеров.
16.6.6. Нанотелефон
Одним из первых вариантов многофункционального телефона
является нанотехнологическое устройство «Morph» [14] (рис. 16.26),
представленное фирмой «Nokia Research Center» (NRC). «Morph»
133
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
представляет собой предмет из гибкого наноматериала, позволяющего
изменять его форму по желанию пользователя.
Рис. 16.26. Многофункциональное мобильное нанотехнологическое
устройство (Концепт «Morph’а»)
134
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Контрольные вопросы
1. В чем заключаются недостатки развития современной электроники, использующей традиционные пути минимизации размеров
составляющих компонентов?
2. С какими качественными изменениями путей развития научного знания и технологий связано использование нанотехнологий?
3. Раскройте известные взгляды ученых на определение и содержание понятия нанотехнологии.
4. Чем определяется содержание нанотехнологии как науки
и технологии?
5. В чем состоит содержание особенностей нанотехнологий?
6. Какие типы наноматериалов существуют?
7. Что представляют собой углеродные нанотрубки, и какие известны направления их применения?
8. Каковы особенности использования нанотехнологий при
решении проблем записи и хранения информации?
9. Как можно повысить плотность записи на магнитном носителе на основе использования нанотехнологий?
10. Какие существуют ограничеия на повышение плотности
записи за счет уменьшения размера магнитного домена (МД)?
11. Как можно преодолеть ограничения на повышение плотности записи за счет уменьшения размера магнитного домена (МД)?
12. Что такое запоминающие пленки с МД, как на их основе
создают магнитные носители с повышенной плотностью магнитной
записи?
13. Каковы возможные значения плотности магнитной записи
на магнитных ностилях, созданных на основе запоминающих пленок,
и каковы предельные характеристики таких матреиалов?
14. При каких условиях можно увеличить плотность записи?
15. Какие существуют методы записи лазерным лучем, обеспечивающие увеличение плотности записи?
16. Дайте определение излучения ближнего поля источника лазерного излучения и раскройте значение его показателей.
17. Во сколько раз, оносительно традиционного способа записи
лазерным лучем, может быть повышена плотность записи при использовании технологии, основанной на использовании «световых пятен»?
18. Опишите принцип записи информации с использованием
излучения ближнего поля.
19. Как осуществляется считывание информации, записанной
с использованием излучения ближнего поля?
20. За счет чего при использовании излучения ближнего поля
увеличивается плотность записи информации до 1 терабит/кв. дюйм?
135
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
21. В чем заключаются недостатки метода записи лазерным
лучем, имеющим параметры ближнего поля?
22. Как осуществляется управление доменной структурой вещества с помощью электрического поля, и как на этой основе достигается повышение плотности записи информации?
23. Как с использованием действия электрического поля на
микромагнитную структуру ферритов происходит увеличение плотности записи информации?
24. В чем заключается сущность управления структурами вещества на основе «квантовой точки»?
25. Дайте определение квантовой точки и объясните ее сущность, особенности использования для разработки элементов памяти.
26. Объясните особенности функционирования транзисторов,
разработанных на принципе квантовой точки, а также их использования.
27. Дайте определение и объясните принцип построения малоэлектронного и одноэлектронного транзисторов.
28. В чем заключаются особенности и преимущества технологий, устройств и приборов, построенных на основе малоэлектронних
и одноэлектронных транзисторов?
29. Опишите принцип работы и конструктивные особенности
одноэлектронного нанотранзистора.
30. Приведите примеры и опишите принцип работы устройств,
разработанных на базе одноэлектронного транзистора.
31. Опишите основные характеристики работы одноэлектронного нанотранзистора.
32. Что такое наностекло, и каковы особенности его использования при разработке запоминающих устройств?
33. Опишите эффекты и характеристики наностекла.
34. Какое практическое применение находят наностекла?
35. Опишите принцип работы одноэлектронных запоминающих устройств.
36. Что дает метод переключения состояния системы с минимальным числом электронов, а в идеальном случае – одним?
37. Какими показателями и их значениями характеризуется одноэлектронное запоминающее устройство?
38. Опишите принцип работы биодатчика непрерывного мониторинга состояния организма на молекулярном уровне.
39. В чем состоят особенности работы биодатчика непрерывного мониторинга состояния организма на молекулярном уровне?
40. Какие существуют проблемы при создании биодатчиков
с молекулярной избирательностью и каковы варианты решения этих
проблем?
136
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
41. В чем заключаются особенности биодатчиков из искусственных материалов, обладающих высокой избирательностью?
42. Объясните принцип построения автоматической системы
микроанализа и раскройте содержание функций и проблем используемого в системе микродатчика.
43. В чем заключаются основные проблемы создания и использования микродатчика?
44. Приведите примеры практических достижений в области
нанотехнологий.
45. Что такое наносеть, каковы особенности ее разработки
и применения?
46. Перечислите конструктивные особенности устройств, разработанных на основе «нанотрубочных» транзисторов.
47. В чем заключаются особенности созадания гибкой электроники и чипов с интегрированными наносенсорами?
48. Что такое спутанные и упорядоченных наноструны и каковы особенности их создания?
49. В чем заключаются особенности самособирающихся источников электропитания?
50. Обясните особенности разработки энергонезависимых
нанозапоминающих устройств (нанопамяти), опишите их характеристики.
51. Каковы перспективы создания молекулярных компьютеров?
52. Приведите примеры вариантов многофункционального
нанотелефона.
137
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛИТЕРАТУРА
К разделу 1
1. Информатика: Концептуальные основы: учебник / под общ.
ред. С. В. Скрыля. – Орел: Изд-во «Орлик», 2007. – 372 с.
2. Теоретические основы информатики и информационная безопасность / В.А. Минаев, А.П. Фисун, В.Н. Саблин [и др.]; под ред. дров техн. наук, профессоров В. А. Минаева, В. Н. Саблина. – М.: Радио и связь, 2000. – 468 с.
3. Информатика и информационная безопасность: учеб. пособ.
/ под ред. В.А. Минаева, А.П. Фисуна. – Хабаровск: Дальневосточный
ЮИ, 2002 – 528 с.
4. Информатика. В 2 т. Том 1: Концептуальные основы: учебник / под общ. науч. ред. В.А. Минаева, А.П. Фисуна [и др.] 2-е изд.
расшир. и доп. – М.: Маросейка, 2008. – 464 с.
5. Информатика. В 2 т. Том 2: Средства и системы обработки
данных: учебник / под общ. науч. ред. В.А. Минаева, А.П. Фисуна,
С.В. Скрыля [и др.]. – 2-е изд., расшир. и доп. – М.: Маросейка, 2008.
– 544 с.
6. Фисун, А.П. Основы построения и перспективы развития аппаратных средств вычислительной техники: монография. В 2 т. / А.П.
Фисун, В.А. Минаев, Ю.В. Баранов [и др.]; под ред. д.т.н. А.П. Фисуна. – Орел, 2008. – 508 с.
К разделу 2
1. Цилькер, Б.Я. Организация ЭВМ и систем: учебник для вузов / Б.Я. Цилькер, С.А. Орлов. – СПб: Питер, 2004. – 668 с.
2. Хамахер, К. Организация ЭВМ / К. Хамахер, З. Вранешич,
С. Заки. – 5-е изд. – СПб.: Питер: Киев: Изд. группа BHV, 2003. – 848 с.
3. Каган, Б.М. Электронные вычислительные машины и системы: учебное пособие для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 552 с.
4. Пескова, С.А. Центральные и периферийные устройства
электронных вычислительных средств / С.А. Пескова, А.И. Гуров,
А.В. Кузин; под ред. О. П. Глудкина. – М.: Радио и связь, 2000. – 496 с.
5. Пятибратов, А.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учебник / А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко; под ред. А.П. Пятибратова. – М.: Финансы и статистика, 1998.
– 400 с.
6. Бройдо, В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации / В.Л. Бройдо. – СПб.: Питер, 2003. – 688 с.
138
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7. Столингс, В. Структурная организация и архитектура компьютерных систем: пер. с англ. / В. Столингс. – 5-е изд. – М.: Изд. дом
«Вильямс», 2002. – 896 c.
8. Таненбаум, Э. Архитектура компьютера / Э. Таненбаум. –
СПб.: Питер, 2002. – 704 с.
9. Водяхо, А.И. Высокопроизводительные системы обработки
данных: учеб. пособ. для вузов / А.И. Водяхо, Н.Н. Горнец, Д.В. Пузанков. – М.: Высш. шк., 1997. – 304 с.
10. Воеводин, В.В. Параллельные вычисления / В.В. Воеводин,
Вл.В. Воеводин. – СПб.: БХВ-Петербург, 2002. – 608 с.
11. Мураховский, В.И. Устройство компьютера / В.И. Мураховский; под ред. C. В. Симоновича. – М.: АСТ-ПРЕСС КНИГА, 2003.
– 640 с.
12. Гук, М. Аппаратные средства IBM PC: энциклопедия /
М. Гук. – 2-е изд. – СПб.: Питер, 2002. – 928 с.
13. Гук, М. Аппаратные интерфейсы ПК: энциклопедия / М.
Гук. – СПб.: Питер, 2002. – 528 с.
14. Мюллер, С. Модернизация и ремонт ПК: пер. с англ. /
С. Мюллер. – 14-е изд.: – М.: Изд. дом «Вильямс», 2003. – 1184 с.
15. Колесниченко, О.В. Аппаратные средства PC / О.В. Колесниченко, И.В. Шишигин. – 4-е изд., перераб. и доп. – СПб.: БХВПетербург, 2002. – 1024 с.
16. Бигелоу, С. Устройство и ремонт персонального компьютера. Кн. 2: пер. с англ. / С. Бигелоу. – М.: ООО «Бином-Пресс», 2004. –
912 с.
17. Одинцов, И. Профессиональное программирование. Системный подход [Электронный ресурс] / И Одинцов. – Режим доступа:
http://lib.aswl.ru/ books/ methodology/ programming/index.htm. –
31.05.2004 г.
18. Виртуальный компьютерный музей // Проект Эдуарда
Пройдакова [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.computermuseum.ru. – 25.06.2003 г.
19. Малиновский, Б.Н. История вычислительной техники в лицах /
Б.Н. Малиновский. – Киев.: фирма «КИТ», ПТОО «А. С. К.», 1995. – 384 с.
20. Бурцев, В.С. Новые принципы организации вычислительных процессов высокого параллелизма. Методы и средства обработки
информации / В.С. Бурцев; под ред. Л. Н. Королева // Труды первой
Всероссийской научной конференции. – М.: Издательский отдел факультета вычислительной математики и кибернетики МГУ им. М. В.
Ломоносова, 2003. – 579 с.
21. Очерки по истории советской вычислительной техники
и школ программирования // Открытые системы [Электронный ре-
139
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сурс]. – Режим доступа: http:// www.osp.ru/ museum/ index.htm. –
09.11.2004 г.
22. Музей истории отечественных компьютеров [Электронный
ресурс]. – Режим доступа: http:// www.uic.bashedu.ru/ konkurs/ tarhov/
russian/ index-r.htm. – 07.06.2005 г.
23. Смирнов, А.Д. Из истории развития аналоговых вычислительных машин в России [Электронный ресурс] / А.Д. Смирнов, Г.М.
Петров. – Режим доступа: http:// www.computer-museum.ru/ histussr/
avm.htm. – 25.06.2003 г.
24. Беляков, В.Г. Аналоговые машины, разработанные в
НИИСчетмаше [Электронный ресурс] / В.Г. Беляков. – Режим доступа: http:// www.computer-museum.ru/ histussr/ avmniism.htm. – 25.06.2003
г.
25. Максимов, Н.В. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: учебник / Н.В. Максимов, Т.Л. Партыка, И.И. Попов. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2005. – 512 с.
26. Шелихов, А.А. Вычислительные машины: справочник /
А.А. Шелихов, Ю.П. Селиванов; под ред. В. В. Пржиялковского. – 2-е
изд., перераб. и доп. – М.: Энергия, 1978. – 224 c.
27. Пржиялковский, В.В. Исторический обзор семейства ЕС ЭВМ
[Электронный ресурс] / В.В. Пржиялковский. – Режим доступа: http://
www.computer-museum.ru/ histussr/ es_hist.htm. – 25.06.2003 г.
28. Кузьминский, М. Микроархитектура Itanium / М. Кузьминский // Открытые системы. – 2001. – № 9.
29. Першиков, В.И. Толковый словарь по информатике / В.И.
Першиков, В.М. Савинков. – М.: Финансы и статистика, 1991. – 543 с.
30. Толковый словарь по вычислительным системам: пер. с
англ. А.К. Белоцкого [и др.]; под ред. Е.К. Масловского / под ред. В.
Иллингуорта [и др.] – М.: Машиностроение, 1991. – 560 с.
31. Якубайтис, Э.А. Информационные сети и системы. Справочная книга / Э.А. Якубайтис. – М: Финансы и статистика, 1996. –
368 с.
32. Бушуев, С.Н. Теоретические основы создания информационно-технических систем / С.Н. Бушуев, А.С. Осадчий, В.М. Фролов.
– СПб.: ВАС, 1998. – 404 с.
33. Воройский, Ф.С. Систематизированный толковый словарь
по информатике / Ф.С. Воройский. – М.: Либерея, 1998. – 376 с. –
(Вводный курс по информатике и вычислительной технике в терминах).
34. Лопатников, Л.И. Экономико-математический словарь /
Л.И. Лопатников. – М.: Наука, 1987. – 510 с.
35. Сергей Алексеевич Лебедев. К 100-летию со дня рождения
основоположника отечественной электронной вычислительной техни-
140
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ки / отв. ред. В. С. Бурцев; состав. Ю. Н. Никольская, А. Н. Томилин,
Ю. В. Никитин, Н. С. Лебедева. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. –
440 с.
36. Chronology of Events in the History of Microcomputers [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http:// www.microprocessor.sscc.ru/
comphist/ comp1971.htm. – 31.05.2005 г.
37. Булгак, В.Б. Теория и проектирование управляющих систем
электросвязи: учеб. для вузов / В.Б. Булгак, Э.В. Евреинов, И.А. Мамзелев. – М.: Радио и связь, 1995. – 384 с.
38. Корнеев, В.В. Современные микропроцессоры / В.В. Корнеев, А.В. Киселев. – 3-е изд., перераб. и доп. – СПб.: БХВ-Петербург,
2003. – 448 с.
39. Seth Lloyd, Ultimate Physical limits to computations / Nature,
V. 406, August, 31, 2000. – http://arxiv.org/abs/quantph/0110141.
40. Иванченко, В. Понять климат / В. Иванченко // Компьютера. – 2001. – № 35 (412).
41. Романов, Ю. Оценка по физподготовке / Ю. Романов //
Компьютера. – 2005. – № 25–26 (597–598).
42. Мельников, В.В. Защита информации в компьютерных системах / В.В. Мельников. – М.: Финансы и статистика, 1997. – 368 с.
43. Основы информационной безопасности: учебник / В.А.
Минаев, С.В. Скрыль, А.П. Фисун [и др.]. – Воронеж: Воронежский
институт МВД России, 2000. – 464 с.
44. Безопасность ведомственных информационно – телекоммуникационных систем / А.А. Гетманцев, В.А. Липатников, А.М.
Плотников, Е.Г. Сапаев. – ВАС, 1997. – 200 с.
45. Теоретические основы информатики и информационная
безопасность / В.А. Минаев, А.П. Фисун, В.Н. Саблин [и др.]; под ред.
д-ров техн. наук, проф. В. А. Минаева, В. Н. Саблина. – М.: Радио и
связь, 2000. – 468 с.
46. Вычислительные машины, системы и сети: учебник / А.П.
Пятибратов, С.Н. Беляев, Г.М. Козырева [и др.]; под ред. проф. А.П.
Пятибратова. – М.: Финансы и статистика, 1991. – 400 с.
47. Нечай О. Blue Gene/L: новая «звезда» среди суперкомпьютеров [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.terralab.ru/
/system/38081/. – 28.03.2005 г.
48. Барский, А.Б. Архитектура параллельных вычислительных
систем: учеб. пособ. / А.Б. Барский. – М. : МИИТ, 2000. – 171 с.
49. Основы построения и перспективы развития аппаратных
средств вычислительной техники: монография. В 2 т. / А.П. Фисун,
В.А. Минаев, Ю.В. Баранов [и др.]; под ред. д.т.н. А.П. Фисуна. –
Орел: ОрелГТУ, 2008.– 5080 с.
141
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К разделу 3
1. Цилькер, Б.Я. Организация ЭВМ и систем: учебник для вузов / Б. Я. Цилькер, С. А. Орлов. – СПб : Питер, 2004. – 668 с.
2. Столингс, В. Структурная организация и архитектура компьютерных систем: пер. с англ. / В. Столингс. – 5-е изд.,– М. : Изд.
дом «Вильямс», 2002. – 896 с.
3. Майоров, С.А. Введение в микроЭВМ / С.А. Майоров, В.В.
Кириллов, А.А. Приблуда. – Л.: Машиностроение: Ленинградское отдние, 1988. – 304 с.
4. Корнеев, В.В. Современные микропроцессоры / В.В. Корнеев, А.В. Киселев. – 3-е изд., перераб. и доп. – СПб.: БХВ-Петербург,
2003. – 448 с.
5. Баранов, И.Ю. Аппаратные средства вычислительной техники. Функциональная и структурная организация ЭВМ : пособие /
И. Ю. Баранов. – Орел : Академия ФСО, 2006. – 132 с.
6. Пескова, С.А. Центральные и периферийные устройства
электронных вычислительных средств / С. А. Пескова, А. И. Гуров,
А. В. Кузин; под ред. О. П. Глудкина. – М. : Радио и связь, 2000. – 496
с.
7. Перспективы развития вычислительной техники: справочное
пособие. В 11 кн. Кн. 7: Полупроводниковые запоминающие устройства / А.Б. Акинфеев, В.И. Миронцев, Г.Д. Софийский, В.В. Цыркин;
под ред. Ю.М. Смирнова. – М.: Высш. шк., 1989. – 160 с.
8. Чепурной, В.Г. Устройства хранения информации / В.Г. Чепурной. – СПб. : BHV Санкт-Петербург, 1998. – 208 с.
9. Бройдо, В.Л. Архитектура ЭВМ и систем : учебник для вузов
/ В. Л. Бройдо, О. П. Ильина. – СПб. : Питер, 2006. – 718 с.
10. Бройдо, В. Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации / В. Л. Бройдо. – СПб. : Питер, 2003. – 688 с.
11. Хамахер, К. Организация ЭВМ / К. Хамахер, З. Вранешич,
С. Заки. – 5-е изд. – СПб.: Питер. Киев: Изд. группа BHV, 2003. – 848 с.
12. Мюллер, С. Модернизация и ремонт ПК: пер. с англ. /
С. Мюллер. – 16-е изд. – М.: Изд. дом «Вильямс», 2006. – 1328 с.
13. Ревич, Ю. Полюсы магнита / Ю. Ревич // Домашний компьютер. – 2007. – № 7. – С. 34 – 41.
14. Гук, М. Аппаратные средства IBM PC: энциклопедия / М.
Гук. – 2-е изд. – СПб.: Питер, 2002. – 928 с.
15. Копейкин, М. В. Организация ЭВМ и систем: учеб. пособие
/ М. В. Копейкин, В. В. Спиридонов, Е. О. Шумова. – СПб.: СЗТУ,
2004. – 153 с. – (Память ЭВМ).
142
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
16. Чеканов, Д. Blu-ray против HD-DVD : современное состояние [Электронный ресурс] / Д. Чеканов. – Режим доступа:
www.THG.ru. – 07.02.2007 г.
17. Мюллер, С. Модернизация и ремонт ПК: пер. с англ. /
С. Мюллер. – 17-е изд. – М. : ООО «Вильямс», 2007. – 1360 с.
(+147 с. на CD).
18. Гук, М. Аппаратные средства IBM PC: энциклопедия /
М. Гук. – 3-е изд. – СПб. : Питер, 2006. – 1072 с.
19. Системы хранения данных // Upgrade – новый уровень ваших компьютеров. – 2006. – № 3 (28). – С. 46 – 56.
20. Базовые технологии в системах хранения данных // Upgrade
– новый уровень ваших компьютеров. – 2005. – № 4 (23). – С. 2 – 7.
21. Сюртуков, И. Современные системы хранения данных /
И. Сюртуков // http://www.ferra.ru/online/storage/26178/. – 06.12.2005 г.
22. Bianca Schroeder. Disk failures in the real world: What does an
MTTF of 1,000,000 hours mean to you? / Schroeder Bianca, A. Gibson
Garth // www.usenix.org/events/fast07/tech/schroeder/schroeder.html. –
05.03.2007 г.
23. Радаев, А. Подробное знакомство с RAID-массивами /
А. Радаев // http://www.ferra.ru/online/storage/26107/. – 26.10.2005 г.
24. Индустриальные твердотельные накопители информации
для тяжелых условий эксплуатации // ООО «ТС-СКН», НПО «Техника-Сервис» (TS Computers). – www.ts.ru. – 10.03.2007 г.
25. Карнаух, П. NAS для вас / П. Карнаух // Открытые системы.
– 2002. – № 4. – http://www.osp.ru/os/2002/04/. – 20.04.2002 г.
26. Голубев, Д. Сети хранения / Д. Голубев // Открытые системы. – 2003. – № 3. – http://www.osp.ru/. – 20.03.2003 г.
27. Голубев, Д. Сети хранения данных (SAN) / Д. Голубев,
А. Лобанов // Jet info online, 2002. – № 9 (112). – http://www.jetinfo.ru/
/2002/9/1/article1.9.2002.html.
28. Черняк, Л. Виртуализация систем хранения / Л. Черняк //
Открытые системы. – 2002. – № 4. – http://www.osp.ru/os/2002/04/. –
20.04.2002 г.
29. Овсянников, В. RAID: от принципов функционирования до
реальных систем / В. Овсянников // http://www.epos.kiev.ua/pubs/nk/. –
27.07.1999 г.
30. Карабуто, А. IDF 2004 : ядреные процессоры / А. Карабуто
// Компьютерра. – 2004. – № 35 (559). – С. 22.
31. Пятибратов, А.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации : учебник / А. П. Пятибратов, Л. П. Гудыно, А. А. Кириченко. – М. : Финансы и статистика, 1998.
143
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
32. Беседин, Д. Первый взгляд на DDR3. Изучаем новое поколение памяти DDR SDRAM, теоретически и практически / Д. Беседин
// http://www.ixbt.com/ mainboard/ddr3-rmma.shtml. – 15.05.2007 г.
33. Лень, М. Registered DIMM: основные моменты / М. Лень //
http://www.ixbt.com/ mainboard/registered-dimm.shtml. – 30.07.2002 г.
34. Схемотехника электронных систем. Микропроцессоры
и микроконтроллеры / В. И. Бойко, А. Н. Гуржий, В. Я. Жуйков
[и др.]. – СПб.: БХВ-Петербург, 2004. – 464 с.
35. Озеров, С. Архитектура процессоров. CISC и RISC / С. Озеров // http://www.terralab.ru/system/235190. – 25.10.2005 г.
36. Таненбаум, Э. Архитектура компьютера / Э. Таненбаум. –
5-е изд. – СПб. : Питер, 2007. – 844 с.
37. Крейгон, Х. Архитектура компьютеров и ее реализация /
Х. Крейгон. – М. : Мир, 2004. – 416 с.
38. Попов, М. Один – хорошо, а два – лучше / М. Попов //
http://offline. computerra.ru/offline/2002/452/18920. – 15.07.2002 г.
39. Кузьминский, М. Дорога к высоким частотам / М. Кузьминский // Открытые системы. – 2001. – № 2. – С. 8 – 14. –
http://www.osp.ru /os/2001/02/179917.
40. Борзенко, А. Технологии мэйнфреймов в серверах стандартной архитектуры / А. Борзенко // Платформы и технологии. –
2005. – № 7. – http://www.bytemag.ru/?ID=603769. – 15.10.2007 г.
41. Шматок, А. Аппаратные ускорители на базе ПЛИС / А.
Шматок // Современная электроника. – 2007. – № 6. – С. 74 – 77.
42. Романец, Ю.В. Защита информации в компьютерных системах и сетях / Ю. В. Романец, П. А. Тимофеев, В. Ф. Шаньгин. – М. :
Радио и связь, 2001. – 376 с.
43. Зубинский, А. Аппаратные средства криптографии /
А. Зубинский // http://itsfor.narod.ru/ index.htm. – 28.01.1999 г.
44. Озеров, С. Технологии компьютерной безопасности / С.
Озеров. Ч. 4: AMD Alchemy Au1550 – алхимия сетевой защиты //
http://www.terralab.ru/system/ 32758. – 23.03.2004 г.
45. Юров, В.Ю. Assembler : учебник для вузов / В. Ю. Юров. –
2-е изд. – СПб. : Питер, 2003. – 637 с.
46. Карабуто, А. Отладка кристаллов микросхем / А. Карабуто
// Компьютерра. – 2004. – № 37 (561). – С. 22.
47. Применение микропроцессора NM6403 для эмуляции
нейронных сетей / П. А. Шевченко [и др.] // Нейрокомпьютеры и их
применение. – М.: ИПУ РАН, 1999. – С. 81 – 90.
48. Комарцова, Л.Г. Нейрокомпьютеры / Л.Г. Комаров, А.В.
Максимов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. – 400 с.
49. Сергей Алексеевич Лебедев. К 100-летию со дня рождения
основоположника отечественной электронной вычислительной техни-
144
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ки / отв. ред. В.С. Бурцев; состав.: Ю.Н. Никольская, А.Н. Томилин,
Ю.В. Никитин, Н. С. Лебедева. – М. : ФИЗМАТЛИТ, 2002. – 440 с.
50. Основы построения и перспективы развития аппаратных
средств вычислительной техники: монография. В 2 т. / А.П. Фисун,
В.А. Минаев, Ю.В. Баранов [и др.]; под ред. д.т.н. А.П. Фисуна. –
Орел: ОрелГТУ, 2008. – 508 с.
К разделу 4
1. Цилькер, Б.Я. Организация ЭВМ и систем: учеб. для вузов /
Б.Я. Цилькер, С.А. Орлов. – СПб. : Питер, 2004. – 668 с.
2. Столингс, В. Структурная организация и архитектура компьютерных систем: пер. с англ. / В. Столингс. – 5-е изд. – М. : Изд.
дом «Вильямс», 2002. – 896 с.
3. Баранов, И. Ю. Аппаратные средства вычислительной техники. Функциональная и структурная организация ЭВМ : пособие. –
Орел : Академия ФСО, 2006. – 132 с.
4. Пескова, С.А. Центральные и периферийные устройства
электронных вычислительных средств / С.А. Пескова, А.И. Гуров,
А.В. Кузин; под ред. О.П. Глудкина. – М. : Радио и связь, 2000. – 496
с.
5. Акулов, О.А. Информатика : базовый курс: учеб. пособие /
О.А. Акулов, Н.В. Медведев. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Омега-Л,
2005. – 552 с.
6. Бройдо, В.Л. Архитектура ЭВМ и систем: учебник для вузов
/ В.Л. Бройдо, О.П. Ильина. – СПб.: Питер, 2006. – 718 с.
7. Таненбаум, Э. Архитектура компьютера / Э. Таненбаум. – 5е изд. – СПб. : Питер, 2007. – 844 с. –(+CD)
8. Хамахер, К. Организация ЭВМ / К. Хамахер, З. Вранешич,
С. Заки. – 5-е изд. – СПб.: Питер: Киев: Изд. группа BHV, 2003. – 848 с.
9. Мячев, А.А. Интерфейсы средств вычислительной техники:
энциклопедический справочник / А.А. Маячев. – М.: Радио и связь,
1993. – 352 с.
10. Мюллер, С. Модернизация и ремонт ПК: пер. с англ /
С. Мюллер. – 17-е издание. – М. : ООО «И. Д. Вильямс», 2007. – 1360
с. – (+147 с. на CD).
11. Гук, М. Аппаратные средства IBM PC: энциклопедия / М.
Гук. – 3-е изд. – СПб.: Питер, 2006. – 1072 с.
12. Якубайтис, Э.А. Информационные сети и системы: справочная книга / Э.А. Якубайтис. – М. : Финансы и статистика, 1996. – 368
с.
145
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
13. Каган, Б. М. Электронные вычислительные машины и системы: учеб. пособие для вузов / Б.М. Каган. – 2-е изд., перераб. и доп.
– М. : Энергоатомиздат, 1985. – 552 с.
14. Лапин, А.А. Интерфейсы. Выбор и реализация / А.А. Лапин. – М. : Техносфера, 2005. – 168 с.
15. Крейгон, Х. Архитектура компьютеров и ее реализация / Х.
Крейган. – М. : Мир, 2004. – 416 с.
16. Мячев, А.А. Интерфейсы систем обработки данных / А.А.
Мячев, В.Н. Степанов, В.К. Щербо. – М. : Радио и связь, 1989. – 416 с.
17. Мячев, А.А. Мини- микроЭВМ систем обработки информации: справочник / А.А. Мячев. – М. : Энергоатомиздат, 1991. – 304
с.
18. Ершова, Н.И. Организация вычислительных систем / Н.И.
Ершова, А.В. Соловьев // Интернет-Университет Информационных
Технологий. – http://www.intuit.ru.
19. AMD-762™ System Controller Software/BIOS Design Guide //
Preliminary Information, Publication # 24462 Rev: D. – Advanced Micro
Devices, 2002. – p. 274.
20. AMD-766TM Peripheral Bus Controller Data Sheet // Preliminary Information, Publication # 23167B. – Advanced Micro Devices, 2001.
– p. 96.
21. Эйнджел, Э. Интерактивная компьютерная графика. Вводный курс на базе OpenGL: пер. с англ. / Э. Эйнджел. – 2-е изд., – М.:
Изд. дом «Вильямс», 2001. – 592 с.
22. Цилькер, Б.Я. Организация ЭВМ и систем : учебник для вузов / Б. Я. Цилькер, С. А. Орлов. – СПб : Питер, 2004. – 668 с.
23. Столингс, В. Структурная организация и архитектура компьютерных систем: пер. с англ. / В. Столингс. – 5-е изд., – М.: Изд. дом «Вильямс», 2002. – 896 с.
24. Корнеев, В. В. Современные микропроцессоры / В.В. Корнеев,
А.В. Киселев. – 3-е изд., перераб. и доп. – СПб.: БХВ-Петербург, 2003. – 448 с.
25. Пескова, С.А. Центральные и периферийные устройства электронных вычислительных средств / С.А. Пескова, А.И. Гуров, А.В. Кузин;
под ред. О. П. Глудкина. – М. : Радио и связь, 2000. – 496 с.
26. Чепурной, В.Г. Устройства хранения информации / В.Г. Чепурной. – СПб. : BHV Санкт-Петербург, 1998. – 208 с.
27. Бройдо, В. Л. Архитектура ЭВМ и систем : учебник для вузов /
В. Л. Бройдо, О. П. Ильина. – СПб. : Питер, 2006. – 718 с.
28. Хамахер, К. Организация ЭВМ / К. Хамахер, З. Вранешич, С. Заки. – 5-е изд. – СПб. : Питер; Киев : Изд. группа BHV, 2003. – 848 с.
29. Мюллер, С. Модернизация и ремонт ПК: пер. с англ. / С. Мюллер.
– 16-е изд. – М.: Изд. дом «Вильямс», 2006. – 1328 с.
146
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
30. Ревич, Ю. Полюсы магнита / Ю. Ревич // Домашний компьютер. –
2007. – № 7. – С. 34 – 41.
31. Гук, М. Аппаратные средства IBM PC: энциклопедия /
М. Гук. – 2-е изд. – СПб.: Питер, 2002. – 928 с.
32. Копейкин, М. В. Организация ЭВМ и систем: учеб. пособие /
М.В. Копейкин, В.В. Спиридонов, Е.О. Шумова. – СПб.: СЗТУ, 2004. – 153 с.
– (Память ЭВМ).
33. Малиновский, Б.Н. История вычислительной техники в лицах /
Б.Н. Малиновский. – Киев.: фирма «КИТ», ПТОО «А. С. К.», 1995. – 384 с. –
http://lib.ru/ MEMUARY/ MALINOWSKIJ. – 15.06.2003 г.
34. Воеводин, В.В. Параллельные вычисления / В. В. Воеводин,
Вл. В. Воеводин. – СПб.: БХВ-Петербург, 2002. – 608 с.
35. Максимов, Н.В. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем:
учебник / Н.В. Максимов, Т.Л. Партыка, И.И. Попов. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2005. – 512 с.
36. Пятибратов, А.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учебник / А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко; под ред.
А.П. Пятибратова. – М.: Финансы и статистика, 1998. – 400 с.
37. Колесниченко, О.В. Аппаратные средства PC / О.В. Колесниченко, И.В. Шишигин. – 4-е изд., перераб. и доп. – СПб.: БХВ-Петербург, 2002. –
1024 с.
38. Мюллер, С. Модернизация и ремонт ПК: пер. с англ. /
С. Мюллер. – 17-е изд. – М. : ООО «И. Д. Вильямс», 2007. – 1360 с.
39. Бигелоу, С. Устройство и ремонт персонального компьютера.
Аппаратная платформа и основные компоненты: пер. с англ. /
С. Бигелоу. – 2-е изд. – М. : ООО «Бином-Пресс», 2005. – 976 с.
40. Мураховский, В. И. Железо ПК. Новые возможности /
В.И. Мураховский. – СПб. : Питер, 2005. – 592 с.
41. Дигитайзеры. – http://www.nstor.ru/ru/catalog/50/3374.html.
42. http://julivi.com/index.php?do=news&action=show&id=7.
43. Дигитайзеры. – http://www.comtense.ru/idx.htm.
44. http://www.immersion.com/digitizer.
45. Красновский, Д. Как правильно выбрать дигитайзер /
Д. Красновский. – http://www.sovets.ru/select/933.htm. – 14.01.2007.
46. Гармаев, Б. Мануальное воздействие: технологии сенсорных
экранов / Б. Гармаев. – http://www.terralab.ru/input/37214/. – 27.12.2004.
47. http:// http://julivi.com/index.php?do=news&action=show&id=7.
48. Анатомия сканера: взгляд изнутри. – http://www.fcenter.ru/
/online.shtml?articles/hardware/scanners/8074. – 09.12.2003
49. Анатомия Сканеров. – http://www.morepc.ru/scanner/anatomes.html.
147
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
50. Михайлов, В. Видеокамеры. От телевизионной камеры к видеокамере // В. Михайлов, П. Шурбелев. – http://rus.625-net.ru/625/
/2000/09/r1.htm.
51. Гультяев, С.Д. Выбор видеокамеры: пособие для начинающих
[Электронный ресурс] / С.Д. Гультяев. – Режим доступа:
http://www.ixbt.com/divideo/camera-choice.shtml. – 01.08.2006.
52. Бесхлебный, И. Твердотельные сенсоры изображения: как получается цвет [Электронный ресурс] / И. Бесхлебный. – Режим Доступа:
http://www.ixbt.com/dig Спектрофотометры и спектроденситометры. –
http://www.calculate.ru/book-accprint-7.html – 29.06.2004.
53. Спектрофотометры и спектроденситометры [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.calculate. ru/book-accprint-7.html.
54. Новые спектроденситометры Techkon SpectroDens // КомпьюАрт.
– 2004. – № 9.
55. Волошин, О. Зверь, именуемый мышь / О. Волошин // Компьютера. – 2008. – № 7 (723). – С. 67 – 69.
56. Волошин, О. В одно касание / О. Волошин // Компьютера. 2008. –
№ 7 (723). – С. 73 – 75.
57. Как устроена видеокарта. – http://www.prestiz.com.ua/cvideo/
/Kak_ust-roena_videokarta/.
58. Берилло, А. Руководство покупателя видеокарты. Версия 1.2 от
29.02.2008. – http://www.ixbt.com/video3/guide.shtml. – 20.02.2008.
59. Адинец, А. В. О системе программирования вычислений общего
назначения на графических процессорах / А.В. Адинец, Н.А. Сахарных //
Численные методы, параллельные вычисления и информационные технологии: сборник научных трудов; под ред. Вл. В. Воеводина, Е. Е. Тыртышникова. – М.: Изд-во. Московского ун-та. – 2008. – С. 25 – 52.
60. Ерохин, А. Мониторы [Электронный ресурс] / А. Ерохин. – Режим доступа: http://www.computerra.ru/special/2003/7/24786/. – 16.04.2003.
61. Мураховский, В.И. Устройство компьютера / В.И. Мураховский;
под ред. С.В. Симоновича. – М. : «АСТ-ПРЕСС КНИГА», 2003. – 640 с.
62. Сокольников, А. Матрица: эволюция [Электронный ресурс] / А.
Сокольников.
–
Режим
доступа:
http://www.computerra.ru/
offline/2005/582/37932/. – 15.3.2005.
63. Битые пикселы [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
http://www.nix.ru.
64. Мультимедийные проекторы: базовые технологии. – http://
/pcsystems.by/ catalogue/projector/typs/c83a51c59eb4dfba.html.
65. Интерактивные системы. – http://www.viking.ru/info/intersys.htm.
66. Усенков, Д.Ю. Как потратить миллион? – http://www.smart
board.ru/ view_s321_mid_r321_1176115618.htm.
67. Рогожкин, И. Интерактивные доски изнутри. – http://
/www.pcmag.ru/ solutions/detail.php?ID=10895.
148
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
68. Шлем виртуальной реальности [Электронный ресурс]. – Режим
доступа: http://www.emagin.ru
69. Пятибратов, А.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учебник. – А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко; под ред.
А.П. Пятибратова. – М.: Финансы и статистика, 1998. – 400 с.
70. Даймбахер, Ф. Высокопроизводительные вычисления в нефтяной
индустрии. Трехмерная визуализация / Ф. Даймбахер // Нефтяное хозяйство.
– 2002. – № 2. – С. 12 – 15.
71. Основы построения и перспективы развития аппаратных средств
вычислительной техники: монография. В 2 т. / А.П. Фисун, В.А. Минаев,
Ю.В. Баранов [и др.]; под ред. д.т.н. А.П. Фисуна. – Орел: ОрелГТУ, 2008. –
508 с.
К разделу 5
1. Кобаяси, Н. Введение в нанотехнологию: пер. с японск. /
Н. Кобаяси. – 2-е изд. – М.: БИНОМ: Лаборатория знаний, – 2008. –
134 с.
2. Щука, А.А. Наноэлектроника / А.А. Щука – СПб.: БХВПетербург, 2008. – 752 с.
3. Форстер, Л. Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности / Л. Форстер – М.: Техносфера, 2008. – 352 с.
4. Головин, Ю.И. Введение в нанотехнику. / Ю.И. Головин –
М.: Машиностроение, 2007. – 496 с.
5. NNN nanonewsnet.ru [Электронный ресурс] // Сайт о нанотехнологиях
№
1
в
России
–
Режим
доступа:
http://www.nanonewsnet.ru.
6. Центр нанотехнологий Росатома [Электронный ресурс] /
Сайт Центра Нанотехнологий Росатома – Режим доступа:
http://www.nanoportal.ru.
7. Нано Дайджест [Электронный ресурс] / Интернет-журнал
нанотехнологиях. – Режим доступа: http://www.nanonewsnet.ru/articles/
/2008/ttp://nanodigest.ru.
8. Нано-сеть: новое слово в гибкой электронике [Электронный
ресурс] / Nanonewsnet, опубликовано Валентиной Свидиненко. – Режим доступа: http://www.nanonewsnet.ru/articles/2008/nano-set-novoeslovo-v-gibkoi-elektronike.
9. Нанотрубчатая электроника становится гибкой [Электронный ресурс] / Nanonewsnet, опубликовано Валентиной Свидиненко
[Режим
доступа:
http://www.nanonewsnet.ru/news/2008/nanotrubochnaya-elektronikastanovitsya-gibkoi].
149
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10. Создан первый в мире чип с наносенсорами [Электронный
ресурс] / Nanonewsnet, опубликовано Валентиной Свидиненко [Режим
доступа: http://www.nanonewsnet.ru/articles/2008/sozdan-pervyi-v-mirechip-s-integrirovannymi-nanosensorami].
11. Зарождение мезоскопических магнитных структур локальным лазерным воздействием /А.С. Логинов, А. В. Николаев, В. Н.
Онищук, П. А. Поляков // Письма в ЖЭТФ. – № 86. – 2007. – 124 с.
12. Основы построения и перспективы развития аппаратных
средств вычислительной техники: монография. В 2 т. / А.П. Фисун,
В.А. Минаев, Ю.В. Баранов [и др.]; под ред. д.т.н. А.П. Фисуна. –
Орел: ОрелГТУ, 2008. – 508 с.
13. Создан новый тип нанопамяти [Электронный ресурс] /
Nanonewsnet опубликовано В. Свидиненко. –http://www.nanonewsnet.ru/news/2007/novyi-tip-nano-pamyati-sozdan- uchenymi-iz-taivanya].
14. IBM открыла молекулярным компьютерам зеленый свет
[Электронный ресурс] / Nanonewsnet, опубликовано В. Свидиненко. –
Режим доступа: http://www.nanonewsnet.ru/articles/2007/ibm-otkrylamolekulyarnym-kompyuteram-zelenyi-svet].
15. NOKIA и Кембриджский универсистет представили концепт нанотехнологического устройства [Электронный ресурс] /
Nanonewsnet, опубликовано В. Свидиненко. – Режим доступа:
http://www.nanonewsnet.ru/news/2008/nokia-i-kembridzhskii-universitetpredstavili-kontsept-nanotekhnologicheskogo-ustroistva.
16. Управление доменной структурой [Электронный ресурс] /
Nanonewsnet, опубликовано В. Свидиненко. – Режим доступа:
http://www.nanonewsnet.ru/articles/2008/elektroshok-dlya-magnitnykhdomenov-upravlenie-domennoi-strukturoi-s-pomoshchyu-elektr].
150
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Учебное издание
Минаев Владимир Александрович
Фисун Александр Павлович
Зернов Владимир Алексеевич
Еременко Владимир Тарасович
Константинов Игорь Сергеевич
Коськин Александр Васильевич
Белевская Юлия Александровна
Дворянкин Сергей Владимирович
АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Учебник
Редактор Г.В. Карпушина
Технический редактор Д.В. Агарков
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Орловский государственный технический университет
Лицензия ИД №00670 от 05.01.2000 г.
Подписано к печати 31.08.2009 г. Формат 60х84 1/16.
Усл. печ. л. 30,4. Тираж 1000 экз.
Заказ № 06/11п 1
Отпечатано с готового оригинал-макета
на полиграфической базе ОрелГТУ,
302030, г. Орел, ул. Московская, 65.
151
Документ
Категория
Другое
Просмотров
985
Размер файла
3 569 Кб
Теги
2718, аппаратные, техника, средств, вычислительной
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа